当杨树邂逅当归

在过去的一个世纪,人类对化石燃料的开发和利用极大地推动了社会的发展。但由于面临能源需求持续增长、原油价格不断上涨以及化石燃料的使用导致的全球温室效应等重大问题,开发可再生、可持续的生物能源迫在眉睫。

在遇到能源危机和提出生物能源利用的概念以前,人类使用植物纤维素已有上万年的历史了,我们使用它制作衣物、制造纸张和饲养牲畜。现在,科学家再次将目光聚集在纤维素上——这种自然界中含量最多的多糖有望为解决能源问题贡献力量。日前,一项由威斯康星大学麦迪逊分校生物化学系教授约翰·拉尔夫(John Ralph)负责的研究,在人工改造植物,使之更易于投入生产方面有了重大突破。研究论文4月4号发表在《科学》(Science)上。

植物纤维素大多嵌入在植物组织复合体中,而这个复合体中还大量存在着给纤维素使用造成困难的酚醛聚合物——木质素(lignin)[1]。木质素是一类酚类次生代谢产物,在植物体内行使重要的生理功能,但它能影响纤维素水解酶分解纤维素,甚至是吸附聚集这些酶,使得酶解过程难以进行,极大影响生物燃料的生产。难以分解的酚醛聚合物木质素还成为了造纸生产的主要污染物,而引入反应条件剧烈且成本高昂的木质素预处理环节,必然使得整个行业的发展受到影响。同时,它的存在还会降低饲料被牲畜消化吸收的效率。

在过去的几十年中,研究工作者们一直致力于通过改造植株中的木质素组成,来降低其对工业生产和畜牧造成的影响。是否能通过改造得到自身合成易于处理或消化的木质素的植株,成为整个纤维素利用领域的关键[2]。拉尔夫和同事发现,当归等植物可以产生一种叫做阿魏酸的物质,阿魏酸盐可以在植物合成木质素过程中“混进”木质素的结构中,并在本来很稳定的高分子长链中带入一个相对容易断裂的酯键,使得原本看似“坚不可摧”的木质素有了“软肋”。

阿魏酸与木质素作用示意图

阿魏酸与木质素作用示意图。图上方的链条代表普通的木质素,下方的链条代表经过改造后植物合成的木质素。

此研究通过提取当归的总RNA,克隆得到了能够帮助植物自身在木质素合成时加入阿魏酸的相关基因FMT(编码阿魏辅酶A转移酶),并把该基因转入到杨木的基因组中。“相比于拟南芥,杨木不但易于外源基因的转化,且植株更大,能够为后续样品采集和检测提供稳定并足量的木质材料。”拉尔夫告诉果壳网。转入FMT基因的植株与正常野生株在外观上没有明显区别。但通过对木质取样并使用高效液相色谱检测,研究者发现,转入了合成及转运阿魏酸基因的杨木,合成的木质素中含有阿魏酸,这意味着人为加入的基因能够成功表达对应蛋白,并且这些蛋白可以发挥预期的功能。

FMT酶能够将阿魏酰辅酶A与木质素单体偶联,最终将阿魏酰辅酶A连入木质素长链。而随之被带入多聚物内的、易于断裂的酯链,使得木质素的裂解处理过程容易很多。研究发现,使用6.25毫摩尔的氢氧化钠,90℃处理3小时后,木质素含量就减少到满足进行后续工业生产的标准,而目前常用的处理温度是160-200℃。因此,使用改进后的杨木木料进行工业生产,可以大大减少木质素处理环节的技术难度和能源成本。

早期的研究者将阿魏酸加入木质素的愿望,在拉尔夫的研究中得到了实现。这使得进一步改造和设计易于利用纤维素和木质素的植物的设想成为了可能。接下来,“我们正计划在真实工业生产条件下,测定使用改造后植株木材进行生产的各项数据。”拉尔夫向果壳网透露。我们有理由相信,在不久的将来,绿色植物将在新能源中扮演日益重要的角色。

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