【Nat Plants】全新策略！剑桥大学将胼胝质引入细胞壁，让木质素含量降低-29%

2023年9月4日，Nature Plants在线发表了英国剑桥大学、芬兰赫尔辛基大学Ykä Helariutta、Paul Dupree和Matthieu Bourdon及其合作者题为“Ectopic callose deposition into woody biomass modulates the nano-architecture of macrofibrils”的研究论文。该研究利用基因工程手段将胼胝质引入到木材结构，通过多尺度分析发现次生细胞壁中胼胝质的沉积调节了细胞孔隙度、水分和木质素含量，并且增加了木质素-纤维素的距离，最终导致生物质顽固性大幅度降低。该研究为木质纤维素生物质基因工程研究提供了全新的策略和途径。

https://doi.org/10.1038/s41477-023-01459-0

木质纤维素生物质 (lignocellulosic biomass) 是一种非常有前景的可再生的生物燃料和化学制品与材料生产的原料，相比于不可再生的化石燃料其具有一系列优点，对于循环生物经济和全球碳中和目标的实现发挥着至关重要的作用。通过基因工程手段对木质纤维素生物质进行遗传改良，能够有效降低工业生产的经济和技术壁垒，从而促进生物质精炼工业的发展。之前的大部分研究主要集中在构成木材的主要组分：纤维素、半纤维素和木质素的研究中，而对木质纤维素及其结构的研究很少。

在该研究中，作者首先通过拟南芥评估了将胼胝质沉积在次生细胞壁中的可行性。利用次生细胞壁特异的启动子驱动拟南芥胼胝质合成酶基因的功能增强型突变体cals3m的表达，通过检测发现pAtIRX8启动子能够明显促进木质部和纤维中的胼胝质沉积，且没有生长的负面效应。随后作者将这一系统在杨树中进行转化，使用了组成型表达和雌二醇诱导表达系统同时进行分析，发现与拟南芥类似，转基因杨树木质部导管和纤维中有明显的胼胝质沉积，此外在韧皮部纤维中也发现有胼胝质沉积（图1）。组成型表达和雌二醇诱导表达的转基因杨树之间的导管和纤维大小没有很明显的差异。

图1. 胼胝质能够有效且稳定地整合到杨树的木质生物质

为了研究将胼胝质引入到次生细胞壁是否会影响其生物合成程序和生化组成，作者对转基因杨树进行单糖组分分析，结果并没有发现在成分上有大的差异。通过糖苷键分析发现组成型表达和雌二醇诱导表达材料中少数葡萄糖苷键发生变化外,其余没有大的差异。进一步通过甘氨酸特异抗体的酶联免疫吸附实验(ELISA)和透射电镜扫描实验分析发现胼胝质与其他次生细胞壁聚合物在空间上非常接近。之后作者通过拉曼光谱对转基因杨树的木质素多聚物进行分析，非常惊奇地发现纤维素与木质素的比率降低。利用木质素定量分析进一步对此进行确认，无论水培或是温室生长条件下，组成型表达植株中木质素发生小幅减少（-5~9%），而诱导型表达植株中的木质素含量严重降低（-29%）。这表明次生细胞壁中积累的木质素与胼胝质之间存在负相关。

为了更深入的研究次生细胞壁中胼胝质与其他多聚物之间的相关作用，作者利用最新的固态核磁共振（ssNRM）技术在不同条件下进行实验，研究发现次生细胞壁中的胼胝质不仅对木质素的含量有影响，而且对细胞壁基质中木质素-纤维素的距离也产生影响（图2）。此外还发现细胞壁中胼胝质相比其他多聚物更靠近水分子。

图2. ssNRM表明胼胝质靠近水且增加了木质素与纤维素间的距离

胼胝质沉积后次生细胞壁中流动水总体较富集，为了进一步分析水的运动状态，作者通过动态蒸汽吸附（dynamic vapour sorption, DSV）实验进行研究，结果非常明确的表明胼胝质可以改善木质纤维素生物质的吸水性和孔介性（图3）。进一步通过差示扫描量热法(differential scanning calorimetry, DSC)对胼胝质沉积后木材空隙度进行分析下，结果显示木质生物质中胼胝质沉积能够有效改变中孔隙（图3）。

图3. 胼胝质在细胞壁中的沉积引起细胞壁吸水性和孔隙率增加

随后作者进一步研究发现次生细胞壁中胼胝质沉积能够降低木质纤维素的结晶度。有趣的是，尽管胼胝质沉积导致细胞壁的结果和成分发生变化，但对其拉伸刚度和强度没有太大影响。对转基因杨树酶糖化效率进行分析发现，糖化产量的提高与细胞壁中胼胝质的沉积量呈正相关（图4）。最后作者评估了胼胝质沉积途径对于特异木质纤维素生物质转化链的适用性，结果表明次生细胞壁中胼胝质的沉积能够导致糖化率和生物乙醇产量大幅增加。

图4. 胼胝质富集的生物质显示糖化产量的提高与胼胝质沉积量呈正相关

总而言之，该研究通过基因工程手段并结合多尺度的研究方法揭示了胼胝质沉积对次生细胞壁的孔隙率、结晶度、水合能力和木质素含量具有重要的影响。次生细胞壁中胼胝质沉积能够改变木质纤维素的纳米结构，使生物质顽固性大幅度降低，大幅增加了生物质精炼工业效率和转化链。

转自：“iPlants”微信公众号

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