全 文 ：植物学报Chinese Bulletin of Botany 2009, 44 (3): 262-272, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3969/j.issn.1674-3466.2009.03.002
收稿日期: 2008-05-27; 接受日期: 2008-08-19
基金项目: 国家自然科学基金(No.30671699)、北京市自然科学基金(No.5072013)、国家林业局948项目(No.2008-4-26)和北京市科
委转基因重大专项(No.Z07070501770701)
* 通讯作者。E-mail: weijianhua@baafs.net.cn
.特邀综述.
植物木质素合成调控与生物质能源利用
李桢 1, 2, 王宏芝 2, 李瑞芬 2, 魏建华 2*
1首都师范大学, 北京 100037; 2北京市农业生物技术研究中心, 北京 100097
摘要 植物木质素生物合成调控研究已在造纸树种与饲草品质的改良中取得了许多进展。随着对木质纤维原料乙醇发酵研
究的兴起, 植物木质素合成调控再次成为研究热点。该文总结了目前生物质能源利用的现状, 同时针对木质素在木质纤维乙
醇发酵中的限制作用, 综述了近年来植物木质素合成调控的研究进展, 提出了今后的研究方向和内容, 并展望了木质素合成调
控在木质纤维乙醇发酵中的应用。
关键词 生物质能源, 乙醇发酵, 木质素, 木质纤维, 合成调控
李桢, 王宏芝, 李瑞芬, 魏建华 (2009). 植物木质素合成调控与生物质能源利用. 植物学报 44, 262-272.
木质素(lignin)是蕨类植物、裸子植物和被子植物
等维管植物细胞壁的重要组分, 主要沉积在输导组织(如
导管或管胞)、机械组织(如纤维、厚壁组织等)和保护
组织(如表皮)的细胞次生壁中, 在陆生维管植物的进化演
变过程中起关键作用, 具有十分重要的生物学功能。木
质素分子与细胞壁中的纤维素、半纤维素等多糖分子
相互交连, 增加植物细胞和组织的机械耐受强度; 其疏水
性使植物细胞不易透水, 利于水分、矿物质和有机物在
植物体内的长距离运输; 木质素与纤维素共同形成一个
物理屏障, 能有效阻止各种植物病原物的侵入, 赋予植物
对生物及非生物逆境的防御能力(Lewis and Yamamoto,
1990)。木质素在自然界中十分丰富, 含量仅次于纤维
素, 其直接经济用途主要是作为黏合剂和各种添加剂应
用于化学工业。
木质素对于植物体本身很重要, 然而它不利于人类
对某些资源植物的利用。制浆造纸主要利用木材中的
纤维素, 而木质素则需要在化学制浆过程中用强酸、强
碱和高温等极端手段予以降解脱除。脱除木质素的过
程需消耗大量能源, 且产生大量造纸废液, 可能对环境造
成污染。降低植物中的木质素含量, 或改变木质素的组
成结构, 均能使木质素更易于脱除, 达到改良造纸材性的
目的(Baucher et al., 2003)。木质素的存在还影响反
刍动物对饲草的消化和营养的吸收, 减少饲草植物细胞
壁中木质素的含量可改良牧草的营养品质(Marita et al.,
2003)。随着对植物木质素合成途径研究的深入, 利用
木质素合成调控进行植物改良已取得了一些非常重要
的进展。近年来, 生物质能源的研究与应用越来越受
到全球的瞩目, 其中利用木质纤维生产燃料乙醇就是
未来发展的一个重要方向。这项技术中木质素同样
是阻碍纤维素水解的重要因素之一, 需要通过预处理
进行脱除。因此木质素的存在是限制木质纤维应用
的主要屏障(Yang and Wyman, 2004)。如何使木
质纤维中的木质素更易于脱除是开发新型生物质能源
植物的重要内容之一。本文将结合生物质能源的开
发总结植物木质素合成调控的研究进展, 并展望本领
域的发展方向和趋势。
1 生物质能源研发进展
近年来, 世界范围内的能源短缺加剧, 而传统能源煤炭、
石油和天然气的全球储备量日益减少, 并伴随着生态环
境的不断恶化。能源问题日益成为影响国计民生、国
263李桢等: 植物木质素合成调控与生物质能源利用
家安全乃至世界和平的重要因素。20世纪80年代以
来, 发展生物质能源替代化学能源成为当今世界解决能
源问题的重要途径, 全球范围内掀起了生物质能源的研
发热潮。
1.1 生物质能源的研究与应用现状
生物质能的本质是生物体通过光合作用固定在生物质中
的太阳能。从广义上讲, 生物质能源大致有3种利用方
式: 一是直接燃烧; 二是生物转换, 如农作物秸秆气化和
沼气利用; 三是生物液体燃料, 如生物乙醇燃料和生物柴
油, 这也是目前生物质能源的主要含义。生物乙醇燃料
是指用甘蔗(Saccharum sinense)、甜高粱(Sorghum
bicolor)、玉米(Zea mays)淀粉及木质纤维等作为原料,
通过发酵制取的燃料乙醇; 生物柴油则是以油料作物为
原料制取的液体燃料。其中, 生物燃料乙醇是目前世界
上生产规模最大的生物质能源。自巴西、美国率先于
20世纪70年代中期大力推行燃料乙醇政策以来, 加拿
大、法国、西班牙和瑞典等国纷纷效仿, 均已形成了
规模化生产和利用。
由于生产工艺与成本的原因, 目前可规模化利用的
生物质能源主要来源于糖质、淀粉和油脂等物质。与
之相对应的植物资源种类有玉米、木薯( Ma n i h o t
e s c u l e n t a )、甜高粱、薯类、甘蔗、甜菜( B e t a
vulgaris)、油菜(Brassica napus)和大豆(Glycine max)
等作物。传统的粮食作物和油料作物本身即为生物质
能源植物。糖类和淀粉可用于生产燃料乙醇, 如巴西用
废糖蜜或甘蔗、美国用玉米淀粉、法国主要用甜菜、
德国以谷物和马铃薯(Solanum tuberosum)为原料生产
乙醇(田春龙等, 2005)。油脂主要用于生产生物柴油,
如美国主要用大豆、欧洲的一些国家主要以油菜籽为
原料生产生物柴油。此外, 一些富含萜类、烯类成分
的野生或半野生石油植物(petroleum-like plant), 如续随
子(Euphorbia lathylris)、绿玉树(Euphorbia tirucalli)、
