Science Advances |根特大学发现过表达scopoletin生物合成能促进木质纤维素的分解

木质素是仅次于纤维素的第二大生物质资源，但木质素高度聚合的结构严重阻碍了木质纤维素生物质转化为可酵解糖的酶解过程。2022年7月13日，Science Advances在线发表了比利时根特大学Wout Boerjan团队及其合作者题为“Overexpression of the scopoletin biosynthetic pathway enhances lignocellulosic biomass processing”的研究论文。通过在拟南芥木质化细胞中特异共同表达FERULOYL-CoA 6′-HYDROXYLASE 1 (F6′H1) 和COUMARIN SYNTHASE (COSY) 基因，将香豆素类化合物东莨菪内酯（scopoletin）引入到木质素聚合物中，碱预处理后该转基因植物中木质纤维素生物质的糖化率比野生型高了40%，为木质纤维素生物质转化提供了新的策略。

木质素是由苯丙烷单元通过碳-碳键和醚键连接而成的芳香聚合物，能增强植物组织的机械强度，有利于导管组织的水分运输，是抵御外界胁迫的天然屏障。在双子叶植物中，木质素主要由β-香豆醇、松柏醇和芥子醇这三种木质醇单体构成，聚合后分别形成对羟苯基木质素(p-hydroxyphenyl，H)、紫丁香基木质素(syringyl，S)和愈创木基木质素(guaiacyl，G)这三类木质素。

木质素一直是阻碍生物质降解利用的难题，植物能够利用新的结构单元形成木质素，并且木质素结构单元的改变往往不影响植物的生长发育，因此在木质素中引入新的结构单元是解决该难题的策略之一，从而提高木质素的提取和降解率，促进植物生物质的高效利用。

先前在拟南芥根系分泌物中发现了G(8-O-4)scopoletin结构，说明东莨菪内酯（scopoletin）能与经典的木质醇单体耦合，因此作者将东莨菪内酯作为新的单体引入到木质素聚合物中，以期提高生物质的利用率。东莨菪内酯是以阿魏酰辅酶A（feruloyl-CoA）为底物，经阿魏酰辅酶A羟化酶F6′H1和香豆素合酶COSY催化合成 (图1)。在细胞壁特异性启动子(CELLULOSE SYNTHASE 4，CesA4) 的驱动下共同过量表达F6′H1和COSY，获得拟南芥转基因阳性株系SCOP-1和SCOP-2。

作者首先分析了F6′H1和COSY共表达对转基因植物中酚类代谢途径的影响。与野生型相比，转基因拟南芥茎中的东莨菪内酯和其糖苷化产物东莨菪苷含量分别提高了26和67倍，东莨菪苷成为转基因植物中含量最高的酚类化合物，其他20个上调的化合物中有15个含有东莨菪亭基。26个显著下调的化合物都是来源于松柏醇和芥子醇(图2)。上述研究表明代谢流更多的走向了东莨菪内酯的合成而非木质素单体，因为两种途径都用到了中间化合物阿魏酰辅酶A。

接着作者观察了SCOP株系茎的显微结构。SCOP中导管细胞（vessel cells）结构没有异常，但由于含有可溶性东莨菪内酯导致SCOP的木质部导管（xylem vessels）和束间纤维（interfascicular fibers）细胞呈黄色。间苯三酚染色也发现束间纤维的颜色由典型的红色变为红黄混杂，表明木质素的组分发生了变化。荧光显微镜下SCOP的荧光更强烈，并且只能在木质化细胞中观察到荧光(图3)，这可能是由于SCOP中木质素含量显著增加，但更可能是由于SCOP的次生细胞壁中存在东莨菪内酯及其衍生物。进一步分析发现，与野生型相比，SCOP-1中木质素含量反而降低了9.9%，SCOP-2中没有明显变化；相反，SCOP-1和SCOP-2的木质素中分别含有3.2%和2.7%的东莨菪内酯，证实了上述荧光增强是由于引入东莨菪内酯单元造成的。SCOP中经典的G型木质素含量略有降低，S和H型含量提高，东莨菪内酯以4位O与木质素单元聚合。

在木质素中引入东莨菪内酯单元是否会增强生物质的利用效率呢？作者分析了碱预处理后转基因和野生型拟南芥茎中纤维素转化为葡萄糖的酶解效率。与野生型相比，转基因株系在每个检测点都水解出更多的葡萄糖，最终SCOP-1和SCOP-2的糖转化率分别增加了40%和39%，并且这种酶解差异肉眼可见，明显可以看出转基因植物茎的完整度更低（图4）。这与作者一开始的预测：碱能水解东莨菪内酯形成的β-芳香醚键相符合，从而提高生物质转化率，但不能排除H\G\S型木质素单元含量改变对生物质水解的影响。

综上所述，在木质化组织中共表达F6′H1和COSY能够产生东莨菪内酯，从而改变代谢流从经典的木质醇合成转向香豆素类合成。东莨菪内酯通过4-O醚键被成功的导入木质素中，从而改善了生物质的糖化效率。推测在植物木质化组织中合成的任何芳香化合物，只要含有酚基并能穿过脂双层，都能做为木质素基因工程改造的新的结构单元。本研究为通过基因工程手段改造生物质作物以提高其糖化率奠定了理论基础。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo5738

转自：植物科学最前沿

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