Odunsu biyokütledeki lignoselüloz dünyanın en önemli yenilenebilir enerji kaynaklarından biridir. Pek çok ülke, yenilenemeyen fosil yakıtların yerine petrolün ikamesi olarak lignoselülozdan elde edilen biyoyakıtları teşvik ediyor. Bununla birlikte, lignoselülozik hammaddelerin biyoyakıt üretimi için fermente edilebilir şekere dönüştürülmesi verimsizdir ve verimliliği artırmaya yönelik çoğu strateji doğrudan lignin biyosentezini hedefler.1, 2ilişkili olumsuz büyüme etkileri ile3-5.
Kuzey Teksas Üniversitesi ve Pekin Ormancılık Üniversitesi’nden Prof. Richard A. Dixon ve Prof. Jinxing Lin’in ortak araştırmasında, hem gelişmiş biyokütle hem de azaltılmış hücre duvarı direnci elde etmek için kodlayıcı olmayan RNA’yı manipüle etme potansiyelini gösterdik. çevre dostu bir lignoselülozik biyoyakıt endüstrisinin geliştirilmesi. https://www.nature.com/articles/s41467-023-39930-3
Aşırı ifadeyi bulduk miR408 kavak bitki boyunu ve gövde çapını artırabilir ve hem laboratuvarda hem de tarlada yetiştirilen bitkiler için asit ön işlemine gerek olmaksızın şekerleşmeyi önemli ölçüde artırabilir (Şekil 1a-d). mekanizmasını araştırmak için miR408 kavakta sakarifikasyon etkinliğini artırdığından, ilk önce yeşil flüoresan protein (GFP) etiketli CBM1/3 kullandık (CtCBM3-GFP ve trCBM1-GFP) ve açıkta kalan selüloz yüzeyleri tanımlamak için yeşil boya etiketli selülaz enzimi. Sonuçlar, selülazın hücre duvarlarına erişilebilirliğinin önemli ölçüde arttığını gösterdi. miR408_OX bitkiler (Şekil 1e-i). Ayrıca doğal kurutulmuş bir yaşındaki kavak saplarının kesitlerinde, the miR408_OX bitkiler, muhtemelen su kaybından dolayı çok daha fazla çökmüş hücre gösterirken, aynı hatların taze materyalinin enine kesitlerinde hücreler çökmedi.
Şekil 1. Aşırı İfade miR408 kavakta biyokütle verimini, hücre duvarına erişilebilirliği ve sakarifikasyon etkinliğini artırır.
Değişen hücre duvarı morfolojisi ile toplu lignin seviyelerindeki değişiklikler arasındaki ilişkiyi anlamak için, konfokal Raman mikrospektroskopisi (CRM), uyarılmış Raman saçılması (SRS) ve iki boyutlu heteronükleer tek kuantum tutarlılık nükleer manyetik rezonans (2D-) gibi çeşitli teknikler kullandık. HSQC NMR) spektroskopisi ve diğer teknikler. Bu sonuçlar, miR408’in aşırı ekspresyonunun, WT ile karşılaştırıldığında lignin içeriğinde azalma ve moleküler ağırlıklarda azalma ile kavakta lignin birikimini değiştirdiğini gösterdi.
hedef(ler)ini araştırmak için miR408 hücre duvarı yapısını ve kompozisyonunu etkileyen, 5′ RACE kullandık ve bulduk miR408 hedefler LAC19，LAC25 Ve LAC32. Biz de oluşturduk lakkaz işlev mutantlarının kaybı ve aşırı ekspresyon kavakları. çok ilginçtir ki, lakkaz işlev mutantlarının kaybı, ksilemde önemli ölçüde artan büyüme ve sakarifikasyon etkinliği sergiler, buna benzer miR408 aşırı ekspresyon kavakları (Şekil 2a-d).
