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近日，浙江農(nóng)林大學(xué)桂金山教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名期刊《Plant Biotechnology Journal》在線(xiàn)發(fā)表題為“Base Editing-Mediated Targeted Evolution ofPopulusCesA8 Boosts Cellulose Production”（《堿基編輯介導(dǎo)的楊樹(shù)CesA8基因定向進(jìn)化促進(jìn)纖維素產(chǎn)量提升》）的研究論文。該研究通過(guò)引入高效脫氨酶TadA8e和廣譜識(shí)別SpRY-Cas9變體，構(gòu)建出新型腺嘌呤堿基編輯器pABE8e，系統(tǒng)靶向修飾了楊樹(shù)纖維素合酶復(fù)合體中的多個(gè)基因（CesA8、CSI1、KOR），成功實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維素合成關(guān)鍵基因CesA8的定向進(jìn)化，顯著提高了楊樹(shù)的纖維素產(chǎn)量和木纖維品質(zhì)。

纖維素作為植物細(xì)胞壁的主要成分，是地球上最豐富的可再生資源，廣泛應(yīng)用于建筑、紡織、能源及食品工業(yè)。纖維素由纖維素合酶（CesA）復(fù)合體合成。與細(xì)菌所產(chǎn)非結(jié)晶纖維素不同，植物纖維素具有高度結(jié)晶結(jié)構(gòu)，賦予木質(zhì)纖維材料優(yōu)異的機(jī)械性能。該研究重點(diǎn)關(guān)注植物CesA蛋白特有的三個(gè)結(jié)構(gòu)域——N端結(jié)構(gòu)域（NTD）、植物保守區(qū)（PCR）和類(lèi)特異區(qū)（CSR），這些區(qū)域被認(rèn)為參與調(diào)控纖維素合酶組裝與纖維素合成效率。

利用pABE8e系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)對(duì)楊樹(shù)CesA8a/b的上述三個(gè)區(qū)域進(jìn)行飽和突變，模擬自然進(jìn)化以篩選有益變異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PCR區(qū)域的CesA8a^T393ACesA8b^S393P突變會(huì)導(dǎo)致植株生長(zhǎng)受限；而CSR區(qū)域的S550G突變則能在不影響生長(zhǎng)的前提下，顯著提升莖干纖維素含量與纖維細(xì)胞壁加厚。進(jìn)化分析表明，S550位點(diǎn)可能經(jīng)歷了自然選擇，與細(xì)胞壁厚度和纖維素結(jié)晶度密切相關(guān)。該研究不僅提出了一種高效的植物體內(nèi)蛋白質(zhì)定向進(jìn)化策略，也為優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)楊樹(shù)新品種設(shè)計(jì)與培育提供了關(guān)鍵靶點(diǎn)與技術(shù)支撐。

博士研究生賈新銳、張苗和碩士研究生朱萍為論文共同第一作者，桂金山教授為通訊作者。該研究獲科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金和浙江農(nóng)林大學(xué)科研啟動(dòng)基金等項(xiàng)目資助。

（林生院 賈新銳 桂金山）