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如何在甘蔗中分解细胞壁

改善植物作物的有用性的一种方法可能来自植物细胞生长的地方,而是他们死的地方。

那里’植物内部的很多能量,但它’并不总是容易访问它。细胞壁由纤维素构建,使植物细胞刚性构成。不幸的是,纤维素难以崩溃。有些动物可以处理它,但它’不简单。一份新论文, 阿德里安娜·祖母和同事,看看甘蔗如何分解纤维素以形成 erenchyma..

空中的空间。图片:Marcos Buckeridge和Déboraleite

erenchyma不僵硬。它是一个充满空间和空气频道的海绵组织。 Marcos Buckridge教授是该研究的作者之一,解释了为什么艾滋病毒对甘蔗来说至关重要。“被认为根氧化性与保持在根组织内部流动的能力的增加有关。因此,它可以保护根部免受涝渍或洪水引发的缺氧(缺乏氧气)。我们一直在寻找甘蔗品种而没有灌输,但尚未发现它,至少在我们调查的巴西品种中。许多草,包括米饭,高粱和玉米形成erenchyma。玉米已经更彻底地调查,并且在其案例中,根部的erenchyma只会在淹水或涝渍时形成。水稻,高粱和甘蔗形状的根氧藻独立于外部信号(即erenchyma是本构型)的诱导。 ”

更好地了解erenchyma如何改变植物的一种方式,因此它有更少的。这是Buckeridge Prof Prof Prof’S团队一直在努力。“我们一直试图抑制甘蔗中的空气表演。例如,我们尝试添加抑制激素乙烯信号的物质( 塔瓦雷斯 。,2018年),众所周知,令人震惊的灌胃形成,但尚不能做到。我们还试图增加第一步(果胶降解)的阻遏物,转录因子Scrav1(以其为特征 塔瓦雷斯 。,2019年)但发现有似乎有机制“protect”在这种情况下,避风血肿形成,在这种情况下是靶向转录因子的微RNA。”

“氧气表明也可能是甘蔗的生长改善,因为它可以提供氧气的氧合,与洪水或涝渍无关。育种者众所周知,更深层次和不断增长的根,改善甘蔗产量。蕨类植物可能被育种者盲目地选择,因为他们搜索了更高的生长,糖和生物量生产。”

It’使erenchyma形式使它们成为这样一个有用的学习特征的方式。甘蔗没有’T预形成的这些空气通道生长。相反,那里’■在它的植物内部拆除过程。 Buckeridge教授表示,这可能已经熟悉一个读者。“erenchyma的形成可分为模块(祖母 。,2014年, 塔瓦雷斯 。,2015年)。现象描述于 leite. . 2017,并在根内形成其形成的胶片可作为补充材料下载或 直接来自植物学。第一步是信令。可能是皮质的单个细胞“senses”乙烯(局部产生)和养蛋白(来自叶片)之间的平衡并进入特征的第二阶段,其特征在于两个特征:细胞分离(酶到中隙的酶)和细胞膨胀。同时,编程的细胞死亡开始(另请参阅植物学的早期文章)。作为细胞死,它们同步产生酶以改变细胞壁组合物(Grandia等,2019),形成复合物(Leite等,2017),其变得逐渐克隆到水解酶(祖母 。,2019年)最终创建据认为是不可渗透的通道,并形成通过根传导氧气的一系列互连途径。

在检查空气表现如何似乎是深奥的时,它’是一个有价值的问题。从理解它是如何形成的,可能会有一个大的薪水。巴克里奇教授说:“对于那些想了解更多关于如何操纵植物来生产更多生物能源的人来说,我们的论文可能很有趣。为此,必须从纤维素等物质中获得糖。通过破坏它,可以产生葡萄糖,可以给予酵母发酵糖并产生乙醇。然而,这是非常困难的,因为细胞壁(所有植物细胞外侧的复合材料)更复杂并且除了纤维素之外还具有几种其他聚合物。我们的论文描述了如何激活基因以产生可以破坏这些聚合物的蛋白质(酶)。这是制造甘蔗植物表现得像水果的策略的一部分,对工业进行柔软且易于获得乙醇生产的糖。”

