植物次生生長積累的細(xì)胞壁是重要的木質(zhì)纖維資源，包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。其中纖維素經(jīng)過酶解糖化處理能夠產(chǎn)生可發(fā)酵的單糖，單糖經(jīng)過發(fā)酵可以產(chǎn)生生物乙醇。然而，由于次生細(xì)胞壁上木質(zhì)素連接和加固纖維素和半纖維素，形成“細(xì)胞壁抗降解屏障”，阻礙了纖維素向生物乙醇的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致次生細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化為生物乙醇過程中木質(zhì)素脫除的預(yù)處理成本高、糖化效率低。因此，培育無需預(yù)處理脫除木質(zhì)素、且次生生長增強(qiáng)的林木生物質(zhì)，對國家生物能源發(fā)展的戰(zhàn)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(zhuǎn)錄后水平與靶信使RNA（mRNA）的互補序列結(jié)合，引導(dǎo)沉默復(fù)合體降解靶mRNA或抑制其翻譯，從而精細(xì)調(diào)控基因表達(dá)。這種調(diào)控機(jī)制在細(xì)胞分化、發(fā)育以及多種疾病的發(fā)生發(fā)展中扮演著關(guān)鍵角色。2024年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，授予了microRNA研究，表彰兩位科學(xué)家“發(fā)現(xiàn)microRNA及其在轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控中的作用”。

近日，北京林業(yè)大學(xué)林金星教授團(tuán)隊在國際著名期刊Trends in Plant Science
發(fā)表了題為Manipulating microRNAs to enhance biomass yield and biofuel production的重要綜述（Review）論文，系統(tǒng)提出了通過調(diào)控微小RNA（microRNA, miRNA）來提升生物質(zhì)產(chǎn)量與生物燃料生產(chǎn)策略。

該研究指出，木質(zhì)生物質(zhì)雖為關(guān)鍵碳匯與燃料原料，但其細(xì)胞壁復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)與組分交聯(lián)，構(gòu)成了天然的抗降解屏障，致使預(yù)處理成本占生物燃料總成本的20%以上。此外，預(yù)處理成本隨規(guī)模擴(kuò)大而急劇上升是制約產(chǎn)業(yè)化的核心瓶頸（圖1）。為了突破這一瓶頸，團(tuán)隊整合植物科學(xué)與材料科學(xué)研究，系統(tǒng)分析了影響生物燃料生產(chǎn)的植物內(nèi)部因素，并進(jìn)一步構(gòu)建了“miRNAs介導(dǎo)的細(xì)胞壁工程”的研究框架。該框架核心在于：通過精準(zhǔn)操縱關(guān)鍵miRNAs，同步實現(xiàn)降低木質(zhì)纖維素抗降解屏障與提升生物質(zhì)積累量的雙重目標(biāo)，從而在源頭破解“轉(zhuǎn)化難、成本高”的產(chǎn)業(yè)困境。

圖1：生物質(zhì)能源生產(chǎn)與利用的過程。

在論文中，研究團(tuán)隊以楊樹等典型木本植物為模型，深入闡釋了多個關(guān)鍵miRNAs在木材形成與抗逆生長中的功能（圖2）。譬如，過表達(dá) miR408 不僅能促進(jìn)次生生長、增加生物量，還可通過抑制漆酶基因降低木質(zhì)素聚合度，使無酸預(yù)處理下的糖化效率提高；而 miR156 則可通過調(diào)控SPL轉(zhuǎn)錄因子，在延遲開花、增加分枝生物量的同時降低木質(zhì)素含量。這些發(fā)現(xiàn)為林木分子設(shè)計育種提供了豐富的靶點與理論支撐。

圖2：生物質(zhì)能源生產(chǎn)與利用過程中潛在的miRNAs。

此外，該研究指出，與傳統(tǒng)的基因編輯等技術(shù)相比，miRNAs作為一種內(nèi)源性的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控因子，具備“一控多”的網(wǎng)絡(luò)級調(diào)控特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對細(xì)胞壁復(fù)雜性狀的多維度協(xié)同改良。因此，在木材這類復(fù)雜性狀的改良中，miRNAs調(diào)控作為一種新興工具，展現(xiàn)出其獨特的應(yīng)用價值。該研究為通過操縱miRNAs從源頭改良木材特性，實現(xiàn)林木生物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化與增值利用提供了全新的技術(shù)框架與研究路徑。

展望未來，研究提出了從miRNAs挖掘發(fā)現(xiàn)、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建到多技術(shù)協(xié)同操縱的完整技術(shù)路線（圖3）。團(tuán)隊強(qiáng)調(diào)，結(jié)合人工智能靶點預(yù)測、CRISPR激活/干擾及短串聯(lián)靶模擬等前沿技術(shù)，將有望實現(xiàn)對miRNAs的時空特異性與劑量精準(zhǔn)調(diào)控，最終培育出“易酶解、高產(chǎn)量”的下一代能源林樹種。

圖3：miRNAs介導(dǎo)的生物質(zhì)能源生產(chǎn)與利用策略。

該研究創(chuàng)新性地提出通過調(diào)控miRNAs同步破解木質(zhì)纖維素抗降解屏障與提升生物量的技術(shù)框架，為林業(yè)生物燃料的高效生產(chǎn)和木材品質(zhì)的定向改良提供了新的方向。該研究不僅為林業(yè)生物燃料的高效生產(chǎn)提供了新策略，也為植物合成生物學(xué)與綠色生物制造領(lǐng)域的交叉創(chuàng)新開辟了新方向。隨著相關(guān)技術(shù)從實驗室走向田間，林木生物質(zhì)有望在能源自主與碳中和目標(biāo)中扮演更為關(guān)鍵的角色。

北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院林金星教授為該論文的通訊作者，林學(xué)院郭亞玉副教授和生物學(xué)院王厚領(lǐng)副教授為該論文的共同第一作者。北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的宋國勇教授、王水眾副教授在植物化學(xué)相關(guān)研究中提供了建設(shè)性地幫助和指導(dǎo)。該研究得到了國家自然科學(xué)基金，國家高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃）、中國博士后科學(xué)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(yè)大學(xué)林金星教授團(tuán)隊長期致力于樹木發(fā)育生物學(xué)和規(guī)?；庇约案咝Ю梅较蜓芯?。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(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1360138525002936