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近日，國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室林木木材品質(zhì)研究團(tuán)隊(duì)張進(jìn)教授在植物學(xué)領(lǐng)域著名期刊《Plant Physiology》在線(xiàn)發(fā)表了題為Overexpression ofREDUCED WALL ACETYLATION Cincreases xylan acetylation and biomass recalcitrance inPopulus的研究論文。該研究揭示了細(xì)胞壁木聚糖乙?；绊憲顦?shù)生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化效率的新機(jī)制。

張進(jìn)教授為該論文的第一作者和通訊作者，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室生物能源創(chuàng)新中心Wellington Muchero、Jin-Gui Chen研究員為該論文的共同通訊作者。浙江農(nóng)林大學(xué)木材品質(zhì)研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人盧孟柱教授、課題組在讀博士生王夏琴、美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Gerald A. Tuskan研究員等也參與了相關(guān)工作。國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一單位和第一通訊單位。

植物木質(zhì)纖維素生物質(zhì)（即植物的次生細(xì)胞壁），是生物能源的重要替代來(lái)源。然而，林木次生細(xì)胞壁中木聚糖的乙?；璧K了生物質(zhì)向生物燃料的轉(zhuǎn)化。之前研究表明，REDUCED WALL ACETYLATION（RWA）蛋白直接參與了植物細(xì)胞壁木聚糖的乙?；荝WA的調(diào)控機(jī)制尚不清楚。

本研究證明了楊樹(shù)（Populus trichocarpa）中過(guò)表達(dá)PtRWA-C基因會(huì)提高次生細(xì)胞壁中木聚糖的乙?；?，并導(dǎo)致木質(zhì)素含量增加和木質(zhì)素單體S/G比例升高，使得楊樹(shù)莖干生物質(zhì)向生物能源轉(zhuǎn)化過(guò)程中的糖釋放效率降低（圖1）。

圖1. PtRWA-C蛋白特征及其對(duì)楊樹(shù)細(xì)胞壁特性的影響

A.PtRWA-C蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)；B.PtRWA-C蛋白定位于高爾基體上；C.過(guò)表達(dá)PtRWA-C基因?qū)е聴顦?shù)細(xì)胞壁木聚糖乙?；缴?、木質(zhì)素含量及木質(zhì)素單體S/G比率升高、細(xì)胞壁糖釋放效率降低

此外，通過(guò)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)和基于楊樹(shù)群體的基因表達(dá)數(shù)量性狀定位（expression quantitative trait loci, eQTL）分析，發(fā)現(xiàn)PtRWA-C受到強(qiáng)烈的cis-eQTL和trans-eQTL調(diào)控，表明其不僅受到次生細(xì)胞壁層級(jí)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控，還受到AP2家族轉(zhuǎn)錄因子HARDY（HRD）的調(diào)控。具體而言，HRD通過(guò)直接結(jié)合PtRWA-C啟動(dòng)子來(lái)激活PtRWA-C的表達(dá)，該啟動(dòng)子區(qū)域也是調(diào)控PtRWA-C表達(dá)cis-eQTL的核心區(qū)域，PtRWA-C啟動(dòng)子cis-eQTL核心區(qū)域單核苷酸多態(tài)性（SNP）直接影響HRD轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合效率（圖2）。

圖2.利用eQTL分析發(fā)現(xiàn)調(diào)控PtRWA-C基因表達(dá)的新機(jī)制

A.eQTL分析發(fā)現(xiàn)PtRWA-C基因在木質(zhì)部的表達(dá)受強(qiáng)烈的cis-eQTL和trans-eQTL調(diào)控；B.cis-eQTL和trans-eQTL在不同基因型之間對(duì)PtRWA-C基因表達(dá)的影響；C.利用酵母單雜明確轉(zhuǎn)錄因子HRD對(duì)PtRWA-C的調(diào)控依賴(lài)于cis-eQTL的關(guān)鍵位點(diǎn)

綜上，研究結(jié)果揭示了PtRWA-C在木聚糖乙?；蜕镔|(zhì)能源轉(zhuǎn)化過(guò)程中的功能及其調(diào)控模塊，為利用合成生物學(xué)方法來(lái)操縱這一基因調(diào)控模塊來(lái)改變細(xì)胞壁特性，并將其應(yīng)用于可持續(xù)生物能源轉(zhuǎn)化方面提供了新的見(jiàn)解。

該研究得到了浙江省“十四五”育種專(zhuān)項(xiàng)林木協(xié)作組課題（2021C02070-1)、國(guó)家自然科學(xué)基金（32171814）和美國(guó)能源部科學(xué)辦公室等項(xiàng)目的支持。

(國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 張進(jìn))