麻风树(Jatropha curcas)、光皮树(Cornus wilsoniana)
和黄连木(Pistacia chinensis)等植物也有望被应用于生
产生物柴油。
1.2 利用木质纤维材料生产生物质能源
利用糖质、淀粉和油脂等原料生产生物质能源在一定
程度上可缓解化石燃料的短缺。然而, 其主要原料为粮
油作物, 对世界粮食安全造成了直接威胁, 因此并不适用
于所有国家, 尤其中国更不宜。由于粮食安全的因素,
我国已停止批准利用粮食生产燃料乙醇的项目, 而利用
木质纤维生产燃料乙醇正在日益引起科研工作者的关
注。木质纤维来源广泛, 如林木和农作物秸秆等。据
统计, 仅中国林木和农作物废弃物年产量大约为10亿
吨, 全球年产量达100亿吨以上, 木质纤维占全球总生
物量的60%-80%, 为地球上最丰富的可再生资源。由
于价廉易得且不影响粮食安全, 木质纤维成为最理想的
生物质能源原料。但是利用木质纤维生产燃料乙醇的
工艺技术比较复杂, 目前规模化发酵技术尚未实用化, 因
此我国的木质纤维素资源除少部分用于造纸、纺织和
直接燃烧外, 绝大部分被遗弃。
木质纤维的主要成分为纤维素、木质素和半纤维
素。纤维素与半纤维素聚集成纤丝状成束存在, 木质素
填充其中, 并结合各种结构蛋白与其它多糖形成坚固的
聚合液晶结构。利用木质纤维生产乙醇的大致过程为:
首先进行粉碎, 然后用酸/碱等预处理, 除掉阻碍纤维素
降解的木质素、半纤维素等, 再添加纤维素复合水解酶
将纤维素降解为单糖后用于乙醇发酵。阻碍木质纤维
乙醇发酵规模化生产的主要因素有2个: 一是前期预处
理的投入过大, 二是纤维素水解复合酶的价格昂贵, 使整
个过程的成本偏高(Prins et al., 2004)。前期处理主要
是为了去除妨碍纤维素水解酶与纤维素接触的木质素与
半纤维素(Himmel et al. , 2007)。Yang和Wyman
(2004)通过发酵降解实验证明, 木质素与半纤维素都对
纤维素具有一定保护作用。Chen 和Dixon(2007)的研
究表明, 转反义HCT和C3H基因的苜蓿(Medicago
sativa) (木质素含量分别下降约51%和36%)经脱木质
素前期处理后, 酶解糖化效率达67%-79%, 而非转基因
对照仅为43%。证明抑制木质素合成对促进纤维素复
合水解酶高效降解纤维素十分重要, 故通过植物木质素
合成调控使木质素更易于去除, 对利用木质纤维生产燃
264 植物学报 44(3) 2009
料乙醇具有十分重要的意义。
2 木质素合成调控的研究进展
木质素在结构组成上比较特殊, 不同于通过比较均一的
化学键连接而形成的同质生物大分子物质——纤维素多
糖和蛋白质。木质素是一类组成和结构十分复杂的高
分子量肉桂醇脱氢聚合物, 主要是由3种木质醇(monoli-
gnol)单体——对 -香豆醇(p-coumaryl alcohol)、松柏
醇(coniferyl alcohol)与芥子醇(sinapyl alcohol)通过多
种不同化学键连接而成的高度异质的生物大分子
(Boerjan et al., 2003)。这3种木质醇单体分别对应形
成对-羟基苯基木质素(hydroxyphenyl lignin, 简称H)、
紫丁香基木质素(syringyl lignin, 简称S)和愈创木基木
质素(guaiacyl lignin, 简称G)3种主要的木质素类型。
对植物木质素合成调控的研究内容不仅涉及木质素含量,
而且包括木质素的组成结构。
2.1 木质素生物合成途径的研究进展
木质素研究的早期工作是利用物理和化学的方法通过合
成或分解来解析木质素的组成和结构, 推测其生物合成
过程。近 20年来, 随着科学技术水平的发展, 人们能
够从分子水平对木质素的结构、生物合成及其生物学
功能进行全新研究, 同时也在不断推动木质素生物合成
调控从基础研究向应用研究的转化。
20世纪90年代, 许多研究已初步揭示了木质素的
生物合成途径(Baucher et al., 1998; Boerjan et al.,
2003)。随着对转基因植物和突变体研究的不断深入以
及各种分析技术手段的发展, 木质素生物合成途径不断
被修正, 主要体现在对一些酶的功能的重新认识。目前
比较公认的木质素合成途径如图1所示。木质素的生物
合成从苯丙氨酸起始, 进入苯丙酸途径(phenylpropanoid
pathway), 经过一系列的脱氨基、羟基化与甲基化等步
骤, 合成羟基肉桂酸类化合物(hydroxycinnamic acids),
包括对 -香豆酸(p-coumaric acid)、咖啡酸(caffe ic
ac id)、阿魏酸( f er ul ic a c i d)、5- 羟基阿魏酸(5 -
hydroxyferulic acid)与芥子酸(sinapic acid)。植物体
中, 羟基肉桂酸能与角质、木栓质、木质素、碳水化
合物、蛋白质、脂类、氨基酸、类萜、生物碱、
类黄酮及其它含有羟基的多种化合物缩水形成脂类化合
物。它还是酚类化合物代谢的中间产物, 参与多种生理
生化过程, 如逆境防御、代谢调控及形态建成等。因
此, 苯丙酸途径并非木质素合成的特异性反应。羟基肉
桂酸经 4-香豆酸辅酶A连接酶(4-coumarate CoA
ligase, 4CL)催化合成羟基肉桂酸酯酰辅酶A类化合物,
然后进入木质素特异的合成反应中, 经肉桂酰辅酶A还
原酶(cinnamoyl-CoA reductase, CCR)与肉桂醇脱氢酶
(cinnamyl alcohol dehydrogenase, CAD)或芥子醇脱
氢酶(sinapyl alcohol dehydrogenase, SAD)两步还原
反应生成甲基化程度不同的木质素单体。上述木质素
生物合成途径中还有一些酶促反应存在争议, 有待进一
步验证(如图 1中的虚线部分所示)。
图 1 木质素生物合成途径(Boerjan et al., 2003; 赵华燕等, 2004)
虚线箭头表示该酶促反应尚未被证实或存在质疑, R1和R2分别代表莽草酸和奎尼酸。