增强将糖转化为乙醇的过程​​可能有助于减少二氧化碳排放。巴克里奇教授说,“甘蔗是行星领先的生物能量作物之一。除了用于食品目的的糖(蔗糖)的主要来源外,它也是乙醇的主要来源之一,用作生物燃料。巴西的甘蔗膨胀而没有对食品生产或保护生物群系的养护,包括雨林,足以取代植物中使用的6%的汽油,并且还减少了CO的排放2 2014年最多可达14%(贾斯瓦尔 。,2017年)。为了实现这样的目标,不仅需要使用已经在甘蔗组织中使用的自由糖(蔗糖),但需要从细胞壁中获得糖。因此,从植物的生物量产生乙醇的关键方法之一称为水解。后一种过程是必要的,因为植物的超过60%的质量(除水)是细胞壁。这就是我们所谓的第二代(2G)生物乙醇。”

“因为我在整个职业生涯(现在38年),随着种子中的细胞壁降解的内源性过程(Buckeridge. 。,2005年),当生物能源问题在2000年代中期突出时,我决定寻找甘蔗的发育过程,其中细胞壁降解。当时,我的博士学生之一与番木瓜开发合作。我们观察到了相当有趣的过程,其中水果的细胞分开(水泥– middle lamella –通过酶降解),成熟果实的柔软度产生了消费者的甜味。我认为我们可能会发现甘蔗中的发育过程,这将类似于我在种子和水果中研究的内容,并尝试使用它来再生甘油以软化如果实。从这个时候开始,我将这个项目命名为“papaya cane”。我们首先在叶片衰老中寻找,发现没有细胞壁改性的迹象(马丁斯 。,2016年)。我们继续看,直到我们发现erenchyma。由于根部的整个皮质塌陷,我们留下了深刻的印象,留下了细胞壁的碎片。然后,我的小组探讨了关于与细胞壁相关的事件的甘蔗的空气表演。 该过程的描述 于2017年在植物学的历史上发表,现在我们报告了涉及灌胃组织的基因表达,蛋白质产量和酶活性的机制。”

“与其他公布的章节和论文一起 (祖母 。,2014年, Buckeridge.和De Souza,2014, 塔瓦雷斯 。,2015年和其他人),我们靠近木瓜甘蔗应该是什么。我们有良好的证据表明,对中间薄片(如果实发生的果胶)的攻击是开始栖息的发展,并且可以做软化甘蔗生物质的工作。使用发现的转录因子 塔瓦雷斯 。 (2019),控制过程的第一步,我们生产的转基因植物。正在分析这些,以了解他们是否可以接近我们预期的木瓜甘蔗。”

虽然论文回答了一些问题的避风膜形式’Buckeridge教授仍然有很多工作来说:“在我的实验室中这一研究线的主要目标之一是了解可用于控制细胞壁水解以软化整个甘蔗植物的机制。我们现在认为这可以通过触发避风血肿形成的第一步,即细胞分离来完成。单独的第一步可能足以帮助降低对甘蔗产生2g生物乙醇生产的能量的需求。”

“第二个目标与生产更有效的水解酶有关。我们的作品正在为制定特异性甘蔗纤维素和半纤维素的酶鸡尾酒产生促进酶鸡尾酒,使得碎的生物质将更容易预处理并水解。该想法是,在工业过程中,由植物产生的细胞壁水解酶对其自身的细胞壁可能更有效。从甘蔗的约1,200种不同的细胞壁相关酶的收集,我们在现在发现(公布),我们使用了我们在甘蔗的空气中所做的研究中获得的知识来选择两种候选酶。我们克隆并表征了这些基因(内核糖酶和α-阿拉伯呋喃糖苷酶),并在酵母中表达它们。这些酶现在正在表征,我们打算将它们加入行业中使用的酶鸡尾酒,并测试效率与植物酶增加的假设。”

“我们拥有的主要挑战之一并仍然面临的是缺乏全基因组甘蔗序列。但这最近这一切更加壮大,我们现在已经进入了有助于获得完整序列,启动子和更详细的酶细节的基因组草稿。我们已经列出了29个甘蔗水解酶,似乎是用作商业酶鸡尾酒的添加剂的良好候选者。利用从基因组获得的完整序列和随后的微生物中这些酶的异源表达,可以显着提高酶鸡尾酒。另一种途径将是甘蔗组织内酶结组的激活,以促进内部水解,使工业过程可能与预处理无关。为了实现这一目标,我们需要“install”甘蔗植物其他器官中的灌冻室形成系统。当我们收集工具和理解机制时,我认为这对不久的将来是合成生物学的令人兴奋的挑战。”