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“木瓜甘蔗”或成真

来源:中国科学报 更新时间:2019-04-09 10:33

  近年来,Buckeridge希望能开发一种新甘蔗品种,在该品种其他位置如茎部也有这样的奇妙之旅,因为生物量和蔗糖会累积在那里。

  在番木瓜成熟期间,其细胞壁分离,让组织更加柔软,因为细胞内容物变得不那么“拒人于千里之外”,所以提取水果中的蔗糖就没有那么费劲了。

  而甘蔗根最近被发现也经历了类似的过程。它们的细胞壁在发育过程中会发生改变,在通气组织里能形成充满气体的细胞间空间。

  巴西国家生物乙醇科学技术研究所首席研究员、圣保罗大学生物科学研究所教授Marcos Buckeridge介绍:“通气组织在水稻等水淹作物中非常常见,因为它支持或能使作物漂浮在水中,同时也允许植物的淹没部分吸入氧气和呼出二氧化碳。”

  近年来,Buckeridge及其合作者致力于研究甘蔗根细胞中涉及这块领域的基因,希望能开发一种甘蔗品种,在植物其他位置如茎部也有这样的奇妙之旅,因为生物量和蔗糖会累积在那里。这些甘蔗的细胞壁会像木瓜一样柔软,叫作“木瓜甘蔗”,而且更容易降解,并大规模生产第二代生物乙醇(从生物量中获得)。

  国家生物乙醇科学技术研究所的科研人员和巴西的大学同行、国外研究者合作,现在已经取得了一些进展,揭示了甘蔗根细胞分离中涉及的首个基因序列,并阐明它们在这一过程中的作用。相关研究成果发表于《实验植物学杂志》。

  “如果我们成功地促成甘蔗茎细胞壁分离,不仅可以减少用于水解的酶数量——酶可使甘蔗渣等残余物中的碳水化合物降解并转化为可发酵的糖,从而获得第二代乙醇——而且还可以增加蔗糖萃取。”Buckeridge说。

  研究人员对甘蔗根通气组织发育初期所必需的两个基因进行测序。第一个是scRAV1,它编码控制植物叶片老化的RAV转录因子。第二个是scEPG1,它编码多聚半乳糖醛酸内切酶(EPG)。这种酶降解能使细胞保持在一起的果胶,从而有助于细胞分离以及通过通气组织形成软化的水果组织。

  由于甘蔗基因组的复杂性,每个染色体有几个副本,每个基因有许多变体,这两个基因从17个人工细菌染色体中测序得到。这些克隆载体包含与甘蔗品种“R570”同源的基因组区域。

  基因组区域分析和激活分析表明,scRAV1控制了甘蔗根通气组织形成过程中果胶的早期降解,scRAV1产生的蛋白质与scEPG1启动子结合,阻断了该基因的转录。

  “我们的研究成果为利用生物技术对甘蔗进行基因调控来促进第二代乙醇的生产铺平了道路。”Buckeridge表示,这是第一步。

  他们开发了一种scRAV1增强表达的甘蔗品种,还发现一种microRNA能够特别抑制scRAV1,并刺激植物中scEPG1的表达。

  Buckeridge介绍,“在这个品种中,我们开始看到甘蔗细胞壁的软化,这与我们想要的效果相似。例如,有些植物的茎不能保持直立。从这里起步,我们就有发展‘木瓜甘蔗’的可能。”

  相关论文信息:DOI:10.1093/jxb/ery362

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