PAL: 苯丙氨酸氨基裂解酶; C4H: 肉桂酸 -4-羟化酶; C3H: 香豆酸 -3-羟化酶; COMT: 咖啡酸 -O-甲基转移酶; 4CL: 4-香豆酸辅酶A连接
酶; F5H: 阿魏酸 -5-羟化酶; CCoAOMT: 咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶; CCR: 肉桂酰辅酶A还原酶; CAD: 肉桂醇脱氢酶; SAD: 芥子醇脱
氢酶; HCT: 羟基肉桂酰辅酶A莽草酸 / 奎尼酸羟基肉桂酰转移酶
Figure 1 Lignin biosynthesis pathway (Boerjan et al., 2003; 赵华燕等, 2004)
Dotted arrows indicate that the enzymatic reactions have not been confirmed; R1 and R2 represent shikimic acid and quinic acid
respectively.
PAL: Phenylalanine ammonia-lyase; C4H: Cinnamic acid 4-hydroxylase; C3H: Coumaric acid 3-hdroxylase; COMT: Caffeic acid O-
methyltransferase; 4CL: 4-coumarate CoA ligase; F5H: Ferulic acid 5-hydroxylase; CCoAOMT: Caffeoyl-CoA O-methyltransferase;
CCR: Cinnamoyl-CoA reductase; CAD: Cinnamyl alcohol dehy drogenase; SAD: Sinapyl alcohol dehy drogenase; HCT:
Hydroxycinnamoyl-CoA: shikimate/quinate hydroxycinnamoyltransferase
®
265李桢等: 植物木质素合成调控与生物质能源利用
木质素单体在过氧化物酶(peroxi dase)或漆酶
(laccase)的作用下进一步氧化聚合, 生成3种主要的木
质素类型: 对-羟基苯基木质素(H)、紫丁香基木质素(S)
和愈创木基木质素(G)。目前已知的其它酚类物质, 如松
柏醛、5-羟基松柏醛与羟基肉桂醛等不常见的苯丙烷类
衍生物也可参与木质素的聚合(Sederoff et al., 1999)。
266 植物学报 44(3) 2009
2.2 木质素生物合成调控研究进展
植物木质素生物合成调控应用的研究热点主要集中在如
何使木质素更易于去除, 从而利于木质纤维的应用, 如造
纸树种、生物质能源植物及饲草品质的遗传改良等
(Vanholme et al., 2008)。木质素合成途径中许多关键
酶的编码基因已在不同植物中被克隆, 目前已实现通过
基因工程手段抑制或增加某些关键酶基因的表达从而调
控植物木质素的生物合成。调控不同酶的编码基因所
产生的转基因效应不同, 表1总结了有代表性的相关研
究结果。需要指出的是, 由于转基因技术本身的限制,
不同转基因植株间的个体表型差异很大, 造成不同研究
者获得的木质素调控的转基因研究结果也不尽相同。
表1仅显示了被多数研究者所认可的转基因效应。
抑制木质素的生物合成, 降低木质素含量可以减少
脱除木质素过程中化学品和能源的投入而利于木质纤维
的应用。然而, 木质素对植物体本身具有重要的生物学
意义, 其含量降低到一定程度, 势必将影响植物的正常生
长发育特征, 削弱植物对外界环境的抵御能力。因此对
植物木质素的合成调控, 仅着眼于含量的降低, 会引发植
物耐受极限的问题。研究表明, 木质素的组成结构也影
响木质素脱除的难易程度。木质素各单体间通过多种
键型连接, 其中C-C键比较稳定, 不易断裂。G型木质
素单体的苯环C5处于游离状态, 能自由地与其它基团结
合形成C-C键; 而S型木质素单体的苯环C5位置为甲氧
基, 不能继续与其它基团结合形成C-C键。因此植物体
中G型木质素单体含量越高, 就会形成越多的C-C键而
使木质素更难脱除。因此反映木质素类型的S/G比值
(S/G ratio)与木质素脱除的难易程度密切相关, S/G比
值越低, 木质素越难脱除。裸子植物中主要为G型木质
素, C5位置上的C-C共价连接方式约占总C-C键的25%;
而被子植物(如阔叶树)中木质素类型为G-S型, C5位置
上的C-C共价连接方式仅占总C-C键的10%, 这是裸子
植物木质素降解难于被子植物的主要原因。另外, 一些
羟基肉桂醛或肉桂酸类物质参与木质素的聚合时也会造
成木质素结构疏松, 易于脱除。Pilate等(2002)对CAD
表达被抑制的杨树(Populus)进行制浆实验, 表明虽然木
质素含量下降不明显, 但由于自由酚羟基参与木质素聚
合而导致其结构改变, 造成木质素更易于脱除, 明显改良
了制浆性能。关于通过木质素组分调控进行植物改良
还存在不同的观点, Reddy等(2005)对通过反义RNA技
术分别抑制C4H、C3H和F5H基因表达的苜蓿进行研
究后, 认为降低木质素含量的确可以提高反刍动物对饲
表 1 木质素生物合成的基因调控效应
Table 1 Effects of genetic manipulation on lignin biosynthesis
基因 主要调控效应 参考文献
PAL 表达抑制后, 木质素总含量显著下降, S型木质素单体 /G型木质素 Sewalt et al., 1997;
单体(S/G)比值有所改变 Anterola and Lewis, 2002
C4H 表达抑制后, 木质素总含量显著下降, 伴随S/G比值下降 Sewalt et al., 1997;
Blount et al., 2000; Blee et al., 2001
C3H 表达抑制后, 木质素总含量显著下降, 伴随S/G比值增加 Coleman et al., 2008
HCT 表达抑制后, 木质素含量显著下降, 组分发生改变 Wagner et al., 2007
