Combining biotechnology with sustainability: feasibility of bioenergy sorghum in generating high-value bioproducts
- 作者
- Trine B. Andersen, Elliot Braun, Brianna N. I. Brown, Bjoern Hamberger, Leah Knoor, İlayda Korkmaz, Lucas Reist, Luke Sharpe, Brian Adam McKinley, James O. Suggett, Mitchell A. Ticoras, Angel Indibi, Sorghum with enhanced economic traits (SWEET) consortium
- 单位
- Molecular Plant Sciences Program, Michigan State University, East Lansing, Michigan 48824, USA; DOE Great Lakes Bioenergy Research Center, Michigan State University, East Lansing, Michigan 48824, USA; Department of Biochemistry and Molecular Biology, Michigan State University, East Lansing, Michigan 48824, USA; Plant Resilience Institute, Michigan State University, East Lansing, Michigan 48824, USA; Genetics and Genome Sciences Program, Michigan State University, East Lansing, Michigan 48824, USA
- 杂志
- Biotechnology Letters（2025）
- DOI
- 10.1007/s10529-025-03623-2
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
生物燃料生产成本高、经济可行性差，需要寻找提高其经济竞争力的策略，例如在高粱中同时生产高价值萜类产品。
研究策略
利用生物能源高粱的表皮蜡质层作为积累和提取高价值萜类的区室，通过组织特异性启动子驱动异源萜类生物合成基因表达，结合机器学习筛选顺式调控元件、瞬时表达验证和稳定转化，并开展技术经济分析与风险评估。
研究路线图
核心内容
该研究提出在生物能源高粱中联合生产高价值萜类与生物燃料的策略，以改善生物燃料的经济可行性。研究利用高粱表皮蜡质层作为萜类积累与提取的天然区室，通过机器学习筛选表皮特异性顺式调控元件，结合瞬时表达验证与稳定转化，并开展技术经济分析。结果显示，生物能源高粱干物质产量约35 Mg/ha，角质层蜡质回收量约100–200 kg/ha，萜类占角质层碳沉积约40%。通过Tau分析与表达筛选获得四个候选基因（如Sobic.003G069200等），其启动子区域富含WRKY和ERF转录因子结合位点。经济评估表明，若角鲨烯以天然三萜产量的50%积累，约12 kg/英亩，价值480美元/英亩；反式冷杉醇加工为ambroxide后价值可达22440美元/英亩，显著提升生物燃料生产的经济竞争力。该策略利用高粱耐逆性与蜡质积累特性，实现高值产物与生物燃料的联产，具有应用潜力。
创新点
提出了在生物能源高粱中联合生产高价值萜类（角鲨烯、反式冷杉醇）与生物燃料的框架；利用高粱表皮蜡质层实现产品的天然隔离与简化纯化；将机器学习应用于表皮特异性顺式调控元件的预测与验证。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Sorghum bicolor (生物能源高粱品种R.07020) | 木质纤维素生物质/生物燃料 | — | — | 能量供给 | 提供生物质原料，耐旱、根系深，用于生物燃料生产 |
| Sorghum bicolor | 角质层蜡质合成 | — | — | 区室化 | 表皮蜡质层作为高价值萜类积累和提取的区室 |
| Sorghum bicolor | 萜类生物合成 | Sobic.003G069200, Sobic.006G229300, Sobic.007G132000, Sobic.002G122000 | — | 调控 | 通过Tau分析鉴定的表皮特异性候选基因，其启动子用于驱动靶基因表达 |
| Nicotiana benthamiana (瞬时表达验证) | 二萜生物合成 | TPS2 (Plectranthus barbatus), TPS3 (Origanum majorana) | 二萜合酶 | 催化 | 共同表达合成trans-abienol，已在烟草中验证 |
| Sorghum bicolor | 萜类生物合成调控 | WRKY转录因子 | WRKY | 调控 | 结合W-box，参与植物逆境响应和萜类代谢调控 |
| Sorghum bicolor | 萜类生物合成调控 | ERF转录因子 | ERF | 调控 | 乙烯响应因子，与叶片表皮基因调控相关 |
关键发现
- 生物能源高粱干物质产量约35 Mg/ha，纤维素36-38%，半纤维素25-29%，木质素8-9%；角质层蜡质回收量约100-200 kg/ha，萜类占角质层碳沉积约40%，叶表面负载量为8.0±0.8 μg/cm²；通过Tau分析（t>0.9）和表达筛选（茎表皮≥20 TPM、叶中部>10 TPM、根<10 TPM）得到候选基因Sobic.003G069200、Sobic.006G229300、Sobic.007G132000、Sobic.002G122000；启动子区域富含WRKY（≥18个TFmatrixID）和ERF（>25个TFmatrixID，除Sobic.003G069200为5个）；首轮高粱转化费用约20000美元，后续转化约7168美元，总成本约8518美元；ISH检测单探针每张113美元，每增加一个探针加39.50美元；全球香精香料产业2019年1.4万亿美元、2024年预计1.8万亿美元（CAGR
- 0%）；角鲨烯市场1.45亿美元（CAGR
- 5%），ambroxide市场5900万美元（CAGR
- 7%）；若角鲨烯以天然三萜产量的50%积累（0.086%干重），约12 kg/英亩，价值480美元/英亩；反式冷杉醇经加工为ambroxide后价值约22440美元/英亩；生物燃料可持续生产情景下成本可达4美元/加仑。
研究结论
共生产高价值萜类可显著改善生物燃料的经济可行性，高粱凭借其耐逆性、深根系及表皮蜡质积累特性成为理想的底盘作物，该策略具有环境和社会效益。