Lakkazların lignin monomerlerinin polimerizasyonunda, potansiyel olarak polimer başlatma aşamasında ve ardından peroksidazlarla uyum içinde işlev gördüğü düşünülmektedir.6. Azaltılmış lignin polimerizasyonu derecesinin, iyileştirilmiş lignin ekstrakte edilebilirliği ve azaltılmış biyokütle direnci ile ilişkili olduğu göz önüne alındığında7lignin dağılımındaki ve bileşimindeki değişikliklerin günümüzde gözlendiğini tahmin ediyoruz. miR408_OX bitkiler büyük ölçüde üç hedefin transkripsiyon sonrası düzenlenmesinden kaynaklanır. LAKKAZLAR.
Lignifikasyon ve büyüme, hücresel kaynaklar için rekabet eden zıt süreçlerdir. Bulgularımız, tek bir transgen ile bu iki süreçte yönsel olarak zıt değişiklikler tasarlamanın mümkün olduğunu göstermektedir. Şekil 2h’deki modelde, inatçı fenotiplerin azaldığını ve büyümenin arttığını öneriyoruz. miR408_OX biyokütle, monolignollerin bastırılmış polimerizasyonundan kaynaklanır, bu da ligninin daha az polimer-polimer çapraz bağlanmasına, artan duvar gözenekliliğine ve azalan duvar kohezifliğine yol açar, bu da birlikte sakarifikasyon sırasında biyokütleye enzim erişimini artırır. Öte yandan, hücre turgor basıncı altında büyürken daha gevşek olan mikrofibril yapısının genişlemesi daha kolay olabilir.
Şekil 2. lac19 lac25 lc32 üçlü mutant gösterileri geliştirilmiş sakarifikasyon etkinliği.
Sonuç olarak, belirli miRNA’ların hedeflenmesi yoluyla çoklu lakkazların aşağı regüle edilmesi, lignin polimerizasyonunu azaltarak biyokütle sakarifikasyonunu arttırmanın umut verici bir yolu olabilir. Alana çevrilebilir olan bu bulgular, lignoselülozik biyoenerji üretimine umut verici ve etkili bir yaklaşım sağlayarak, yüksek toplam biyokütle ile geliştirilmiş sakarifikasyon verimliliğini birleştiren gelişmiş ağaç hammaddelerinin üretimini kolaylaştırabilir.
Referanslar
- Fu Cet al. Ligninin genetik manipülasyonu inatçılığı azaltır ve dallı ağaçtan etanol üretimini geliştirir. Natl. Acad. bilim Amerika Birleşik Devletleri 1083803-3808 (2011).
- Salem MLSet al. Susturma CAFFEOYL SHIKIMATE ESTERASE kavakta odunlaşmayı etkiler ve şekerleşmeyi iyileştirir. Bitki Fizyol. 1751040-1057 (2017).
- Ruben Vet al. Caffeoyl shikimate esteraz (CSE), lignin biyosentetik yolundaki bir enzimdir. Arabidopsis. Bilim 3411103-1106 (2013).
- Bonawitz NDet al. Arabulucunun bozulması, lignin eksikliği olan bir bitkinin bodur büyümesini kurtarır Arabidopsis Doğa 509376-380 (2014).
- Ha CMet al. Ektopik savunma geni ekspresyonu, büyüme kusurları ile ilişkilidir. Medicago truncatula lignin yolu mutantları. Bitki Fizyol. 18163-84 (2019).
- Zhao Qet al. lakkaz gereklidir ve gereksiz değildir peroksidaz damar gelişimi sırasında lignin polimerizasyonu için Arabidopsis. Bitki hücresi 253976-3987 (2013).
- Ziebell Aet al. Yoncada lignifikasyon sırasında 4-kumaril alkol birimlerindeki artış (Medicago sativa) ligninin ekstrakte edilebilirliğini ve moleküler ağırlığını değiştirir. Biol. kimya 28538961-38968 (2010).