F5H 过表达及抑制表达均对木质素总含量的影响不明显, 过表达显著增加 Marita et al., 1999;
S/G比值, 抑制表达明显降低S/G比值 Franke et al., 2000; Huntley et al., 2003
4CL 抑制表达使木质素总含量大幅显著下降, 组分有所改变 Lee et al., 1997; Hu et al., 1999;
Kajita et al., 2002
COMT 只有高水平抑制表达才有效降低木质素总含量, 一般只影响S/G比值 Sewalt et al., 1997; Lapierre et al., 1999;
Jouanin et al., 2000; Guo et al., 2001
CCoAOMT 抑制表达使木质素总含量显著下降, 组分有所改变 Zhong et al., 1998, 2000; Meyermans et al.,
2000; Wei et al., 2001
CCR 抑制表达使木质素总含量显著下降, 组分发生改变 Piquemal et al., 1998; Ralph et al., 1998;
Chabannes et al., 2001; Leplé et al., 2007
CAD 抑制表达木质素总含量与组分变化不明显, 组分中有羟基肉桂醛参与 Baucher et al., 1998; Lapierre et al., 1999;
聚合, 使木质素结构疏松, 易于脱除 Pilate et al., 2002
267李桢等: 植物木质素合成调控与生物质能源利用
料的消化率, 从而改善牧草的饲用品质, 但是木质素的
组分改变并没有带来相应的改良效应, 以此推断木质素
组分改变也不会带来木材造纸性能的改良。Chen和
Dixon(2007)通过对转基因苜蓿脱木质素预处理后进行
酶解, 结果表明木质素组分的变化对预处理后酶解糖化
效率的改善不明显; 而降低木质素含量可以显著提高转
基因苜蓿的前期处理及后续酶解效率。
抑制木质素单体生物合成途径中关键酶编码基因的
表达, 实际产生的转基因效应十分复杂。有些酶不仅参
与木质素的生物合成, 还参与其它次生代谢产物的合
成。从应用研究的角度出发, 人们希望获得的转基因植
株中木质素含量显著下降, 或者木质素的组分发生改变
使其更易于脱除, 同时植物的正常生长发育特征不受影
响。迄今为止, 很多研究者已经获得了一些理想的木质
素合成调控的研究结果。如表1所示, 通过抑制C4H、
4CL、CCoAOMT和HCT编码基因的表达, 均可有效降
低木质素总含量; 对F5H编码基因的表达调控虽然不能
有效降低木质素总含量, 但过量表达F5H编码基因可显
著增加S/G比值, 使木质素更易于脱除; 而CAD被抑制
后主要引起羟基肉桂醛等非正常组分大量参与木质素聚
合, 使木质素结构发生显著改变而易于去除。
木质素合成调控研究已开展20多年, 并有多篇综述
总结了该领域的进展, 我们也曾发表了几篇关于木质素
合成与调控的综述。随着生物质能源研究的兴起, 植物
木质素合成调控研究又一次成为资源植物改良的研究热
点, 并且出现了一些新进展。
首先是发现了一些调控木质素合成的转录因子。
Goicoechea等(2005)在桉树(Eucalyptus)中发现一个转
录因子EgMYB2可以与CCR及CAD编码基因启动子
的顺式调控区特异结合。在烟草(Nicotiana tabacum)
中过量表达该基因, 结果次生细胞壁明显增厚, 木质素
的合成发生改变, 相关基因表达水平增加。另一个转录
因子 E g MY B 1 则抑制木质素合成相关基因的表达
(Legay et al., 2007)。Kawaoka等(2006)发现Ntlim1
可以作用于苯丙酸途径中基因表达的调控因子Pal盒, 抑
制烟草中Ntlim1的表达引起了PAL、CAD和4CL基因
表达水平的下降, 导致木质素含量下降约27%。通过调
控木质素合成途径上游调节因子的表达来控制木质素生
物合成, 可能在上游调节了碳代谢的流向, 但目前还缺乏
调控这类调节因子所带来的其它负面效应的研究报道。
其次是木质素聚合过程中相关酶的研究与应用。
木质素单体的脱氢聚合过程是由过氧化物酶(peroxid-
ase)和漆酶(laccase)催化完成的。过氧化物酶是一个
庞大的基因家族, 一些研究者试图寻找与木质素单体聚
合相关的特异过氧化物酶。目前大多数已发现的过氧
化物酶均可有效催化愈创木基木质素的聚合, 但对紫丁
香基木质素聚合的催化活性较弱(Ralph et al., 2004)。
近年来, 一些研究者发现了几种特异催化紫丁香基木质
素聚合的过氧化物酶(Barcelo et al., 2007)。如Sasaki
等(2004)在杨树(Populus alba)中分离纯化了一种具有
高活性催化紫丁香基木质素聚合的过氧化物酶。
Gabaldon等(2005, 2006)从百日草(Zinnia elegans)中
也纯化了类似的 2 个过氧化物酶, 并克隆了其编码基
因。Li等(2003)曾尝试抑制杨树中一种过氧化物酶的表
达, 结果G型木质素含量显著下降, 而S型木质素几乎
没有受到影响。随着研究的深入, 将逐步揭示木质素聚
合过程中的关键酶。对其进行表达调控将拓展植物木
质素合成调控的研究内容, 并可用于资源植物的改良。
3 存在问题与展望
伴随着生物质能源的研究热潮, 植物木质素合成调控重
新受到重视, 并得到较以往更多的关注。由于发育时期
和外界环境均可影响木质素的生物合成, 植物体内的木
质素合成过程远比目前已知的过程复杂, 其中可能还涉
及一些未知的酶或调控基因, 同时原来已知的某些酶的
功能和作用也可能被重新修正。基因组学、蛋白质组
学、芯片技术及其它分析手段的不断进步将越来越完
整地揭示植物体内的木质素代谢途径。一些新的基因,
包括上游的调节基因等也将被用于植物木质素合成调控
中。虽然这种类型的调控机制更为复杂, 还缺乏更精细
的研究, 但不排除未来其得以实际应用的可能。植物木
质素合成调控应用于生物质能源植物改良还存在以下一
些问题。
268 植物学报 44(3) 2009
