最近的一項研究使科學家們在確定植物如何調節其細胞壁厚度和強度方面更進一步，這項進展可能使生物燃料生產更有效率。
馬薩諸塞大學阿默斯特分校和加州大學戴維斯分校的兩個研究小組發現了基因調控網路，這些網路負責模式植物擬南芥次生細胞壁成分纖維素、半纖維素和木質素的合成。
瞭解如何控制次生細胞壁的成分是高階生物燃料研究人員非常感興趣的領域，因為這些結構構成了植物物質的大部分，而這些植物物質會被分解成生物燃料。研究人員專注於擬南芥植物根部一種稱為木質部的植物組織中的次生細胞壁。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保未來能夠繼續看到關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的報道。
加州大學戴維斯分校植物生物學系和基因組中心的助理教授、該研究的共同作者Siobhan Brady表示，在三種細胞壁成分中，木質素對生物燃料行業來說是最麻煩的，因為它限制了為生物燃料生產提取纖維素和半纖維素。
Brady說，從次生細胞壁中消除木質素是不可行的，因為這種剛性聚合物在植物的防水、穩定性和保護中起著至關重要的作用。“這是一個兩難困境。”
她說，“相反，生物燃料研究人員希望培育出纖維素、半纖維素或木質素含量不同的植物。理想情況下，木質素含量更少。”
在這項研究之前，研究人員無法彼此獨立地操控不同成分的生產，因為許多轉錄因子（與植物DNA結合並調節基因表達的蛋白質）是冗餘的。
解決植物操控的難題
研究人員沒有試圖分離與次生細胞壁生產相關的單個基因，而是著眼於根部木質部調控網路中數百個轉錄因子的功能。透過計算機建模和實驗室實驗，他們發現，在某些脅迫條件下，透過調節不同的轉錄因子，有可能增強細胞壁各個成分的生產。
Brady說：“既然我們已經證明這些酶的轉錄控制可以解耦，我們想嘗試使用我們的網路做出的預測來巧妙地控制這些化合物中每種化合物的不同比例。”
馬薩諸塞大學阿默斯特分校的植物遺傳學家、該研究的共同作者Samuel Hazen表示，研究人員發現了一個由240多個基因和蛋白質與DNA之間600多個相互作用組成的網路，而研究人員此前並不知道這些網路的存在。
這些發現發表在《自然》雜誌上。
能源部聯合生物能源部門植物系統生物學主任Jenny Mortimer說：“這項研究真正酷的地方在於，我們長期以來都知道許多不同的轉錄因子參與其中，但很難理解所有部分是如何組合在一起的。他們篩選了大量的相互作用，結果令人非常驚訝。”
她說：“這項研究表明，次生細胞壁的控制非常複雜和精細，這對於想要改變它以製造生物燃料的植物生物學家來說非常重要。這為我們提供了一種根據我們想要的方式真正調整系統的方法。”
研究人員還發現，許多轉錄因子不是作為基因的一系列開關，而是前饋環路的一部分。研究人員表示，在基因調控中，這意味著當X啟用Y時，X和Y都可以啟用Z。這種型別的調控允許對高鹽度或乾旱等環境壓力源做出多樣化的反應。
Mortimer說，這種複雜程度對生物燃料研究人員來說是有益的，因為它為他們提供了更多可供選擇的方法。
尋找雜草候選植物
俄克拉荷馬大學微生物學和植物生物學系的助理教授Laura Bartley說，這項研究僅代表了科學家們正在改變植物以最大限度地提高其生產生物燃料所需的纖維素和半纖維素能力的多條途徑之一。
她說：“一種方法是使生物質更密集，這樣在相同的土地面積上就可以種植更大的植物。第二種方法是透過使用可以在非常貧瘠的土壤上生長、不需要那麼多氮或水的植物來減少植物的影響。第三種方法是像這項研究一樣，改進木質纖維素材料，以便您可以獲得儘可能多的燃料。”
Bartley說，除了研究轉錄因子外，研究人員還研究了編碼負責構建植物生物質的酶的基因。雖然之前的研究已經確定了植物基因調控中存在前饋環路，但“這項研究極大地增加了規模”。
這並不意味著科學家們一定能夠在不久的將來利用這項研究創造出含有更易於消化的複合糖的植物。
Barley說：“需要注意的一點是，擬南芥是一種小雜草，不會被用作生物燃料。我們想知道這個系統在所有不同型別的細胞以及我們感興趣的用於生物燃料的植物中是如何工作的。”
Bartley是眾多研究人員之一，他們正在研究植物研究如何應用於高粱和柳枝稷等草類植物。
透過基因作圖，她的實驗室發現擬南芥中的許多基因也在草類植物中保守；然而，這並不能保證植物中的轉錄因子會以相同的方式工作。
還需幾年時間
在西海岸，Brady的實驗室也在研究高粱中的轉錄因子。在馬薩諸塞州，Hazen的實驗室正在研究短柄草，這是一種野生草，是擬南芥和用於生物燃料的草類植物之間的進化中間體。
即使研究人員發現瞭如何調節生物燃料原料次生細胞壁中的複合糖，下一個挑戰將是找到植物可以在不損失多少木質素的情況下仍然保持健康。木質素不足的植物可能會出現木質部組織塌陷的問題，從而抑制植物根部的水和養分輸送。
Bartley說，勞倫斯伯克利國家實驗室Dominique Loque的研究團隊已經成功測試過一種策略，即可以重新改造植物，去除植物中不那麼需要的部位的木質素，同時增加纖維素的含量。
Mortimer預測，科學家們可能需要大約10到15年的時間才能使用轉錄因子調控網路來控制次生細胞壁成分。Brady表示，至少還需要幾年時間才能確定高粱和柳枝稷等草類植物中的轉錄因子。
Hazen認為，研究人員能夠利用他們的研究成果創造出更好的生物燃料原料是“絕對現實的”。他說：“我們正在取得出色的進展。”
該研究的資金由美國能源部聯合生物能源部門提供。
經Environment & Energy Publishing, LLC.許可，轉載自Climatewire。www.eenews.net, 202-628-6500