木材生长模型助力生物质能源、造纸及其他新型应用取得重要进展

时间:2018-04-28 来源:实管办 作者:实管办



       木质素是木材的主要成分。在杨树的木材形成过程中,至少有21个酶参与木质素合成,这些酶在37个反应通路中生成24种代谢物,这一系列过程如网格状,错综复杂地影响着木材的特性。如果能够利用系统生物学模型,预测木材形成过程中激活或关闭21种通路基因的任意一种或几种带来的影响,便可以使科学家们更加系统地获知木材形成过程与木材材性的对应关系,这将会在木材、生物燃料、制浆造纸及绿色化学应用等方面,加快满足人们特殊需求的林木新品种的培育。

       林木遗传育种国家重点实验室以姜立泉教授历经数年的研究成果为基础,最终建成了木质素合成过程的新型系统生物学模型。该成果以“采用多组学整合方法在木质素生物合成过程中提升木材应用性能”为题发表在《自然》子刊《自然通讯》期刊中 (Improving wood properties for wood utilization through multi-omics integration in lignin biosynthesis, Nature Communications, 2018, 9:1579. doi:10.1038/s41467-018-03863-z)。

       “这是我们第一次,能够预测改造木质素生物合成过程中多种基因之后的结果。”期刊论文的第一作者王鹏宇教授说到,“我们不必再一次改造一个基因,然后反复试验,这样的过程既枯燥又耗时。”木质素在植物细胞壁中合成,是树木生长不可或缺的成分,直接影响了木材的强度和密度。在生物燃料、造纸和纸浆生产过程中,必须通过高温和刺激性化学物处理的方式才能将木质素去除,而这种处理方式较为昂贵。“现在通过这样一种模型,我们想要哪种类型的木材,就可以知道要改造哪些基因,这非常高效,尤其是对于我们需要尝试的21种通路基因,各种可能的组合数量非常庞大。”王鹏宇教授谈到,“我们只有通过综合分析,才能够从系统层面看到这一过程,才能够了解到基因、蛋白质和其他成分是如何共同调控木质素合成的。”

       该模型以毛果杨(Populus trichocarpa)为模式树种,世界各地的三十余名分子遗传学家、工程师、化学家及数学家,包括林木遗传育种国家重点实验室的8位成员,历经种植成千上万棵转基因树的艰苦过程,最终得以建成。该模型研究突出了系统层面植物研究的功用所在,研究人员希望能对其他物种中相关生物通路的同类工作有所启发。“生物路径如此复杂,仅对一两个基因进行小规模的独立分析已然不足为用。”王鹏宇教授谈到,“我们应该利用系统生物学方法,在系统层面着眼于整个通路范围内或组织范围内的分析,以此了解单个基因、蛋白质和其他成分是如何共同调节某种特性或某个表型的。”

       该模型可追踪木材的25项主要材性,而对于木材而言,密度和强度就是最主要的材性。生物燃料生产商主要关注多糖水平较高的相关基因,目的是使木材更易转化为生物柴油或喷气燃料。纸浆生产商和造纸商则寻求木质素含量较低或更易于水解的木材。木质素含量高的木材是产出具有特殊附加值的酚类化合物的新型资源。姜立泉教授和王鹏宇教授十分关注综合性分析,旨在培育出为生产纳米纤维素纤维而量身改造的树木,而这种纤维可以代替诸如塑料这类的以石油为原料生产的材料。

       这一项具有里程碑意义的木质素研究成果,可以说是研究一种植物物种的一种通路中,绘制出的最为综合全面的模型。该模型将成为未来研究工作的基础,可以继续扩展,来吸收新的生物组分及生物进程。

       “现在我们拥有了期待已久的基础模型,新的较高层次的转录因子(调控蛋白)、调控RNA、表观遗传因子及其他对于生长和适应性较为重要的因子,可以加入到模型当中,能够不断提升实验的可预见性,进而推广此模型的应用。”姜立泉教授说,“所以我们下一步的工作就是大量扩繁各品种的树,进行田间试验,从而掌握这些重要的调控因子,并生产出充足的木材来鉴别它们的应用特性。”
 
       本研究获得国家自然基金重点项目的支持。