3.1 对调控木质素合成的转基因植物缺乏整个
生育期的观察和检测分析
植物体内木质素的积累是一个渐进连续的过程。木质
素生物合成途径中酶的表达特征也具有时空特异性。
目前对抑制木质素合成途径中一些关键酶的表达究竟如
何影响木质素在植物体内的积累还缺乏动态的观察和研
究。Patten等(2005)对irx4(CCR)拟南芥(Arabidopsis
thaliana)突变体进行了重新研究, 其结果与以前的报道
(Jones et al., 2001)不同。Patten等对该突变体从苗
期到衰老全生育期进行了木质素组分与茎横切片的组织
化学分析, 认为irx4发育迟缓, 间接影响了木质素合成,
造成木质素含量降低10%-15%, 但在生长后期S/G比
值与野生型无明显差异, 尤其是没有检测到非正常前体
参与木质素的聚合。Patten等认为应该检测目标材料
的全生育期, 而不是局限于一段生育时期来鉴定分析一
个目标基因对木质素生物合成的影响(Pat ten et al.,
2005)。杨树等林木植物是多年生植物, 其正常轮伐期
也需要几年的时间。因此对这些多年生林木进行木质
素合成调控的研究缺乏多年期的观察和检测。
3.2 木质素合成调控与其它次生代谢物的关系
木质素代谢是否与纤维素等其它细胞壁物质的生物合成
发生关联也是值得探索的问题。如Hu等(1999)通过抑
制杨树中4CL的表达, 不仅使木质素含量下降45%, 而
且纤维素含量代偿性增加约 15%。随着研究的深入,
木质素合成调控也将被置于植物次生代谢的整个调控网
络中进行研究, 而不仅局限于木质素本身。如Coleman
等(2007)在杨树中过表达来源于微生物的葡萄糖焦磷酸
化酶(UDP-glucose pyrophosphorylase, UGPase), 结
果可溶性总糖、淀粉与纤维素含量显著增加, 木质素含
量显著下降的同时组分发生改变, 表明该外源基因的表
达造成整个碳代谢在木质素合成的上游发生重新分配,
但转基因植株的正常生长特征也发生改变。是否还可
以找到更多的其它关键酶来调节碳代谢流向, 从而更有
效地调控植物木质素与纤维素的生物合成, 将为资源植
物的改良提供更多的思路和手段。
3.3 其它针对生物质能源植物改良的木质素合
成调控
在生物质能源植物的前期处理中产生大量的乙酸, 会抑
制发酵过程中微生物的生长(Kim and Holtzapple,
2006)。除了纤维多糖在降解过程中产生乙酸外, 木质
素脱除过程中也会产生大量乙酸, 如洋麻( Hib iscus
cannabinus)中50%的木质素单体被乙酰化, 且主要集
中于S型木质素中(Lu and Ralph, 2002; del Rio et al.,
2007)。这些乙酰基可能在木质素降解脱除过程中产生
大量乙酸。目前还没有发现催化木质素单体乙酰化的
酶。如果能够克隆这种酶的编码基因, 则可通过转基因
的手段抑制木质素单体的乙酰化, 从而减少木质素脱除
过程中乙酸的产生, 促进生物质能源植物的利用。
3.4 木质素合成调控的转基因技术发展
随着植物转基因技术的发展, 从利用效率考虑, 可以将多
个有效的目标基因同时转入植物体, 达到多重改良植物
的目的。如Zhong等(1998)和赵华燕等(2002)采用反
义RNA技术同时抑制COMT和CCoAOMT的表达, 结
果发现不仅木质素总含量下降, S型木质素减少得更
多。Li等(2003)则尝试将反义4CL基因和正向表达的
F5H基因同时导入杨树, 结果木质素含量减少 52%,
S/G比值提高64%, 达到了既降低木质素含量, 同时又
改变木质素组分的双重改良效应。
在转基因技术上, 已有的研究仍然多采用反义RNA
技术。新近发展的RNAi技术简单易行, 抑制基因表达
的效率高, 已被广泛应用于真核生物基因功能的研究, 但
是很少应用于植物木质素合成调控的研究中。
Coleman等(2008)利用RNAi技术抑制杨树中C3H的表
达, 结果木质素总含量显著下降, 且伴随着S/G比值的
改变, 表明RNAi技术可有效应用于植物木质素生物合成
的调控中。
3.5 木质素合成调控与生物质能源植物改良的
关系
植物木质素生物合成调控的研究已开展多年, 虽然以前
269李桢等: 植物木质素合成调控与生物质能源利用
多数研究主要是针对制浆造纸或牧草品质的改良, 但其
中多种植物也是将来可利用的生物质能源植物, 可提供
大量的木质纤维材料。如Chen和Dixon (2007)分别利
用C4H、HCT、C3H、CCoAOMT、F5H和COMT
表达被抑制的苜蓿进行生物转化实验, 结果表明木质素
含量与前期酸处理的效率直接相关, 含量越低越有利, 而
木质素组分的影响则非常有限。Chen和Dixon (2007)
的研究还证明木质素是细胞壁物质进行糖化过程中最重
要的限制因子, 尤其在酶促反应过程中更为重要, 且木质
素含量降低还可促进半纤维素的酶促降解。
目前利用木质纤维生产燃料乙醇的技术还远未成熟
和实用化, 还缺乏将这些转基因植物应用于燃料乙醇发
酵的精细实验结果。今后的研究方向可以集中在将已
获得的转基因植物, 包括杨树、桉树及一些牧草植物等
用于燃料乙醇的发酵实验, 得到准确的数据, 再用于指导
生物质能源植物的转基因改良研究。可以预期木质素
合成调控的转基因研究将产生一批更符合人类生产活动
要求的新型植物, 在造纸资源树种和生物质能源植物改
良及环境保护等问题上发挥重要作用。
参考文献
田春龙, 郭斌, 刘春朝 (2005). 能源植物研究现状和展望. 生物加
工过程 3, 15-16.
赵华燕, 魏建华, 宋艳茹 (2004). 木质素生物合成及其基因工程研
究进展. 植物生理与分子生物学学报 30, 361-370.
赵华燕, 魏建华, 张景昱, 宋艳茹 (2002). 抑制COMT与CCoAOMT
调控植物木质素的生物合成. 科学通报 47, 604-607.
Anterola AM, Lewis NG (2002). Trends in lignin modification: a
comprehensive analysis of the effects of genetic manipula-
