科學家提出作物秸稈高效綠色資源化利用新思路

OsMYB103L突變體和轉基因植株表型和微纖絲納米結構觀測       華中農大供圖

重組釀酒酵母高效利用木糖和葡萄糖生產乙醇的模型圖       華中農大供圖

近日，華中農業大學生物質與生物能源團隊副教授夏濤課題組，整合作物和酵母的遺傳改良，以及生物質轉化工藝的綠色優化，提出作物秸稈高效綠色資源化利用的新思路。相關研究成果發表于Biotechnology for Biofuels和Renewable Energy。

作物秸稈生物質是極具發展前景的可再生資源，經微生物轉化，可以制造大宗生物燃料和高值生物材料。然而，生物質主要來源于植物細胞壁，受細胞壁天然抗降解性和釀酒酵母木糖利用局限性的影響，目前作物秸稈的轉化利用存在成本高、效率低等問題。

纖維素是生物質的主要成分，其高度結晶化和聚合化是生物質酶解糖化的關鍵限制因素，通過遺傳改良手段，特異性改善纖維素的結構特性是解決這一問題的突破口。

夏濤課題組通過鑒定水稻脆稈突變體（Osfc9/myb103）發現，下調表達纖維素合成上游轉錄因子OsMYB103L，顯著降低纖維素的結晶指數和聚合度，改變纖維素微纖絲的納米結構。成熟稻稈經溫和預處理后，木質纖維素的酶解糖化效率顯著提高10% 至 28%。

分析發現，OsMYB103L可能通過調控纖維素合酶和微纖絲組裝相關基因，介導纖維素的生物合成和有序沉積。該研究為纖維素生物合成的轉錄調控提供了新思路，有利于能源作物的遺傳改良和秸稈的綜合利用。

傳統釀酒酵母的木糖代謝能力低，木糖的有效利用成為木質纖維生物質高效轉化的瓶頸問題。目前，已有研究在改良釀酒酵母木糖代謝途徑方面開展了大量工作，其中包括異源表達木糖還原酶XYL1（XR）和木糖醇脫氫酶XYL2（XDH）基因。但由于木糖醇分泌的積累，導致細胞內氧化還原失衡，重組釀酒酵母對木糖發酵緩慢，乙醇產量低。

夏濤團隊通過篩選合適的融合蛋白連接XDH和XR，同時優化重組菌株的XDH/XR的活性比，達到釀酒酵母高效利用木糖生產乙醇目的。在工業釀酒酵母SF7中，采用基因融合技術表達XYL1和XYL2的重組菌株SF7-Ft3，可以消耗95%木糖。在重組菌株SF7-Ft3過表達XYL2，可持續提高小麥、玉米秸稈和芒草的木糖利用，使生物乙醇產率提高11%至42%。

該研究為酵母工程高效利用木糖提供了新策略，并獲得2項國家發明ZL。

相關論文信息：https://doi.org/10.1186/s13068-021-02093-8