在橡树岭国家实验室生物能源创新中心 (CBI) 工作的一组研究人员发现了一种促进植物中木质素形成的途径，该途径可以使为生产可持续喷气燃料等产品而种植的农作物的加工变得更加容易和减少。昂贵。

研究人员专注于 C-木质素，一种在某些外来植物种皮中的聚合物。木质素是赋予植物刚性的聚合物，是生产清洁生物基燃料所需的构件和芳香族化合物的良好来源。但木质素也难以加工，尤其是在大多数植物中发现的更常见的 G- 和 S- 木质素。

C-木质素具有比其他木质素更线性的化学结构，使其更容易解构。作为能源部生物能源研究中心 CBI 的一部分工作的科学家们现在已经确定了形成这种首选 C-木质素的遗传机制，详见《科学进展》 。科学家们希望设计生物能源作物以形成 C-木质素，同时限制 G/S-木质素的生长，这可能导致更实惠、更高产的生物加工。

CBI 在 ORNL 的首席执行官 Jerry Tuskan 解释说，G/S 木质素形成的聚合物结构很像带有树枝和扭结的渔网，而 C-木质素更像是一根绳子。“你可以想象，拉开渔网比解开的绳子更难。”

展望未来，Tuskan 表示，研究人员希望将这种聚合物设计成杨树和柳枝稷的主要原料，以使其细胞壁更容易分解，从而转化为可持续的航空燃料。

北德克萨斯大学生物发现研究所是 CBI 的合作伙伴和该项目的牵头机构，自从大学研究员方诚于 2011 年首次发现这种聚合物存在于香草豆的种皮中以来，C-木质素的研究已经有一段时间了.

“你如何在通常不会制造 C-木质素的植物中制造 C-木质素?” UNT 生物科学杰出研究教授 Richard Dixon 问道。“我们一直在通过两种方式来解决这个问题。其中一种是反复试验并做出一些猜测——把它放在不能自然产生的植物中，看看会发生什么。另一种是试图真正了解如何C-木质素是在一种植物中自然产生的。”

科学家观察到完全转换为 C-木质素

UNT 博士后研究员 Chunliu Zhuo 最近在研究 cleome 或蜘蛛植物时发现了植物如何制造 C-木质素的新发现。Cleome 在授粉后的前 12-14 天在其种皮中制造 G-木质素。然后它切换到只制造 C-木质素。

“你可以想象，如果 cleome 在某个时候从 G-木质素转换为 C-木质素，它可能会产生混合的 GC-木质素，”Dixon 说。“它没有。它非常了不起。它完全改变了。”

在 ORNL，由生物科学部的 Tim Tschaplinski 领导的一个团队通过在分子水平上分析 C-木质素形成来为研究提供信息。

科学家们发现，这两种木质素的组成部分仍在植物中，但它们并没有连接起来形成木质素链——这一过程被称为聚合。它们在细胞中漂浮，但不结合在一起形成 G/C-木质素。

“我对 G 积木感到非常惊讶。我们发现，即使在开发后期，也没有制造任何 G-木质素，但周围仍然有大量 G 积木。而且它们仍在制造中， ”卓说。“这促使我们研究植物是如何做到这一点的。为什么当周围有这么多的游离 G 构建基块时它只制造 C-木质素?”

研究人员预计植物中会发生一个复杂的过程，涉及酶和多个步骤，但由于转换似乎如此突然和如此完整，他们现在认为这个过程实际上比他们以前想象的要简单得多。

“由于它同时发生，而且 C-木质素最近在许多植物物种中进化，”Dixon 说，“这意味着它必须很简单。”

“这并不是说 1 亿年前或 2 亿年前植物突然进化出 C-木质素，现在它们都拥有它。而是有些人拥有它，有些人没有，即使它们是密切相关的物种，”迪克森指出。“春柳发现，一旦植物制造出 C 结构单元，G 结构单元向木质素的转化就会受到抑制。”

发现推进了更好的生物质作物的目标

研究人员现在认为，C-木质素构件可以防止形成含有 G 构件的链。在了解这一机制后，科学家们离开发主要使用 C-木质素的作物又近了一步。如果过程就这么简单，那么工程设计可能比他们想象的要简单。他们只需要引入启动 C-木质素的基因，而不是打开它然后抑制 G-木质素，这正是他们最初的预期。

“它让我们更接近使用 C-木质素的工程植物，因为它告诉我们一些我们不需要做的事情——我们不需要担心的事情，”Dixon 说。

“在这一发现之前，C-木质素一直被认为是植物细胞壁中较大的木质素分子中较小的次要成分，”Tuskan 说。“它从未被视为具有商业重要性的足够大的部分。但现在，通过将 C-木质素引入细胞壁，我们可能能够减少解构过程的能量需求。这项工作代表了朝着经济上可行的生物经济。”