Engineering custom morpho- and chemotypes of Populus for sustainable production of biofuels, bioproducts, and biomaterials
- 作者
- C. Robin Buell, Christopher Dardick, Wayne Parrott, Robert J. Schmitz, Patrick M. Shih, Chung-Jui Tsai, Breenana Urbanowicz
- 单位
- 佐治亚大学应用遗传技术中心，植物育种、遗传学和基因组学研究所，作物与土壤科学系，美国佐治亚州雅典; 美国农业部农业研究服务处，美国西弗吉尼亚州卡尼维尔; 佐治亚大学遗传学系，美国佐治亚州雅典; 加州大学伯克利分校植物与微生物生物学系，美国加州伯克利; 佐治亚大学植物生物学系，美国佐治亚州雅典; 佐治亚大学瓦内尔林业与自然资源学院，美国佐治亚州雅典; 佐治亚大学复杂碳水化合物研究中心，生物化学与分子生物学系，美国佐治亚州雅典
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2023）
- DOI
- 10.3389/fpls.2023.1288826
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
如何利用精准基因组工程和合成生物学方法，设计杨树（Populus）的定制形态型和化学型，使其作为可持续生产生物燃料、生物产品和生物材料的多用途原料。
研究策略
提出结合单细胞基因组学、表观基因组工程、转录效应子筛选、CRISPR编辑和代谢通路工程等技术，在多年生木本杨树中进行多基因协同改造，采用设计-构建-测试-学习（DBTL）循环，实现株型、毛状体和细胞壁组分的定制化。
核心内容
该研究提出了一个整合精准基因组工程与合成生物学策略的框架，旨在将多年生木本杨树设计为可持续生产生物燃料、生物产品和生物材料的定制化原料底盘。作者主张通过设计-构建-测试-学习循环，结合单细胞ATAC-seq和RNA-seq解析细胞类型特异性顺式调控元件，利用CRISPR编辑、表观基因组工程和转录效应子筛选实现多基因协同改造，从而定制株型、毛状体密度和细胞壁组成。关键结果包括：在杨树717中CRISPR编辑效率接近100%为双等位编辑，毛状体MYB转录因子家族可被高效编辑；毛状体缺失突变体中三萜完全缺失，表明毛状体是萜类合成的重要场所；在烟草中通过质体MEP通路导入FPS和bisabolene合成酶使bisabolene产量增加超过400%。研究还指出木聚糖占杨树细胞壁干重的25-35%，通过调控其合成基因可优化细胞壁结构以利于下游加工。该框架意味着未来可精准改造杨树的形态型和化学型，实现从传统原料向多功能、高价值生物炼制底盘的转化。
创新点
['提出在杨树中工程化定制形态型和化学型的整体框架', '利用单细胞技术解析细胞类型特异性顺式调控元件（CREs），实现时空特异性基因编辑', '将杨树非腺毛状体改造为萜类化合物生产工厂', '通过调控木聚糖合成基因优化细胞壁结构，便于下游加工']
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 杨树（Populus tremula × P. alba '717-1B4'） | 分枝调控 | BRC1/TB1 | TCP转录因子 | 调控 | 抑制腋芽生长，编辑可促进分枝，改变树冠结构 |
| 杨树（Populus） | 枝角调控 | TAC1 | IGT家族蛋白 | 调控 | 过表达增加枝角，影响株型光捕获 |
| 杨树（Populus） | 枝角调控 | LAZY1 | IGT家族蛋白 | 调控 | 过表达降低枝角，与TAC1相反 |
| 杨树（Populus） | 枝条方向调控 | WEEP | SAM结构域蛋白 | 调控 | 缺失导致下垂枝，调控重力响应 |
| 杨树（Populus） | 赤霉素信号转导 | GID1 | 赤霉素受体 | 调控 | 负调控因子DELLA介导降解，影响株高和节间长度 |
| 杨树（Populus） | 赤霉素合成 | GA20ox | 赤霉素20-氧化酶 | 催化 | 促进GA合成，可调节树体大小 |
| 杨树（Populus '717-1B4'） | 毛状体发育 | PtaMYB186/PtaMYB138/PtaMYB38 | MYB转录因子 | 调控 | 多重编辑产生无毛状体表型，拷贝数影响密度 |
| 杨树（Populus） | 毛状体发育 | MBW复合体 | R2R3-MYB/bHLH/WD40 | 调控 | 调控毛状体起始和发育 |
| 烟草（N. benthamiana） | 萜类生物合成（MVA通路） | HMGR（截短型） | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 增加甲羟戊酸通路通量，促进萜类前体供应 |
| 烟草（N. benthamiana） | 萜类生物合成（MEP通路） | FPS | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 在质体中合成FPP前体，使bisabolene产量增加400%以上 |
| 烟草（N. benthamiana） | 倍半萜生物合成 | bisabolene synthase | bisabolene合成酶 | 催化 | 催化FPP生成bisabolene，可转化为生物柴油bisabolane |
| 杨树（Populus） | 细胞壁木聚糖合成 | 木聚糖合成相关基因 | 木聚糖合成酶（如GT43等） | 催化 | 改造木聚糖结构，利于下游生物炼制或材料加工 |
| 植物细胞 | 基因表达调控 | dCas9 | 催化失活的Cas9 | 调控 | 与转录效应子融合实现靶向转录激活/抑制或表观编辑 |
关键发现
['玉米种植密度从1930年代约32,000株/公顷增至2000年代逾70,000株/公顷，得益于叶角等株型改良', 'ATAC-seq分析显示33-66%的开放染色质区域（含增强子和启动子）位于距目标基因1 kb以上', '单细胞ATAC-seq和RNA-seq分析超过70,000个玉米细胞，构建了顺式调控元件图谱', '筛选超过400个拟南芥转录效应结构域，扩展了基因表达调控的动态范围', '在杨树717中，CRISPR编辑效率接近100%为双等位编辑，且多基因家族可被高效编辑（如毛状体MYB八个编辑等位基因）', '毛状体缺失突变体（glabrous）中三萜完全缺失，β-谷甾醇在表皮蜡中显著减少但全叶中不变', '在烟草中通过质体MEP通路导入FPS和bisabolene合成酶，使bisabolene产量增加超过400%', '木聚糖占杨树细胞壁干重的25-35%，每年约10亿吨碳（以CO2计）被植物同化进入木聚糖', '通过基因编辑TAC1/LAZY1可调节枝角，过表达TAC1增大枝角，过表达LAZY1减小枝角']
研究结论
通过高分辨率细胞图谱、基因组/表观基因组工程工具，可生成具有改良株型、毛状体密度和光合捕获效率的杨树形态型底盘；在此基础上进一步工程化细胞壁组成和萜类代谢通路，可实现向‘定制化’和‘最大化’化学型杨树的转化，以支持可持续生物燃料、生物材料和生物产品的生产。