最近的一项研究使科学家们在确定植物如何调节其细胞壁厚度和强度方面更进一步，这项进展可能使生物燃料生产更有效率。
马萨诸塞大学阿默斯特分校和加州大学戴维斯分校的两个研究小组发现了基因调控网络，这些网络负责模式植物拟南芥次生细胞壁成分纤维素、半纤维素和木质素的合成。
了解如何控制次生细胞壁的成分是高级生物燃料研究人员非常感兴趣的领域，因为这些结构构成了植物物质的大部分，而这些植物物质会被分解成生物燃料。研究人员专注于拟南芥植物根部一种称为木质部的植物组织中的次生细胞壁。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保未来能够继续看到关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的报道。
加州大学戴维斯分校植物生物学系和基因组中心的助理教授、该研究的共同作者Siobhan Brady表示，在三种细胞壁成分中，木质素对生物燃料行业来说是最麻烦的，因为它限制了为生物燃料生产提取纤维素和半纤维素。
Brady说，从次生细胞壁中消除木质素是不可行的，因为这种刚性聚合物在植物的防水、稳定性和保护中起着至关重要的作用。“这是一个两难困境。”
她说，“相反，生物燃料研究人员希望培育出纤维素、半纤维素或木质素含量不同的植物。理想情况下，木质素含量更少。”
在这项研究之前，研究人员无法彼此独立地操控不同成分的生产，因为许多转录因子（与植物DNA结合并调节基因表达的蛋白质）是冗余的。
解决植物操控的难题
研究人员没有试图分离与次生细胞壁生产相关的单个基因，而是着眼于根部木质部调控网络中数百个转录因子的功能。通过计算机建模和实验室实验，他们发现，在某些胁迫条件下，通过调节不同的转录因子，有可能增强细胞壁各个成分的生产。
Brady说：“既然我们已经证明这些酶的转录控制可以解耦，我们想尝试使用我们的网络做出的预测来巧妙地控制这些化合物中每种化合物的不同比例。”
马萨诸塞大学阿默斯特分校的植物遗传学家、该研究的共同作者Samuel Hazen表示，研究人员发现了一个由240多个基因和蛋白质与DNA之间600多个相互作用组成的网络，而研究人员此前并不知道这些网络的存在。
这些发现发表在《自然》杂志上。
能源部联合生物能源部门植物系统生物学主任Jenny Mortimer说：“这项研究真正酷的地方在于，我们长期以来都知道许多不同的转录因子参与其中，但很难理解所有部分是如何组合在一起的。他们筛选了大量的相互作用，结果令人非常惊讶。”
她说：“这项研究表明，次生细胞壁的控制非常复杂和精细，这对于想要改变它以制造生物燃料的植物生物学家来说非常重要。这为我们提供了一种根据我们想要的方式真正调整系统的方法。”
研究人员还发现，许多转录因子不是作为基因的一系列开关，而是前馈环路的一部分。研究人员表示，在基因调控中，这意味着当X激活Y时，X和Y都可以激活Z。这种类型的调控允许对高盐度或干旱等环境压力源做出多样化的反应。
Mortimer说，这种复杂程度对生物燃料研究人员来说是有益的，因为它为他们提供了更多可供选择的方法。
寻找杂草候选植物
俄克拉荷马大学微生物学和植物生物学系的助理教授Laura Bartley说，这项研究仅代表了科学家们正在改变植物以最大限度地提高其生产生物燃料所需的纤维素和半纤维素能力的多条途径之一。
她说：“一种方法是使生物质更密集，这样在相同的土地面积上就可以种植更大的植物。第二种方法是通过使用可以在非常贫瘠的土壤上生长、不需要那么多氮或水的植物来减少植物的影响。第三种方法是像这项研究一样，改进木质纤维素材料，以便您可以获得尽可能多的燃料。”
Bartley说，除了研究转录因子外，研究人员还研究了编码负责构建植物生物质的酶的基因。虽然之前的研究已经确定了植物基因调控中存在前馈环路，但“这项研究极大地增加了规模”。
这并不意味着科学家们一定能够在不久的将来利用这项研究创造出含有更易于消化的复合糖的植物。
Barley说：“需要注意的一点是，拟南芥是一种小杂草，不会被用作生物燃料。我们想知道这个系统在所有不同类型的细胞以及我们感兴趣的用于生物燃料的植物中是如何工作的。”
Bartley是众多研究人员之一，他们正在研究植物研究如何应用于高粱和柳枝稷等草类植物。
通过基因作图，她的实验室发现拟南芥中的许多基因也在草类植物中保守；然而，这并不能保证植物中的转录因子会以相同的方式工作。
还需几年时间
在西海岸，Brady的实验室也在研究高粱中的转录因子。在马萨诸塞州，Hazen的实验室正在研究短柄草，这是一种野生草，是拟南芥和用于生物燃料的草类植物之间的进化中间体。
即使研究人员发现了如何调节生物燃料原料次生细胞壁中的复合糖，下一个挑战将是找到植物可以在不损失多少木质素的情况下仍然保持健康。木质素不足的植物可能会出现木质部组织塌陷的问题，从而抑制植物根部的水和养分输送。
Bartley说，劳伦斯伯克利国家实验室Dominique Loque的研究团队已经成功测试过一种策略，即可以重新改造植物，去除植物中不那么需要的部位的木质素，同时增加纤维素的含量。
Mortimer预测，科学家们可能需要大约10到15年的时间才能使用转录因子调控网络来控制次生细胞壁成分。Brady表示，至少还需要几年时间才能确定高粱和柳枝稷等草类植物中的转录因子。
Hazen认为，研究人员能够利用他们的研究成果创造出更好的生物燃料原料是“绝对现实的”。他说：“我们正在取得出色的进展。”
该研究的资金由美国能源部联合生物能源部门提供。
经Environment & Energy Publishing, LLC.许可，转载自Climatewire。www.eenews.net, 202-628-6500