植物一碳单位代谢对木质素单体甲基化修饰的调控机制研究

A particular challenge to the progress of feasibly producing next generation biofuels is that the presence of lignin in cell walls negatively impacts the bioconversion of lignocellulosic biomass. Genetic manipulation of lignin is a valuable strategy to increase saccharification efficiency of cell wall polysaccharides and therefore accelerate biofuel production. During past decades, the lignin biosynthetic pathway genes and their corresponding transcriptional factors have been modified via lignin bioengineering for the transmission of desirable traits to agriculturally important crops. However, the cross-talk between lignin and other metabolic pathways has yet to be investigated. Plant one-carbon (C1) metabolism supplies methyl residues for methyltransferase-mediated reactions and has the potential to disrupt O-methylation of lignin precursors and, consequently, to alter lignin content and composition. Thus, we propose to genetically manipulate the key genes in C1 metabolism and study the effects of C1 metabolic intermediates (SAM, SAH and Hcy) on methylation of lignin precursors in switchgrass. A novel framework for understanding the regulation mechanisms controlling lignin biosynthesis through C1 metabolism will be drawn in this project. Co-transformation and retransformation of C1 and lignin genes are proposed for multi-site genetic modification of switchgrass. The synergistic interaction of the genes in different pathways will be elucidated, and their optimized combination based on the saccharification assay is expected to facilitate realistic commercial bioethanol production in the future. The systematic investigation of the cross-talk between C1 and lignin pathways will open up new avenues for cell wall bioengineering of bioenergy plants and lead to important strategies for improving other agricultural crops.

木质素的存在阻碍第二代能源植物的细胞壁生物转化过程，因此遗传改良木质素的合成能够增加细胞壁多糖的降解，促进木质纤维素类生物燃料的生产。先前的木质素基因工程主要针对该途径本身的酶基因及其相关转录调控因子进行调控，很少考虑与木质素合成相关的其他代谢途径的影响。植物一碳单位代谢途径为细胞中的甲基化反应提供甲基，因而能够改变木质素单体的甲基化程度，并进一步影响木质素的含量和成分。本项目首次采用分子调控的策略改变柳枝稷一碳代谢关键酶基因的表达，进而改变涉及甲基化反应的一碳代谢中间体SAM、SAH和Hcy的体内合成。通过研究上述代谢中间体对木质素单体甲基化的增强或抑制作用，建立全新的一碳代谢影响木质素合成的调控模型，并在此基础上对一碳代谢和木质素合成途径实施多位点调控，确定利于细胞壁降解的最佳调控组合，从而为将来能源植物或其他重要农业经济作物细胞壁的遗传改良和分子设计提供更多更新的靶位点和调控策略。

木质素的存在严重阻碍第二代能源植物的细胞壁生物转化过程，因此遗传改良木质素的合成能够增加细胞壁多糖的降解，促进木质纤维素类生物燃料的生产。先前的木质素基因工程主要针对该途径本身的酶基因及其相关转录调控因子进行调控，很少考虑与木质素合成相关的其他代谢途径的影响。植物一碳单位代谢途径为细胞中的甲基化反应提供甲基，因而能够改变木质素单体的甲基化程度，并进一步影响木质素的含量和成分。本项目首次采用分子调控的策略成功改变了生物能源与牧草饲料双用作物——柳枝稷一碳代谢关键酶基因MTHFR、CGS、SAMS和SAHH的表达，进而对涉及甲基化反应的一碳代谢中间体SAM、SAH和Hcy的体内合成产生不同的影响。进一步研究发现，上述代谢中间体尤其是SAM和SAH对木质素单体氧甲基化具有显著调控作用。其中，SAM是作为木质素氧甲基化反应的甲基供体，而SAH则是通过对氧甲基化酶竞争性抑制的方式，来调控木质素单体氧甲基化程度。上述研究使人们能够更加全面地理解植物一碳代谢与木质素合成的关系，从而促进了一碳代谢影响木质素合成分子调控模型的建立。在此基础上，本项目还详细研究了S型木质素氧甲基化过程的分子协同调控，并对一碳代谢和木质素氧甲基化合成途径实施了多位点调控，获得了高细胞壁降解效率的转基因柳枝稷植株。通过本项目的支持，已发表高水平SCI论文4篇，分别是Biotechnology for Biofuels 1篇（工程技术1区），Plant Biotechnology Journal 2篇（生物学1区），Journal of Experimental Botany 1篇（植物科学1区），并申请国家发明专利5项，上述研究成果有望为将来能源植物或其他重要农业经济作物细胞壁的遗传改良和分子设计提供了更多更新的靶位点和调控策略。