ti ons/mutations on lignifi cati on and vascular integrity.
Phytochemistry 61, 221-294.
Barcelo AR, Ros LV, Carrasco AE (2007). Looking for syringyl
peroxidases. Trends Plant Sci 12, 486-491.
Baucher M, Monties B, van Montagu M, Boerjan W (1998).
Biosynthesis and genetic engineering of lignin. CRC Crit Rev
Plant Sci 17, 125-197.
Baucher M, Halpin C, Petit-Conil M, Boerjan W (2003). Lignin:
genetic engineering and impact on pulping. Crit Rev Biochem
Mol Biol 38, 305-350.
Blee K, Choi JW, O’connell AP, Jupe SC, Schuch W, Lewis
NG, Bolwell GP (2001). Antisense and sense expression of
cDNA coding for CYP73A15, a c lass II ci nnamate 4-
hydroxylase, leads to a delayed and reduced production of
lignin in tobacco. Phytochemistry 57, 1159-1166.
Blount JW, Korth KL, Masoud SA, Rasmussen S, Lamb C,
Dixon RA (2000). Altering expression of cinnamic acid 4-
hydroxylase in transgenic plants provides evidence for a feed-
back loop at the entry point into the phenylpropanoid. Plant
Physiol 22, 107-116.
Boerjan W, Ralph J, Baucher M (2003). Lignin biosynthesis.
Annu Rev Plant Biol 54, 519-546.
Chabannes M, Barakate A, Lapierre C, Marita JM, Ralph J,
Danoun S, Halpin C, Grima-Pettenati J, Boudet AM (2001).
Strong decrease in lignin content without significant alteration
of plant development is induced by simultaneous down-regu-
lation of cinnamoyl CoA reductase (CCR) and cinnamyl alcohol
dehydrogenase (CAD) in tobacco plants. Plant J 28, 257-
270.
Chen F, Dixon RA (2007). Lignin modification improves ferment-
able sugar yields for biofuel production. Nat Biotechnol 25,
746-748.
Coleman HD, Canam T, Kang KY, Ellis DD, Mansfield SD
(2007). Over-expression of UDP-glucose pyrophosphorylase
in hybrid poplar affects carbon allocation. J Exp Bot 58, 4257-
4268.
Coleman HD, Park JY, Nair R, Chapple C, Mansfield SD
(2008). RNAi-mediated suppression of p-coumaroyl-CoA 3-
hydroxylase in hybrid poplar impacts lignin deposition and
soluble secondary metabolism. Proc Natl Acad Sci USA 105,
4501-4506.
del Rio JC, Marques G, Rencoret J, Martinez AT, Gutierrez
A (2007). Occurrence of naturally acetylated lignin units. J
Agric Food Chem 55, 5461-5468.
Franke R, McMichael CM, Meyer K, Shirley AM, Cusumano
JC, Chapple C (2000). Modified lignin in tobacco and poplar
plants over-expressing the Arabidopsis gene encoding ferulate
5-hydroxylase. Plant J 22, 223-234.
Gabaldon C, Lopez-Serrano M, Pedreno MA, Barcelo AR
(2005). Cloning and molecular characterization of the basic
270 植物学报 44(3) 2009
peroxidase isoenzyme from Zinnia elegans , an enzyme in-
volved in lignin biosynthesis. Plant Physiol 139, 1138-1154.
