Plant biotechnology for lignocellulosic biofuel production

作者: Quanzi Li, Jian Song, Shaobing Peng, Jack P. Wang, Guan-Zheng Qu, Ronald R. Sederoff, Vincent L. Chiang
单位: State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding, Northeast Forestry University; State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding, Chinese Academy of Forestry; College of Life Sciences, Dezhou University; College of Forestry, Northwest A & F University; Forest Biotechnology Group, Department of Forestry and Environmental Resources, North Carolina State University
杂志: Plant Biotechnology Journal（2015）
DOI: 10.1111/pbi.12273
所属领域: 代谢工程
关键词: biofuelbiotechnologycell walllignocellulose
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解决的核心问题

木质纤维素细胞壁的顽抗性导致生物燃料转化中预处理和酶解成本过高，需要通过生物技术改造植物细胞壁以降低顽抗性。

研究策略

综述了通过调节木质素生物合成（含量、组成和结构）、半纤维素生物合成、破坏木质素-碳水化合物复合物，以及在植物中异源表达细菌/真菌细胞壁降解酶等策略，提高纤维素糖化效率和乙醇产量。

研究路线图

100%

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核心内容

这篇综述系统梳理了通过植物遗传改良降低木质纤维素顽抗性、提升生物燃料生产效率的研究进展。主要策略涵盖调控木质素生物合成（含量、组成及化学结构）、修饰半纤维素合成、破坏木质素—碳水化合物复合物，以及在植物内异源表达细菌或真菌来源的细胞壁降解酶。多个模式植物和能源作物中的关键基因操作取得了显著成效：例如拟南芥ccr突变体纤维素转化效率达88%，cse突变体糖化效率较野生型提高4倍；杨树中下调4CL可使木质素降低45%、糖化效率提升65%，田间试验中CCR下调杨树的乙醇产量提高161%；柳枝稷COMT和4CL的RNAi分别使木质素降低24%和32%，乙醇或可发酵糖产量增加38%和57.2%；苜蓿COMT转基因株系的乙醇产量达277 L/吨，较野生型提高19.7%。此外，将可化学裂解的酯键（如FMT）引入木质素骨架，或在植物内表达热稳定细胞壁降解酶，可实现自水解并提高糖化效率达2至3倍。这些证据表明，在避免产量损失的前提下，通过基因工程重塑细胞壁结构可显著降低预处理和酶解成本，为经济可行的纤维素乙醇生产提供了有效途径。

