陜西
植物次生生長積累的細胞壁是重要的木質纖維資源，包括纖維素、半纖維素和木質素。其中纖維素經過酶解糖化處理能夠產生可發酵的單糖，單糖經過發酵可以產生生物乙醇。然而，由于次生細胞壁上木質素連接和加固纖維素和半纖維素，形成“細胞壁抗降解屏障”，阻礙了纖維素向生物乙醇的轉化，導致次生細胞壁轉化為生物乙醇過程中木質素脫除的預處理成本高、糖化效率低。因此，培育無需預處理脫除木質素、且次生生長增強的林木生物質，對國家生物能源發展的戰略需求具有重要意義。
microRNA（miRNA）是一類長約22個核苷酸的非編碼小RNA分子，它通過在轉錄后水平與靶信使RNA（mRNA）的互補序列結合，引導沉默復合體降解靶mRNA或抑制其翻譯，從而精細調控基因表達。這種調控機制在細胞分化、發育以及多種疾病的發生發展中扮演著關鍵角色。2024年諾貝爾生理學或醫學獎，授予了microRNA研究，表彰兩位科學家“發現microRNA及其在轉錄后基因調控中的作用”。
近日，北京林業大學林金星教授團隊在國際著名期刊Trends in Plant Science
發表了題為Manipulating microRNAs to enhance biomass yield and biofuel production的重要綜述（Review）論文，系統提出了通過調控微小RNA（microRNA, miRNA）來提升生物質產量與生物燃料生產策略。
該研究指出，木質生物質雖為關鍵碳匯與燃料原料，但其細胞壁復雜的化學結構與組分交聯，構成了天然的抗降解屏障，致使預處理成本占生物燃料總成本的20%以上。此外，預處理成本隨規模擴大而急劇上升是制約產業化的核心瓶頸（圖1）。為了突破這一瓶頸，團隊整合植物科學與材料科學研究，系統分析了影響生物燃料生產的植物內部因素，并進一步構建了“miRNAs介導的細胞壁工程”的研究框架。該框架核心在于：通過精準操縱關鍵miRNAs，同步實現降低木質纖維素抗降解屏障與提升生物質積累量的雙重目標，從而在源頭破解“轉化難、成本高”的產業困境。
圖1：生物質能源生產與利用的過程。
在論文中，研究團隊以楊樹等典型木本植物為模型，深入闡釋了多個關鍵miRNAs在木材形成與抗逆生長中的功能（圖2）。譬如，過表達 miR408 不僅能促進次生生長、增加生物量，還可通過抑制漆酶基因降低木質素聚合度，使無酸預處理下的糖化效率提高；而 miR156 則可通過調控SPL轉錄因子，在延遲開花、增加分枝生物量的同時降低木質素含量。這些發現為林木分子設計育種提供了豐富的靶點與理論支撐。
圖2：生物質能源生產與利用過程中潛在的miRNAs。
此外，該研究指出，與傳統的基因編輯等技術相比，miRNAs作為一種內源性的轉錄后調控因子，具備“一控多”的網絡級調控特點，能夠實現對細胞壁復雜性狀的多維度協同改良。因此，在木材這類復雜性狀的改良中，miRNAs調控作為一種新興工具，展現出其獨特的應用價值。該研究為通過操縱miRNAs從源頭改良木材特性，實現林木生物質的高效轉化與增值利用提供了全新的技術框架與研究路徑。
展望未來，研究提出了從miRNAs挖掘發現、調控網絡構建到多技術協同操縱的完整技術路線（圖3）。團隊強調，結合人工智能靶點預測、CRISPR激活/干擾及短串聯靶模擬等前沿技術，將有望實現對miRNAs的時空特異性與劑量精準調控，最終培育出“易酶解、高產量”的下一代能源林樹種。
圖3：miRNAs介導的生物質能源生產與利用策略。
該研究創新性地提出通過調控miRNAs同步破解木質纖維素抗降解屏障與提升生物量的技術框架，為林業生物燃料的高效生產和木材品質的定向改良提供了新的方向。該研究不僅為林業生物燃料的高效生產提供了新策略，也為植物合成生物學與綠色生物制造領域的交叉創新開辟了新方向。隨著相關技術從實驗室走向田間，林木生物質有望在能源自主與碳中和目標中扮演更為關鍵的角色。
北京林業大學生物科學與技術學院林金星教授為該論文的通訊作者，林學院郭亞玉副教授和生物學院王厚領副教授為該論文的共同第一作者。北京林業大學材料科學與技術學院的宋國勇教授、王水眾副教授在植物化學相關研究中提供了建設性地幫助和指導。該研究得到了國家自然科學基金，國家高等學校學科創新引智計劃）、中國博士后科學基金特別資助項目，北京市自然基金等項目的資助。
北京林業大學林金星教授團隊長期致力于樹木發育生物學和規模化繁育以及高效利用方向研究。近年來，以楊樹、松樹、銀杏等樹木為研究對象，在Nature Communications、Science Advance、The Plant Cell、PNAS、Genome Biology等主流期刊發表學術論文50余篇。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1360138525002936
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