Gabaldon C, Lopez-Serrano M, Pomar F, Merino F (2006).
Characterization of the last step of lignin biosynthesis in Zin-
nia elegans suspension cell cultures. FEBS Lett 580, 4311-
4316.
Goicoechea M, Lacombe E, Legay S, Mihaljevic S (2005).
EgMYB2, a new transcriptional activator from Eucalyptus
xylem, regulates secondary cell wall formation and lignin
biosynthesis. Plant J 43, 553-567.
Guo D, Chen F, Inoue K, Blount JW , Dixon RA (2001).
Downregulation of caffeic acid 3-O-methyltransferase and
caffeoyl CoA 3-O-methyltransferase in transgenic alfalfa: im-
pacts on lignin structure and implications for the biosynthesis
of G and S lignin. Plant Cell 13, 73-88.
Himmel ME, Ding SY, Johnson DK, Adney WS, Nimlos MR,
Brady JW, Foust TD (2007). Biomass recalcitrance: engi-
neering plants and enzymes for biofuels production. Science
315, 804-804.
Hu WJ, Harding SA, Lung J, Popko JL, Ralph J, Stokke DD,
Tsai CJ, Chiang VL (1999). Repression of lignin biosynthe-
sis promotes cellulose accumulation and growth in transgenic
trees. Nat Biotechnol 7, 808-812.
Huntley SK, Ellis D, Gilbert M, Chapple C, Mansfield SD
(2003). Significant increases in pulping efficiency in C4H-F5H-
transformed poplars: improved chemical savings and reduced
environmental toxins. J Agric Food Chem 51, 6178-6183.
Jones L, Ennos AR, Turner SR (2001). Cloning and character-
ization of irregular xylem4 (irx4): a severely lignin-deficient
mutant of Arabidopsis. Plant J 26, 205-216.
Jouanin L, Goujon T, de NadaÏ V, Martin MT, Mila I, Vallet C,
Pollet B, Yoshinaga A, Chabbert B, Pet it -Conil M,
Lapierre C (2000). Lignification in transgenic poplars with
extremely reduced caffeic acid O-methyltransferase activity.
Plant Physiol 123, 1363-1374.
Kajita S, Ishifuji M, Ougiya H, Hara S, Kawabata H, Morohoshi
N, Katayama Y (2002). Improvement in pulping and bleaching
properties of xylem from transgenic tobacco plants. J Sci
Food Agric 82, 1216-1223.
Kawaoka A, Nanto K, Ishii K, Ebinuma H (2006). Reduction of
lignin content by suppression of expression of the LIM domain
transcription factor in Eucalyptus camaldulensis. Silvae Genet
55, 269-277.
Kim S, Holtzapple MT (2006). Effect of structural features on
enzyme digestibility of corn stover. Bioresour Technol 97,
583-591.
Lapierre C, Pollet B, Petit-Conil M, Toval G, Romero J, Pilate
G, Leple JC, Boerjan W, Ferret VV, de Nadai V, Jouanin
L (1999). Structural alterations of lignins in transgenic poplars
with depressed cinnamyl alcohol dehydrogenase or caffeic
acid O-methyltransferase activity have an opposite impact on
the efficiency of industrial kraft pulping. Plant Physiol 119,
153-164.
Lee D, Meyer K, Chapple C, Douglas CJ (1997). Antisense
suppression of 4-coumarate: coenzyme A ligase activity in
Arabidopsis leads to altered lignin subunit composition. Plant
Cell 9, 1985-1998.
Legay S, Lacombe E, Goicoechea M, Brière C, Séguin A,
Mackay J, Grima-Pettenati J (2007). Molecular character-
ization of EgMYB1, a putative transcriptional repressor of the
lignin biosynthetic pathway. Plant Sci 173, 542-549.
Leplé JC, Dauwe R, Morreel K, Storme V, Lapierre C, Pollet
B, Naumann A, Kang KY, Kim H, Ruel K, Lefèbvre A,
Joseleau JP, Grima-Pettenati J, de Rycke R, Andersson-
Gunnerås S, Erban A, Fehrle I, Petit-Conil M, Kopka J,
Polle A, Messens E, Sundberg B, Mansfield SD, Ralph J,
Pilate G, Boerjan W (2007). Downregulation of cinnamoyl-
coenzyme A reductase in poplar: multiple-level phenotyping
reveals effects on cell wall polymer metabolism and structure.
Plant Cell 19, 3669-3691.
Lewis NG, Yamamoto E (1990). Lignin: occurrence, biogenesis
and biodegradation. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 41,
455-496.
Li L, Zhou Y, Cheng X, Sun JY, Marita JM, Ralph J, Chiang
VL (2003). Combinatorial modification of multiple lignin traits in
trees through multigene cotransformation. Proc Natl Acad Sci
USA 100, 4939-4944.
Lu F, Ralph J (2002). Preliminary evidence for sinapyl acetate as
a lignin monomer in kenaf. Chem Commun (Camb), 90-91.
Marita JM, Ralph J, Hatfield RD, Chapple C (1999). NMR char-
acterization of lignins in Arabidopsis altered in the activity of
ferulate 5-hydroxylase. Proc Natl Acad Sci USA 96, 12328-
271李桢等: 植物木质素合成调控与生物质能源利用
12332.
Marita JM, Ralph J, Hatfield RD, Guo D, Chen F, Dixon RA
(2003). Structural and compositional modifications in lignin of
tr ansgenic alfalfa down-regulated in c aff eic acid 3-O-
methyltransferase and caffeoyl coenzyme A 3-O-methyltrans-
ferase. Phytochemistry 62, 53-65.