创新点

包括：引入可化学裂解的酯键（如FMT）到木质素骨干；利用热稳定CWD酶实现自水解；通过转录因子网络工程增强次生壁沉积而不影响生长；利用CSE等新靶点降低木质素。

研究对象（35）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
拟南芥	木质素生物合成	CCR	肉桂酰辅酶A还原酶	催化	ccr突变体纤维素转化效率达88%
拟南芥	木质素生物合成	CSE	咖啡酰莽草酸酯酶	催化	cse-2突变体糖化效率为75%，较野生型提高4倍
杨树（Populus tremuloides）	木质素生物合成	4CL	4-香豆酸辅酶A连接酶	催化	下调使木质素降低45%，纤维素增加15%
杨树（Populus trichocarpa）	木质素生物合成	4CL	4-香豆酸辅酶A连接酶	催化	沉默后糖化效率提高65%
杨树（Populus tremula × alba）	木质素生物合成	CCR	肉桂酰辅酶A还原酶	催化	木质素减少50%，田间乙醇产量提高161%
柳枝稷	木质素生物合成	COMT	咖啡酸O-甲基转移酶	催化	木质素降低24%，S/G比从0.71降至0.37，乙醇产量提高38%
柳枝稷	木质素生物合成	4CL	4-香豆酸辅酶A连接酶	催化	木质素降低32%，可发酵糖产量提高57.2%
短柄草	木质素生物合成	COMT	咖啡酸O-甲基转移酶	催化	乙醇产量提高17%
甘蔗	木质素生物合成	COMT	咖啡酸O-甲基转移酶	催化	糖化效率提高28-32%
苜蓿	木质素生物合成	HCT	羟基肉桂酰辅酶A:莽草酸羟基肉桂酰转移酶	催化	糖化效率达79%
苜蓿	木质素生物合成	COMT	咖啡酸O-甲基转移酶	催化	乙醇产量277 L/ton，较野生型提高19.7%
玉米	木质素生物合成	bm2	亚甲基四氢叶酸还原酶	催化	影响SAM合成，降低木质素
拟南芥	木质素生物合成调控	MED5a/MED5b	Mediator复合体亚基	调控	介导苯丙烷代谢稳态，突变可改善生长和糖化
杨树	木质素结构修饰	FMT	阿魏酰辅酶A单木质素转移酶	催化	引入酯键，糖化效率提高2倍
拟南芥	木质素聚合修饰	HCHL	羟基肉桂酰辅酶A水合酶/裂解酶	催化	降低聚合度，糖化效率提高约70%
拟南芥	木质素聚合修饰	MOMT4	单木质醇4-O-甲基转移酶	催化	木质素降低34%，糖产量提高22%
杨树	纤维素生物合成	SuSy	蔗糖合酶	催化	过表达增加纤维素合成
拟南芥	纤维素生物合成	KOR	膜结合内切-β-1,4-葡聚糖酶	催化	降低纤维素结晶度
杨树	半纤维素生物合成	PoGT47C	糖基转移酶47C	催化	下调使葡萄糖转化提高48%
拟南芥	半纤维素生物合成	GUX1/GUX2	木聚糖葡糖醛酸转移酶	催化	双突变使木聚糖完全水解
水稻	半纤维素生物合成	Arabinofuranosidase	阿拉伯呋喃糖苷酶	催化	纤维素增加28%，糖化效率提高46%
水稻	半纤维素修饰	OsAt10	对香豆酰辅酶A转移酶	催化	糖化产量提高20-40%
拟南芥	果胶降解	PG	多聚半乳糖醛酸酶	催化	过表达提高糖化效率达3倍
拟南芥	果胶修饰	PMEI	果胶甲酯酶抑制剂	调控	过表达提高糖化效率达3倍
杨树	果胶降解	pectate lyase	果胶裂解酶	催化	改善木材糖化
拟南芥	木质素-碳水化合物复合物	PcGCE	碳水化合物酯酶家族15	催化	木糖提取率提高15%
羊茅草	木质素-碳水化合物复合物	ferulic acid esterase	阿魏酸酯酶	催化	糖释放提高2倍
拟南芥	细胞壁形成调控	SND1	NAC转录因子	调控	调控次生壁合成
拟南芥	细胞壁形成调控	VND6/VND7	NAC转录因子	调控	调控导管分化
拟南芥	细胞壁形成调控	MYB46/MYB83	MYB转录因子	调控	次生壁生物合成主开关
拟南芥	细胞壁形成调控	MYB103	MYB转录因子	调控	调控F5H表达和S木质素
拟南芥	细胞壁形成调控	NST1	NAC转录因子	调控	与SND1功能冗余
玉米	细胞壁降解酶表达	AcE1	酸性热纤维素酶内切-1,4-β-葡聚糖酶	催化	表达量达18%总可溶蛋白
玉米	细胞壁降解酶表达	TrCBH1	里氏木霉纤维二糖水解酶1	催化	表达量达18%总可溶蛋白
玉米	细胞壁降解酶表达	XynB	梭菌木聚糖酶	催化	谷粒特异表达达16%总可溶蛋白

关键发现

拟南芥ccr突变体纤维素转化效率达88%
cse突变体糖化效率为75%，较野生型提高4倍
杨树4CL下调使木质素降低45%、纤维素增加15%，糖化效率提高65%
田间CCR下调杨树乙醇产量提高161%
柳枝稷COMT RNAi使木质素降低24%、S/G比从0.71降至0.37，乙醇产量提高38%
柳枝稷4CL RNAi使木质素降低32%、可发酵糖产量提高57.2%
苜蓿HCT系糖化效率达79%，COMT转基因乙醇产量达277 L/ton，较野生型提高19.7%
表达FMT的杨树糖化效率提高2倍
HCHL拟南芥糖化效率提高约70%
MOMT4拟南芥木质素降低34%、糖产量提高22%
水稻过表达阿拉伯呋喃糖苷酶使纤维素增加28%、糖化效率提高46%
OsAt10过表达使糖化产量提高20-40%
过表达PG或PMEI使糖化效率提高达3倍
PcGCE使木糖提取率提高15%
阿魏酸酯酶使糖释放提高2倍。

研究结论

通过遗传改良木质素和半纤维素合成、引入可裂解化学键、以及植物内表达细胞壁降解酶，可显著降低木质纤维素顽抗性、提高糖化效率和乙醇产量，且可避免产量损失，是降低生物燃料成本的有效途径。