登录/注册后可看大图约翰·拉尔夫教授。图片来源：grow.cals.wisc.edu果壳网：在研究中，你使用杨树作为目标生物，它有什么特别之处，为何选择它而不选择生长周期更短或研究体系更为成熟的模式植物？约翰·拉尔夫：我们当然也用过拟南芥这种更易于转化入外源基因的模式植物来进行检验。但我们希望使用真正能提供大量生物质（同时仍然易于转化）的植物，以产出足够的材料，来在各种不同的处理条件下进行真正的测试。作为模式植物，杨树能很好地满足这些要求。另一方面，在加拿大，杨树也是非常常用的生物质材料和木浆原料。杨树还有另一个优势：像柳树一样，它可以被修剪——杨树自地面以上的部分被伐取后，仍可以利用树根和残留的茎再长出新的枝干，于是之后又可以重新采伐——我每三年至少能采集五次木材。因此，我们能够在不牺牲植物的前提下，每年都采集材料进行测试。果壳网：向木质素中引入不稳定的化学键来使其易于裂解是个很棒的想法。最初是什么原因让你把目光投向FMT这个酶的？约翰·拉尔夫：这项研究的灵感源自植物细胞壁化学与生物化学方面的三项不同基础研究的融合，这反映了不同领域间集体相互启发的力量——能与我们实验室这些优秀的同事们以及杰出的合作者们一同工作，我感到很幸运。最初，我们了解到木质素是如何被酰化的（比如被加入各种酯基）。我们发现大麻槿、剑麻等植物中木质素的乙酰化；杨树、柳树和棕榈中木质素的对羟基苯甲酰化，以及禾本科植物中木质素的对香豆酰化过程都是通过产生与酯偶联的木质素单体，并将这些偶联物用到木质化过程中完成的。请注意到，这意味着在上述植物中，这些偶联物在木质化反应中是作为“单体”存在的。不过，顺便说一句，这些偶联物并没有向木质素多聚体的主链中引入易分解的酯键！既便是对羟基苯甲酸和对香豆酸，也都与木质化反应不相容，也就是说，尽管它们是酚类物质，但它们并不参与木质化反应的基团偶联。木质化过程更倾向于用其他酚类进行基团转移反应，因此最终这些基团只是保持原样，作为的木质素多聚物的附属物存在，而并未被嵌入到主链当中。果壳网：但是阿魏酸却做到了。约翰·拉尔夫：我们在奶牛饲料研究中心（Dairy Forage Research Center）有个很大的研究项目，主要研究阿魏酸与植物细胞壁的交联。在禾本植物中，阿魏酸会以酯的形式附着在半纤维素和阿拉伯木聚糖上。我们发现，植物会利用基团偶联反应生产一系列阿魏酸二聚物，并通过阿魏酸将多糖交联，来强化植物的细胞壁。我们设想阿魏酸同样也参与木质素的形成，发生偶联并交联木质素单体，这些多聚物最终在禾本植物中形成大强度的木质素-多糖交联体。这一设想随后得到了证实。此外，这些木质素多糖也是使反刍动物对消化草中多糖的能力受到限制的一个重要因素。事实上，多糖中的这些阿魏酸似乎木质化的成核位点，木质素多聚物可能从这些位点开始形成。就这样，我们发现阿魏酸能与木质化过程完全兼容，能完整地被聚合进木质素多聚物中。这意味着在禾本科植物中，阿魏酸可是木质素的另一个天然的单体！至此你可能也想到了，我们认为虽然禾本植物中的木质素单体-对香豆酸偶联物并不能向木质素主链中引入酯键，但木质素单体-阿魏酸却可以，因为这种偶联物两端都能够被并入多聚物。然而，还得有另外一系列至关重要的研究。如果我们没有独立完成之后的研究，上述这些概念就都毫无意义。果壳网：之后你们做了什么工作？约翰·拉尔夫：木质化是个可塑的代谢过程，我们参与了最早的关于木质素突变和转基因方面的研究。我们很早发现，当植物无法合成正常的木质素单体时，比如一些对生物合成至关重要的基因受损或被下调了，这些突变株或转基因植株会将其合成的其他酚类——通常是木质素单体不完全合成的产物——转运到细胞壁中，并“试图”就用这些产物合成木质素多聚体。