杨树木质部表达的葡糖醛酸酯酶通过调控木质素与葡糖醛酸木聚糖的γ-酯键降低生物质抗降解性并促进生长

本研究揭示了真菌来源的葡糖醛酸酯酶（GCE）在杨树次生壁形成过程中的关键作用。通过在木质部特异性表达Phanerochaete carnosa GCE（PcGCE），显著降低了木质素-碳水化合物复合物（LCC）中γ-酯键（GE）的交联度，使木质素酸溶解度提升69%，木聚糖提取率增加70%，无预处理糖化效率提高20%。研究首次在活体植物中证实了GE键的天然存在及其对抗降解性的贡献，并意外发现该修饰能通过调控SMR2/RPOTmp基因表达促进树木生长，为木质纤维素生物精炼和速生林木培育提供了新策略。

　　

1 引言

木质生物质作为可再生资源面临利用瓶颈，木质素-碳水化合物复合物（LCC）形成的分子交联是导致生物质抗降解性（recalcitrance）的主因。其中γ-酯键（GE）连接木质素γ-OH与木聚糖4-O-甲基葡糖醛酸（MeGlcA），占LCC总量的三分之一，但缺乏直接证据。本研究通过在杂交杨（Populus tremula × tremuloides）木质部特异性表达白腐真菌Phanerochaete carnosa的葡糖醛酸酯酶（PcGCE），首次在活体植物中验证GE键的生物学功能。

2 结果

2.1 转基因构建与表达

采用木材特异性启动子（WP）驱动PcGCE在次生壁形成期表达，RT-qPCR显示转基因株系8/9/14的木质部特异性表达，酶活性分析证实细胞壁定位的活性蛋白存在。

2.2 木材化学特性改变

转基因木材呈现三大特征：

1. 1.

   木质素溶解度提升：酸溶性木质素增加20%，Klason木质素减少33%，总木质素中酸溶比例提升69%

2. 2.

   基质糖组成变化：葡萄糖（Glc）增加14%，葡糖醛酸（GlcA）和MeGlcA减少

3. 3.

   近红外光谱显示转基因材张力木比例增加，纤维素微纤丝角减小

2.3 LCC结构解析

HSQC 2D-NMR显示：

• •

  γ-酯键区域信号强度降低

• •

  二氧六环提取的LCC中木聚糖相关峰（Xyl2,3/Xyl2/Xyl3）减少

• •

  木质素S/G比例下降，S单元减少

2.4 生物质转化效率提升

• •

  亚临界水提取：木聚糖提取率增加70%

• •

  无预处理糖化：葡萄糖产率提升20%，木糖产率增加16%

• •

  DFRC分析显示木质素分解敏感性增强

2.5 生长表型与机制

温室栽培显示：

• •

  株高、茎粗、根系生物量均显著增加

• •

  显微观察发现形成层细胞分裂加速

  转录组分析揭示：

• •

  细胞周期抑制因子SMR2下调

• •

  细胞器RNA聚合酶RPOTmp上调

• •

  激素检测显示木质部生长素（IAA）积累

3 讨论

本研究通过"分子手术刀"策略，证明GE键是调控木质纤维素抗降解性的关键开关。PcGCE表达引发的级联效应包括：

1. 1.

   物理效应：直接水解GE键降低交联密度

2. 2.

   化学效应：改变木质素S单元沉积模式

3. 3.

   生物效应：激活细胞壁完整性信号通路

值得注意的是，次生壁特异性表达避免了组成型表达引发的防御反应，同时通过SMR2/RPOTmp调控网络意外促进生长，该发现为"抗降解性-生长"悖论提供了新解。

4 应用前景

本研究发展的技术策略具有双重价值：

1. 1.

   工业应用：降低生物精炼中预处理能耗，实现木质素/半纤维素高值化利用

2. 2.

   农业应用：为速生林品种设计提供新靶点，通过细胞壁修饰同步提升生物量和加工性能

研究建立的"酶-结构-性能-生长"多维调控模型，为植物细胞壁合成生物学研究提供了范式。