| 科學家找到去除植物木質素新方法 |
| 為製造廉價生物燃料鋪平道路 |
通過去除一種特殊基因，研究人員將植物莖中的木質素減少了36%，從而使其能夠更加容易地轉化為汽車燃料。
圖片來源：Lisa Sundin、Ruben Vanholme
本報訊 木材質地結實、產量豐富且價格便宜。但是當提到將樹木和農業廢棄物轉化為汽車能源的未來前景時，木材似乎成為了一道阻礙。如今，科學家表示，他們可能已經找到了解決這一難題的方法，從而有望戲劇性地減少未來能源的成本。
木材面臨的一大難題是其細胞壁中的一種成分——木質素，正是它賦予了植物硬度。研究人員必須首先去除木質素，進而得到植物中富含糖分的纖維素，後者通過發酵能夠變成基於乙醇的燃料。為此，研究人員一直在尋找既能夠減少植物和樹木中木質素的數量，又不會損害其生長能力的方法。
然而這並不是一件容易事。木質素與其他長鏈生物分子不同。例如，脫氧核糖核酸（DNA）與核糖核酸（RNA）都是直接複製於分子模板的。相比之下，木質素的結構卻更加「雜亂無章」。植物生成了一系列被稱為單體的分子構建模塊，這些模塊隨後被送到了細胞反應室。在這裡，這些單體以支鏈的形式連接在一起。然而精確的結構卻完全依賴於單個單體的濃度，而這些濃度則會隨著不同的物種發生細微變化。最終，分支的木質素環繞著富含糖分的纖維素構成了植物的大部分結構，它們強化了細胞壁並支撐著管狀的脈管將養料和水分傳輸至植物的莖部。
最近10年，植物生物化學家認為他們已經掌握了合成木質素的所有步驟。例如，他們相信在一個關鍵過程中，一個單酶完成了兩個不同的工作。但是當試驗無法對此提供決定性的支持後，比利時根特大學的分子遺傳學家Wout Boerjan尋思，故事可能要複雜得多。
因此Boerjan及其同事對擬南芥（一種生物學實驗室普遍使用的小型植物）表達的基因進行了篩選。當研究人員確定了何種基因在能夠合成木質素的植物中非常活躍後，他們注意到有一種基因還沒有被確認為木質素生物合成的核心，這種基因與一種被稱為咖啡醯莽草酸酯酶（CSE）的酶有關。研究人員隨後對擬南芥進行了遺傳改造，從而使其不攜帶CSE基因。正如研究人員在最新一期《科學》雜誌上報告的那樣，這種植物依然能夠生長。但是其所包含的木質素卻減少了36%，同時比它們未經處理的副本小了1/3。這些植物同時也沒有下垂或倒伏，儘管其一些傳輸養料和水分的脈管收縮了。最終，當這些小一號的植物被弄乾、切碎以及處理後，它們所產生的富含糖分的纖維素數量是未經處理的植物的4倍。此外，它們產出這些額外的纖維素並沒有經歷去除木質素所需的昂貴的高溫處理過程。
美國印第安納州普渡大學西拉法葉校區的生物化學家Clint Chapple表示：「這是一項非常有價值的研究成果。」他說，這一工作提供的希望在於，如果類似的基因去除技術在楊樹和其他生物燃料作物中起作用，那麼它將極大減少製造燃料所需的成本。反過來，這將能夠減少對產自玉米、甘蔗以及其他糧食作物的生物燃料的需求，從而減少對生成生物燃料的農業用地的需求。Boerjan說，由於去除木質素也是造紙以及生產一系列來自植物的化學製品所必需的，因此這項新技術同時還能夠減少這些過程的成本。
Boerjan還表示，木質素改良的樹木和植物也能夠像它們未經改良的同胞一樣茁壯成長。當傳送養料和水分的脈管缺少木質素時，植物往往會發育不良，甚至根本無法生長。但其他研究人員之前也發現，可以對植物進行設計，從而使其在脈管中依然保持高水平的木質素，但在植物細胞壁中卻減少木質素的存在，這樣就能夠使植物長得像它們沒有動過手術的兄弟們一樣高。通過利用遺傳手段恢復植物脈管中的木質素，Boerjan認為研究人員或許已經能夠培育出看起來像未經處理的表親一樣高大健康的植物，而這些植物同時還能夠更容易、更廉價地轉化為生物燃料、紙張以及化學製品。如果真是這樣，將給蓬勃發展的生物經濟——正在力圖用各種各樣的可再生能源取代石油衍生產品——提供更多所需的支持。（趙熙熙）
《中國科學報》 (2013-08-20 第2版 國際)
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