Overexpression of a gibberellin 20- oxidase gene in the xylem of poplar caused an increase in nanocellulose diameter and improved paper properties
- 作者
- Xiaopeng Peng, Botong Tong, Jongcheol Lee, Kun Wang, Xiaojuan Yu, Xiong Huang, Jialong Wen, Mohamadamin Makarem, Hongying Pang, Subin Hinjan, Xiaojing Yan, Shuangquan Yao, Fachuang Lu, Baichen Wang, Feng Peng, John Ralph, Seong H. Kim, Ronald R. Sederoff, Quanzi Li
- 单位
- State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China; Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China; State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China; Department of Chemical Engineering and Materials Research Institute, The Pennsylvania State University, University Park, PA 16802, USA; College of Materials Science and Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; Bangkok Cordyceps Co., Ltd, Thanyaburi, Pathumthani 12130, Thailand; Guangxi Key Laboratory of Clean Pulp & Papermaking and Pollution Control, College of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; Department of Biochemistry and DOE Great Lakes Bioenergy Research Center, Wisconsin Energy Institute, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin, WI 53726, USA; Key Laboratory of Photobiology, Photosynthesis Research Center, Institute of Botany, Chinese Academy of Science, Beijing 100093, China; Forest Biotechnology Group, Department of Forestry and Environmental Resources, North Carolina State University, Raleigh NC 27695, USA
- 杂志
- Carbohydrate Polymers（2023）
- DOI
- 10.1016/j.carbpol.2023.120959
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
探究赤霉素（GA）对木材纤维素结构性质的影响，并通过遗传工程调控GA生物合成来改变纳米纤维素特性，以改善纸张机械性能。
研究策略
在杂交杨木质部特异启动子PtrGT8D1驱动下过表达拟南芥GA20ox1基因，增加木质部GA生物合成；利用XRD、SFG、SEM、AFM等分析纤维素结晶度、晶体尺寸和纳米纤维素直径；将转基因木材制备的纳米纤维素添加到纸浆中测试纸张机械性能。
研究路线图
核心内容
该研究在杂交杨木质部特异启动子PtrGT8D1驱动下过表达拟南芥GA20ox1基因，以增强赤霉素生物合成，探究其对纤维素结构与纳米纤维素性质的影响。通过XRD、SFG、SEM和AFM分析发现，转基因杨木纤维素含量略有降低（40.33–40.93%对44.38%），结晶度下降但晶体尺寸增大，纳米纤维素直径由野生型的25–39 nm（SEM）显著增至61–120 nm。将转基因木材制备的纳米纤维素以5%比例添加到纸浆中，抗张指数从60.1 Nm/g提升至70.3–72.3 Nm/g，明显优于野生型纳米纤维素的64.3–64.5 Nm/g，耐破度和耐折度也同步改善。此外，转基因木材木质素含量及S/G比、β-O-4和β-β连接均增加。结果表明，GA通过调控纤维素沉积方式影响晶体组装，增大纳米纤维素直径并降低结晶度，所得材料作为纸张增强剂可显著提升机械强度。该工作首次揭示GA在调控纤维素晶体尺寸中的新功能，为利用基因工程木材开发高性能纳米纤维素材料提供了可行策略。
创新点
首次揭示GA通过调控纤维素沉积影响晶体尺寸和结晶度，导致纳米纤维素直径增大的新功能；利用木质部特异表达GA20ox1的转基因杨木制备更大直径的纳米纤维素，作为纸张增强剂显著改善机械性能。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| P. alba × P. glandulosa（杂交杨） | 赤霉素（GA）生物合成 | AtGA20ox1 | GA20氧化酶（gibberellin 20-oxidase） | 催化 | 在木质部特异启动子PtrGT8D1驱动下过表达，促进非13-羟化途径GA9、GA4、GA34积累。 |
关键发现
- 转基因杨木（8D1-7/-16/-17）纤维素含量为40.33-40.93%，低于野生型的44.38%
- XRD和SFG显示纤维素结晶度降低但晶体尺寸增大
- 纳米纤维素直径由野生型的25-39 nm（SEM）和20-45 nm（AFM）增加到转基因的61-120 nm（SEM）和40-70 nm（AFM）
- 在纸浆中添加5%转基因纳米纤维素后，抗张指数从60.1 Nm/g提升至70.3-72.3 Nm/g（野生型纳米纤维素为64.3-64.5 Nm/g），耐破度、耐折度也显著提高
- 转基因木材木质素含量增加（总木质素24.06-24.69% vs 21.69%），S/G比、β-O-4和β-β连接增加。
研究结论
在杨树木质部过表达AtGA20ox1可提高GA生物合成，改变纤维素组装方式，增大纳米纤维素直径并降低结晶度；这种纳米纤维素作为纸张添加剂可显著增强机械强度，为利用基因工程木材开发高性能纳米纤维素材料提供了新策略。