Meyermans H, Morreel K, Lapierre C, Pollet B, de Bruyn A,
Busson R, Herdewijn P, Devreese B, van Beeumen J,
Marita JM, Ralph J, Chen C, Burggraeve B, van Montagu
M, Messens E, Boerjan W (2000). Modifications in lignin
and accumulation of phenolic glucosides in poplar xylem upon
down-regulation of caffeoyl-coenzyme A O-methyltransferase,
an enzyme involved in lignin biosynthesis. J Biol Chem 275,
36899-36909.
Patten AM, Cardenas CL, Cochrane FC, Laskar DD (2005).
Reassessment of effects on lignification and vascular devel-
opment in the irx4 Arabidopsis mutant. Phytochemistry 66,
2092-2107.
Pilate G, Guiney E, Holt K, Petit-Conil M, Lapierre C, Leple
JC, Pollet B, Mila I, Webster EA, Marstorp HG, Hopkins
DW, Jouanin L, Boerjan W, Schuch W, Cornu D, Halpin C
(2002). Field and pulping performances of transgenic trees
with altered lignification. Nat Biotechnol 20, 607-612.
Piquemal J, Lapierre C, Myton K, O’connell A, Schuch W,
Grima-pettenati J, Boudet AM (1998). Down-regulation of
cinnamoyl-CoA reductase induces significant changes of lig-
nin profiles in transgenic tobacco plants. Plant J 13, 71-83.
Prins MJ, Ptasinski KJ, Janssen FJJG (2004). Exergetic
optimisation of a production process of Fischer-Tropsch fuels
from biomass. Fuel Proc Technol 86, 375-389.
Ralph J, Hatfield RD, Piquemal J, Yahiaoui N, Pean M, Lapierre
C, Boudet AM (1998). NMR characterization of altered lignins
extracted from tobacco plants down-regulated for lignification
enzymes cinnamylalcohol dehydrogenase and cinnamoyl-CoA
reductase. Proc Natl Acad Sci USA 95, 12803-12808.
Ralph J, Lundquist K, Brunow G, Lu F (2004). Lignins: natural
polymers from oxidative coupling of 4-hydroxy phenylpr-
opanoids. Phytochem Rev 3, 29-60.
Reddy MSS, Chen F, Shadle G, Jackson L (2005). Targeted
down-regulation of cytochrome P450 enzymes for forage
quality improvement in alfalfa (Medicago sativa L.). Proc Natl
Acad Sci USA 102, 16573-16578.
Sasaki S, Nishida T, Tsutsumi Y, Kondo R (2004). Lignin
dehydrogenative polymerization mechanism: a poplar cell wall
peroxidase directly oxidizes polymer lignin and produces in
vitro dehydrogenative polymer rich in beta-O-4 linkage. FEBS
Lett 562, 197-201.
Sederoff RR, Mackay JJ, Ralph J (1999). Unexpected variation
in lignin. Curr Opin Plant Biol 2, 145-152.
Sewalt VJH, Ni W, Blount JW (1997). Reduced lignin content
and altered lignin composition in transgenic tobacco down-
regulated in expression of L-phenylalanine ammonia lyase or
cinnamate 4-hydrelase. Plant Physiol 115, 41-50.
Vanholme R, Morreel K, Ralph J, Boerjan W (2008). Lignin
engineering. Curr Opin Plant Biol 11, 278-285.
Wagner A, Ralph J, Akiyama T, Flint H, Phillips L, Torr K,
Nanayakkara B, Te Kiri L (2007). Exploring lignification in
conifer s by silencing hydroxycinnamoyl-CoA: shikimate
hydroxycinnamoyltransferase in Pinus radiata. Proc Natl Acad
Sci USA 104, 11856-11861.
Wei JH, Zhao HY, Zhang JY, Liu HR, Song YR (2001). Cloning
of cDNA encoding CCoAOMT from Populus tomentosa and
down-regulation of lignin content in transgenic plant express-
ing antisense gene. Acta Bot Sin 43, 1179-1183.
Yang B, Wyman CE (2004). Effect of xylan and lignin removal by
batch and flowthrough pretreatment on the enzymatic digest-
ibility of corn stover cellulose. Biotechnol Bioeng 86, 88-95.
Zhong R, Morrison WH III, Negrel J, Ye ZH (1998). Dual me-
thylation pathways in lignin biosynthesis. Plant Cell 10, 2033-
2045.
Zhong R, Morrison WH III, Himmelsbach DS, Poole FL, Ye
ZH (2000). Essenti al role of caffeoy l c oenzy me A O-
methyltransferase in lignin biosynthesis in woody poplar plants.
Plant Physiol 124, 563-577.
272 植物学报 44(3) 2009
Lignin Biosynthesis and Manipulation in Plants and Utilization of
Biomass Energy
Zhen Li1, 2, Hongzhi Wang2, Ruifen Li2, Jianhua Wei2*
1Capital Normal University, Bei j ing 100037, China; 2Beij ing Agro-Biotechnology Research Center, Bei j ing 100097, China
Abstract Much progress has been made in manipulation of lignin biosynthesis for improving paper-making wood and quality of
forage grass in past decades. With the development of processing lignocellulosic biomass to biofuel, the lignin manipulation has
attracted more research recently. This paper briefly summarizes the status of the application of biofuels and reviews the progress
in lignin manipulation against the restriction of lignin in lignocellulosic biofuel production. It also addresses future trends in research
and applications and future prospects in application of lignin manipulation in biofuel production.
Key words biofuel, fermentation, lignin, lignocellulosic biomass, manipulation of biosynthesis
Li Z, Wang HZ, Li RF, Wei JH (2009). Lignin biosynthesis and manipulation in plants and uti lization of biomass energy. Chin Bull Bot
44, 262-272.
* Author for correspondence. E-mail: weijianhua@baafs.net.cn
(责任编辑: 刘慧君)