基因改善植物生長和轉(zhuǎn)化為生物燃料

由佐治亞大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組發(fā)現(xiàn)，在楊樹和柳枝稷中操縱相同的基因可以使植物生長得更好，更有效地轉(zhuǎn)化為生物燃料。由于植物細胞壁的組成，植物材料不能有效地分解或解構(gòu)為轉(zhuǎn)化為生物燃料的堿性糖。

在今天發(fā)表在Nature Biotechnology上的一篇論文中，研究人員報告說，降低一種名為GAUT4的特定基因的活性導(dǎo)致果膠含量降低，果膠是植物細胞壁的一個組成部分，負(fù)責(zé)解構(gòu)抗性。

“生產(chǎn)生物燃料的成本很高，”主要作者Debra Mohnen說，他是UGA復(fù)雜碳水化合物研究中心的成員，也是富蘭克林藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的生物化學(xué)和分子生物學(xué)教授。“破壞開放的植物生物質(zhì)需要大量的能量，預(yù)處理過程涉及化學(xué)品，高溫和酶，將復(fù)雜的聚合物分解成更小的糖，可以轉(zhuǎn)化為燃料。即使相對適度的解構(gòu)效率提高也很重要在工業(yè)規(guī)模上。“

Mohnen和六個機構(gòu)的一組研究人員發(fā)現(xiàn)，降低楊樹和柳枝稷中GAUT4的表達導(dǎo)致果膠含量減少70%，并使糖釋放增加15%。出乎意料的是，這也導(dǎo)致了兩種植物物種的增長，這是一個額外的好處。

“我們將田間生長的柳枝稷的生物量產(chǎn)量增加了六倍，并且每株植物的乙醇產(chǎn)量增加了七倍，”Mohnen說。“我們還觀察到楊樹的生長和糖分釋放增加。”

植物產(chǎn)量和糖釋放的增加 - 在柳枝稷的溫室和田間試驗中得到證實，這對于創(chuàng)造生物燃料來說是很好的，生物燃料是化石燃料的重要替代品。柳枝稷和楊樹以前被美國能源部確定為兩種生物燃料原料，可以在不能有利地支持糧食作物的土地上種植。

該小組還研究結(jié)果背后的機制，產(chǎn)生的第一個證據(jù)是，在GAUT4減少具體減少兩人在三種類型的果膠的植物。根據(jù)該論文的第一作者，CCRC的助理研究科學(xué)家Ajaya Biswal，果膠對生物燃料生產(chǎn)的影響在很大程度上被忽略了。在十多年前開始的研究中，Biswal發(fā)現(xiàn)GAUT4在楊樹中表達，然后在楊樹和柳枝稷中靶向該基因。

“我們往往忘記了解像柳枝稷等植物的力學(xué)和墻體結(jié)構(gòu)是一個漫長的旅程，”他說。“自然母親用了數(shù)百萬年的時間來建造它，并且在10年內(nèi)完全探索它是不可能的 - 我們還有很多東西可以學(xué)習(xí)。”

在這項研究中，UGA研究人員與DOE-生物能源科學(xué)中心，橡樹嶺國家實驗室，田納西大學(xué)，ArborGen和國家可再生能源實驗室的科學(xué)家們一起參加了研究。

該研究始于生物能源科學(xué)中心的支持，該中心是美國能源部資助的三個研究中心之一，該中心尋求新的方法來克服破壞植物細胞壁以制造生物燃料的難度。這項工作繼續(xù)通過能源部資助的生物能源創(chuàng)新中心，該中心于去年成立，旨在直接從非食品生物質(zhì)生產(chǎn)燃料和其他產(chǎn)品。CBI由橡樹嶺國家實驗室領(lǐng)導(dǎo);UGA團隊是15個合作伙伴之一，由Mohnen領(lǐng)導(dǎo)，Mohnen也是UGA工廠中心的成員。該大學(xué)第一年獲得了190萬美元的資金，預(yù)計將有五年的資金。

“這些發(fā)現(xiàn)促成了我們對細胞壁如何形成的基本理解，”CBI首席執(zhí)行官兼董事杰里·圖斯坎說。“憑借這些見解，我們現(xiàn)在可以合理地將植物生物質(zhì)解構(gòu)為生物燃料和其他生物基產(chǎn)品的前體。”

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