在很多情况下，这样以多种酚类化物代替部分正常木质素单体的策略也能使植物很好地存活——这意味着修饰后的木质素多聚体仍能行使功能，在一些个例中，这样的植株甚至不会出现任何明显的生长缺陷。这些年，越来越多的例子表明我们（或植物自身）能够用特定的酚类物质替代一些正常的单体，这也给了我们特别的机会去操纵木质素多聚体的结构。随后，我们对木质素基因进行了许多上下调研究，以改变其表达，并观察这些改变对各种处理的影响。直到今天我们仍对这些方法抱有很浓厚的兴趣，比如最近我们发表在PNAS上作为封面文章的一项研究就是用下调了木质素CCR基因的杨树进行田野实验的。果壳网：最后你们就有了这样改造能源作物的想法？约翰·拉尔夫：我觉得我们比其他人更早意识到我们能够自己“重新设计”木质素，使之具备更便于化学处理的性质。简单地说，我们本来需要非常严格的反应条件，才能使正常的木质素中最脆弱的键——β-醚键断裂， 并将木质素多聚物切成更小的部分，使其得以与多糖分离，或者至少能让相关的酶能更好地接近目标底物。例如制浆就需要在170℃下，将木材至于1摩尔每升的氢氧化钠溶液中蒸煮几个小时——但如果是酯键的话，任何一个化学家都知道只要在室温下用氢氧化钠处理就能使之断裂。所以，如果我们能重新设计木质素的结构，使它变得更容易通过化学而非生物途径分解，岂非一件很赞的事情？一旦你意识到你要在木质素主链中插入酯键，那么阿魏酸酯就是理想的选择。之后，你需要一个能令木质素单体和阿魏酸通过酯键偶联的酶，（当时完全不知道是哪一个）。我们不得不找到这样的一种酶，比如FMT（阿魏酰辅酶A木质素单体转移酶），来完成偶联工作。这类酶在禾本植物中的同工酶最近也被我们找到了，它能产生木质素单体-对香豆酸偶联物。此外，我们也发表了许多其他可能的方法，当然，这些方法还没有在真正的植物系统中检验过。
登录/注册后可看大图温室中培育的转入FMT基因的杨树。这些转基因植株与野生植株并无外观差别。图片来源：C. G. Wilkerson, et al. （2014）Science.果壳网：你最初在中药当归中发现了FMT基因，在那之后是否有尝试在其它生物体中寻找功能类似甚至更好的基因？约翰·拉尔夫：确实有。然而在其他植物中，我们只鉴别到其中两种植物具有这个基因。我们已经将其中一个提取出来，但它的功能没有当归的FMT那么好。至于剩下那种植物，我们则还在寻找对的基因。而当归里的FMT活性非常高，且能使当归根部的阿魏酸松柏酯含量高达2%，所以我们基本上停止了寻找其他生物里的酶——当归的FMT已经非常理想了。果壳网：根据现有的研究成果，我们得多久才能把这种经过转基因改造的植物投入相关的工业生产中？与传统的植物原料相比，使用重新设计的植物，又大约能降低多少生产成本？约翰·拉尔夫：这是一个好问题。我们还需要更好的实验数据才能推广到实际的经济生产中，但已有的数据已经表明，我们能在更温和的条件下对生物质进行处理，即能通过酶促反应是生物质释放出糖。在需要通过制浆将木质素含量降到特定水平的模式系统中，如果木质素-阿魏酸偶联物的含量能达到25%，那么原本通常需要160~170℃处理才能完成工序只要在约100℃的条件下就能完成——而我们正在使偶联物的含量接近25%了。如果今年能在原料植物中达到这个水平，那么与需要170摄氏度处理2小时的传统植物相比，转基因植物也许只需要在同样温度下处理30分钟，就能是木质素分解到制定水平。这样，节省的生产成本和能源将是巨大的，而生产能力则会提高！我们今年希望对这些转基因材料做不同的处理测试，并进行一些实际比较，希望拿到这方面的数据。不过现在，它还不能直接投入生产。
发表于 2014-6-8 21:37:14
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