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植物一种关键酶参与制造氨基酸的基因同时调控参与制造木质素的基因的功能研究

DATE:2018-06-21    来源:齐一生物科技(上海)有限公司    点击数:

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几十年来,生物学家一直认为植物中一种关键酶有一个功能——产生对植物生存和人类饮食而言都必不可少的氨基酸。

但事实证明这种酶还有更大的作用。研究人员对杨树进行了一系列的实验,这些实验一致地揭示出这种维持生命的酶会发生此前不为人知的结构上的突变。相关研究成果发表在《植物细胞》上。

该发现可能会改变植物基因功能研究的进程,如果投入应用,可能会“挤压”出白杨树更多的潜力,使其成为生产生物燃料和生物制品的可再生资源。

“起初,我们认为这是一个错误,因为这种酶不需要结合DNA来发挥它已知的功能。”美国能源部橡树岭国家实验室生物学家Wellington Muchero说,他们不断重复进行试验并在数据中发现,参与制造氨基酸的基因同时调控参与制造木质素的基因的功能。

“这种调控发生在植物整体生物系统的更高层级。”他补充道。

他们发现,发生某些突变的杨树产生的木质素含量出乎意料的低,在不同的环境和树龄中均如此。

木质素填满植物细胞壁中的空间以提供坚固性。较少的木质素使植物更容易在变为生物燃料的工业过程中被分解。

作为橡树岭国家实验室生物能源创新中心(CBI)工作的一部分,Muchero和他的团队研究杨树基因,来开发培育木质素含量低的改良品种的方法。

基于其已知功能,利用这种制造氨基酸的酶来减少木质素产生的唯一策略是减缓其生物活性。“这种做法是有破坏性的。” Muchero说。

在继续研究的过程中,科学家们注意到,制造氨基酸的酶偏离了预期的路线——通过植物的细胞寻找叶绿体,叶绿体中的叶绿素从阳光中吸收能量,使植物呈现绿色,并通过光合作用获取二氧化碳。

相反,他们的研究揭示了一些意想不到的状况:这种酶的额外部分允许酶进入植物细胞的“大脑中心”——细胞核,成为结合DNA的基因表达调控因子。

发现这种直接的联系为调整杨树中木质素的生产方式提供了新的机会。

“这种酶的独特行为与植物界的传统看法形成了鲜明的对比。”Muchero说,“虽然我们不知道这种新功能是如何在杨树中产生的,但我们现在知道这种酶在其他植物物种中也表现出同样的行为。”

这些新发现将有助于支持橡树岭国家实验室的产业合作伙伴GreenWood Resources和FGI,两家企业已经获得批准单独应用杨树基因技术,但双方都有一个共同目标,那就是培育含有改良木质素的植物。

“这一发现使生物能源创新中心能够合理地设计出木质素增加或木质素减少的植物。”橡树岭国家实验室生物能源创新中心主任Jerry Tuskan说。

“改良植物木质素会限制木质素含量,并取代石油作为塑料的前体物质。”他说,“有一天,饮料瓶或塑料玩具可能来自杨树。”


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