科学家找到去除植物木质素新方法 为制造廉价生物燃料铺平道路

中国科学报,2013-8-20

通过去除一种特殊基因，研究人员将植物茎中的木质素减少了36%，从而使其能够更加容易地转化为汽车燃料。

本报讯 木材质地结实、产量丰富且价格便宜。但是当提到将树木和农业废弃物转化为汽车能源的未来前景时，木材似乎成为了一道阻碍。如今，科学家表示，他们可能已经找到了解决这一难题的方法，从而有望戏剧性地减少未来能源的成本。

木材面临的一大难题是其细胞壁中的一种成分——木质素，正是它赋予了植物硬度。研究人员必须首先去除木质素，进而得到植物中富含糖分的纤维素，后者通过发酵能够变成基于乙醇的燃料。为此，研究人员一直在寻找既能够减少植物和树木中木质素的数量，又不会损害其生长能力的方法。

然而这并不是一件容易事。木质素与其他长链生物分子不同。例如，脱氧核糖核酸（DNA）与核糖核酸（RNA）都是直接复制于分子模板的。相比之下，木质素的结构却更加“杂乱无章”。植物生成了一系列被称为单体的分子构建模块，这些模块随后被送到了细胞反应室。在这里，这些单体以支链的形式连接在一起。然而精确的结构却完全依赖于单个单体的浓度，而这些浓度则会随着不同的物种发生细微变化。最终，分支的木质素环绕着富含糖分的纤维素构成了植物的大部分结构，它们强化了细胞壁并支撑着管状的脉管将养料和水分传输至植物的茎部。

最近10年，植物生物化学家认为他们已经掌握了合成木质素的所有步骤。例如，他们相信在一个关键过程中，一个单酶完成了两个不同的工作。但是当试验无法对此提供决定性的支持后，比利时根特大学的分子遗传学家Wout Boerjan寻思，故事可能要复杂得多。

因此Boerjan及其同事对拟南芥（一种生物学实验室普遍使用的小型植物）表达的基因进行了筛选。当研究人员确定了何种基因在能够合成木质素的植物中非常活跃后，他们注意到有一种基因还没有被确认为木质素生物合成的核心，这种基因与一种被称为咖啡酰莽草酸酯酶（CSE）的酶有关。研究人员随后对拟南芥进行了遗传改造，从而使其不携带CSE基因。正如研究人员在最新一期《科学》杂志上报告的那样，这种植物依然能够生长。但是其所包含的木质素却减少了36%，同时比它们未经处理的副本小了1/3。这些植物同时也没有下垂或倒伏，尽管其一些传输养料和水分的脉管收缩了。最终，当这些小一号的植物被弄干、切碎以及处理后，它们所产生的富含糖分的纤维素数量是未经处理的植物的4倍。此外，它们产出这些额外的纤维素并没有经历去除木质素所需的昂贵的高温处理过程。

美国印第安纳州普渡大学西拉法叶校区的生物化学家Clint Chapple表示：“这是一项非常有价值的研究成果。”他说，这一工作提供的希望在于，如果类似的基因去除技术在杨树和其他生物燃料作物中起作用，那么它将极大减少制造燃料所需的成本。反过来，这将能够减少对产自玉米、甘蔗以及其他粮食作物的生物燃料的需求，从而减少对生成生物燃料的农业用地的需求。Boerjan说，由于去除木质素也是造纸以及生产一系列来自植物的化学制品所必需的，因此这项新技术同时还能够减少这些过程的成本。

Boerjan还表示，木质素改良的树木和植物也能够像它们未经改良的同胞一样茁壮成长。当传送养料和水分的脉管缺少木质素时，植物往往会发育不良，甚至根本无法生长。但其他研究人员之前也发现，可以对植物进行设计，从而使其在脉管中依然保持高水平的木质素，但在植物细胞壁中却减少木质素的存在，这样就能够使植物长得像它们没有动过手术的兄弟们一样高。通过利用遗传手段恢复植物脉管中的木质素，Boerjan认为研究人员或许已经能够培育出看起来像未经处理的表亲一样高大健康的植物，而这些植物同时还能够更容易、更廉价地转化为生物燃料、纸张以及化学制品。如果真是这样，将给蓬勃发展的生物经济——正在力图用各种各样的可再生能源取代石油衍生产品——提供更多所需的支持。（赵熙熙）

论文链接：Caffeoyl Shikimate Esterase (CSE) Is an Enzyme in the Lignin Biosynthetic Pathway