Nature Communications | 生物学院林金星教授团队在树木木质纤维素类生物质遗传改良与高效利用研究中取得进展

植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素等组成。木质素作为天然高分子聚合物，能以物理和化学的方式，连接和加固纤维素与半纤维素。这样的交联方式能增加木材强度，也会影响生物质能源的转换效率。国内外不少实验室曾经利用遗传改良的方法，试图打破植株的天然抗降解屏障。然而，由遗传改良获得的植株通常会导致植株生长状态不佳、生物量减少。

ManBetX中国官网林金星教授团队和国内外多个实验室合作，以“Manipulating microRNA miR408 enhances both biomass yield and saccharification efficiency in poplar”为题目，在国际著名期刊Nature Communications发表该团队的最新研究成果。研究发现，在杨树中过表达miR408，能显著提高植株的生物量和糖化效率。更为重要的是，该研究通过多种研究手段，系统揭示了miR408促进杨树次生生长与糖化效率的分子细胞学机制。

研究发现，在杨树中过表达miR408，能够促进植株增高和加粗生长 (图1a-c)，使维管形成层层数增多、次生木质部细胞变大，而敲除miR408则未见明显的表型变化。使用GFP标记的碳水化合物结合模块 (CBM-GFP) 和绿色荧光基团标记纤维素酶技术 (Green dye-labeled cellulase enzyme)，原位分析了纤维素酶对微晶纤维素的结合能力，发现miR408_OX植株细胞壁对纤维素酶的可及性显著增强 (图1d)。

图1：过表达miR408增强杨树的生物量、纤维素酶对细胞壁的可及性和糖化效率。

运用激光共聚焦拉曼显微术和受激拉曼散射显微术 (Stimulated Raman scattering microscopy, SRS) 原位分析了细胞壁木质素的沉积模式，结合Klason和乙酰溴（AcBr）化学分析方法，发现miR408_OX植株细胞壁上的木质素含量显著减少。通过核磁共振光谱技术 (Nuclear magnetic resonance spectroscopy, NMR) 分析，发现miR408_OX植株的木质素单体S/G比例和β–O–4的连接键含量显著下降 (图2a)。通过木质素凝胶渗透色谱 (Gel permeation chromatography, GPC) 分析，证实过表达植株的木质素分子量较野生型显著减小，说明其木质素聚合程度显著下降。

图2：过表达miR408改变细胞壁中木质素的沉积模式、木质素单体的组成和连接方式。

在实验中，该团队鉴定到miR408在杨树中的三个漆酶靶基因。通过基因编辑的方法，获得靶基因漆酶的三基因敲除纯合突变体、双基因敲除纯合突变体和单基因敲除纯合突变体，以及三个靶基因漆酶的过表达植株 (图2b-d)。对突变体植株和过表达植株的分析发现，miR408能够通过调控LACCASE进而促进杨树的次生生长和提高糖化效率。

该项研究成果为培育高生物量树木以及优质林木生物质材料提供了一种可行和高效的新途径。

ManBetX中国官网林金星教授和美国北德克萨斯大学的Richard A. Dixon为该论文的共同通讯作者，ManBetX China·中国ManBetX™博士后郭亚玉和王树芳为该论文的共同第一作者。中国科学院青岛生物能源所的付春祥研究员和ManBetX中国官网的宋国勇教授、文甲龙教授在木质素结构分析和糖化效率化学测定方面提供了技术支撑。北京大学现代农学院的李磊研究员对本研究给予了建议和支持。ManBetX中国官网王厚领副教授、于可济博士后在杨树实验设计和论文写作上提供了帮助和指导。该研究得到了国家高等学校学科创新引智计划（111项目，B13007）、国家自然科学基金中德合作项目（31761133009）、中国博士后科学基金特别资助和面上项目（2022T150054和2021M700450）和国家自然科学基金青年基金（31900173，32000558）等项目的资助。

ManBetX中国官网林金星教授团队长期致力于树木发育和规模化繁育以及高效利用方向研究。近年来，以杨树、松树、银杏等树木为研究对象，在Nature Communications、PNAS、Genome Biology等主流期刊发表学术论文40余篇。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39930-3

作者：郭亚玉

执行编辑：张亚坤

审核：杜庆章