高级醇 · 代谢工程文献库

← 返回列表

Altered Lignin Biosynthesis Improves Cellulosic Bioethanol Production in Transgenic Maize Plants Down-Regulated for Cinnamyl Alcohol Dehydrogenase

作者
Silvia Fornalé, Montserrat Capellades, Antonio Encina, Kan Wang, Sami Irar, Catherine Lapierre, Katia Ruel, Jean-Paul Joseleau, Jordi Berenguer, Pere Puigdomènech, Joan Rigau, David Caparrós-Ruiz
单位
Laboratori de Genetica Molecular Vegetal, Centre de Recerca en AgriGenomica (CRAG), Consorci CSIC-IRTA-UAB-UB, Edifici CRAG, Campus UAB, Bellaterra (Cerdanyola del Valles), 08193 Barcelona, Spain; Área de Fisiologia Vegetal, Universidad de León, 24071, Spain; Center for Plant Transformation, Iowa State University, 6405 Agronomy Hall, Ames, IA 50011-1010, USA; Institut Jean-Pierre Bourgin, INRA-AgroParisTech, UMR 1318, 78026 Versailles cedex, France; Centre de Recherches sur les Macromolecules Végétales-UPR-CNRS-5301, 38041 Grenoble Cedex 09, France
杂志
Molecular Plant（2012）
DOI
10.1093/mp/ssr097
所属领域
代谢工程
关键词
Maizelignificationlignocellulosic biomasssecondary cell wall
阅读原文
查看 PDF 原文

解决的核心问题

通过下调玉米肉桂醇脱氢酶(CAD)基因，改善木质纤维素生物质的降解性并提高纤维素乙醇生产效率，同时不损害植物生长发育。

研究策略

利用RNAi技术靶向玉米ZmCAD2基因（及其同源基因2405118.2.1）进行表达下调，随后对转基因植株的农艺性状、CAD酶活性、木质素含量与组成、细胞壁多糖成分、体外降解性和田间生物乙醇产量进行系统分析。

研究路线图

100%
研究问题：下调玉米CAD基因是否可提升生物乙醇效率且不影响生长
策略：RNAi靶向ZmCAD2及其同源基因诱导下调
关键改造：检测根茎叶CAD残余活性及木质素S/G比变化
结果1：茎秆细胞壁多糖提高（纤维素+20%，木糖+30%）
结果2：中脉可降解性+19%，游离糖增加3倍
结果3：田间干生物量+40%，乙醇产量按面积+51%
结论：CAD是改良玉米饲用和能源价值的理想靶点
Text is not SVG - cannot display

下载 .drawio 源文件

核心内容

该研究通过RNAi技术靶向下调玉米肉桂醇脱氢酶基因ZmCAD2及其同源基因，考察了木质素修饰对生物质降解性和纤维素乙醇生产的影响。结果显示，转基因植株根、茎、叶中CAD残余活性分别约为20%、35%和68%，茎秆木质素S/G比由1.40降至1.25而总含量不变，中脉总木质素降低6.4%。茎秆细胞壁产量提高26%，纤维素和木糖分别增加20%和30%，可溶性糖释放量按干重提高25%；中脉游离糖增加3倍，细胞壁降解性提高19%。田间试验中，转基因株系干生物量提高40%，纤维素乙醇产量按单位生物量提升8%、按种植面积提升51%，且未出现褐色中脉表型，植株生长发育未受影响。该工作证明适度下调CAD可在不改变总木质素含量的前提下改善细胞壁多糖组成与可降解性，显著提升单位面积乙醇产量，为玉米饲用与能源用途的协同改良提供了可行靶点。

创新点

首次在玉米中通过RNAi适度下调CAD，在不引起褐色中脉表型的前提下，实现了细胞壁可降解性提升和生物乙醇产量增加（按单位面积提高51%），并解析了不同器官的组织特异性响应。

研究对象（2）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
玉米（Zea mays L.） 苯丙烷代谢途径/木质素生物合成 ZmCAD2 (Y13733) 肉桂醇脱氢酶 (CAD) 催化 RNAi下调表达；在根、茎、叶中残余活性分别约20%、35%、68%
玉米（Zea mays L.） 木质素生物合成 2405118.2.1 肉桂醇脱氢酶 (CAD) 催化 与ZmCAD2同源的CAD基因，被同一RNAi构建靶向沉默

关键发现

  1. CAD-RNAi玉米根、茎、叶中CAD残余活性分别约为20%、35%、68%
  2. 茎秆木质素S/G比由1.40降至1.25，总木质素含量不变
  3. 中脉总木质素降低6.4%
  4. 茎秆细胞壁产量提高26%，纤维素提高20%，木糖提高30%，可溶性糖释放量（按干重）提高25%
  5. 中脉游离糖增加3倍、淀粉降低50%
  6. 中脉细胞壁降解性（按细胞壁）提高19%
  7. 田间试验中转基因株系干生物量提高40%，纤维素乙醇产量按单位生物量提高8%、按种植面积提高51%。

研究结论

适度下调玉米CAD可增加细胞壁多糖含量和可降解性，显著提高纤维素乙醇产量，且不影响植株生长，因此CAD是同时改良玉米饲用和能源价值的理想靶点。