ブラシノステロイド過剰生産は、リグノセルロースの量と品質を改善して、トランスジェニックポプラの緑色のバイオマスプロセスの下でバイオエタノール収量を最大化する

背景：主要なバイオマス原料として、ポプラ植物は、バイオ燃料と生体化学用の膨大なリグノセルロース資源を転換可能にします。しかし、特に木材植物におけるリグノセルロースの再発生は、基本的に、環境に対する二次汚染の可能性を伴う商業マーケティングに受け入れられない費用のかかるバイオエタノール生産を引き起こします。したがって、植物細胞壁の遺伝的修飾により、リグノセルロースの再発生を減らし、木質植物の高度なバイオマスプロセス技術を確立するために重要になります。植物特異的なステロイドホルモンであるブラシノステロイドは、バイオマス生産のための植物の成長と発達に関与すると考えられていますが、植物細胞壁のアセンブリと修飾におけるブラシノステロイドの役割についてはほとんど報告されていません。この研究では、ブラシノステロイドの過剰生産のためにdeetiolated2遺伝子を過剰発現させるトランスジェニックポプラ植物を生成しました。次に、細胞壁の特徴の変化を検出し、さまざまな化学的前処理の下でのバイオエタノール産生のバイオマス酵素糖化を調べました。 結果：野生型と比較して、Ptodet2は過剰発現したトランスジェニック植物には、はるかに高いブラシノステロイドレベルが含まれていました。トランスジェニックポプラーは、木部の発達と細胞壁ポリマーの沈着を増加させることにより、植物の成長率とバイオマス収量が大幅に向上しました。一方、トランスジェニック植物は、セルロース結晶指数の低下や重合値の程度やヘミセルロースキシロース/アラビノース比の減少など、リグノセルロースの特徴を大幅に改善し、バイオマスの多孔性とアクセシビリティを高め、バイオマス酵素嚢胞化とビオエタノールの収量で統合された増強をもたらしました。前処理。対照的に、Ptodet2のCRISPR/Cas9生成された変異は、野生型と比較して、バイオマスの糖化とバイオエタノール収量の減少について、ブラシノステロイドレベルが有意に低いことを示しました。特に、最適な緑色のような前処理は、トランスジェニック植物での効果的なリグニン抽出により、最高のバイオエタノール収量を達成することさえできます。したがって、この研究では、ブラシノステロイドがリグノセルロースの減少のために細胞壁修飾を調節する方法を解明する機械的モデルを提案し、バイオマスの多孔性と高バイオエタノール産生のアクセシビリティを増加させました。 結論：この研究は、トランスジェニックポプラ植物のリグノセルロースの再計算を減らすためのブラシノステロイド生合成を調節することにより、セルロースのバイオエタノール産生を強化する強力な戦略を実証しました。また、ポプラおよびそれ以降のバイオマスの前処理と酵素の糖化のための緑のようなプロセスも提供しています。

BACKGROUND: As a leading biomass feedstock, poplar plants provide enormous lignocellulose resource convertible for biofuels and bio-chemicals. However, lignocellulose recalcitrance particularly in wood plants, basically causes a costly bioethanol production unacceptable for commercial marketing with potential secondary pollution to the environment. Therefore, it becomes important to reduce lignocellulose recalcitrance by genetic modification of plant cell walls, and meanwhile to establish advanced biomass process technology in woody plants. Brassinosteroids, plant-specific steroid hormones, are considered to participate in plant growth and development for biomass production, but little has been reported about brassinosteroids roles in plant cell wall assembly and modification. In this study, we generated transgenic poplar plant that overexpressed DEETIOLATED2 gene for brassinosteroids overproduction. We then detected cell wall feature alteration and examined biomass enzymatic saccharification for bioethanol production under various chemical pretreatments. RESULTS: Compared with wild type, the PtoDET2 overexpressed transgenic plants contained much higher brassinosteroids levels. The transgenic poplar also exhibited significantly enhanced plant growth rate and biomass yield by increasing xylem development and cell wall polymer deposition. Meanwhile, the transgenic plants showed significantly improved lignocellulose features such as reduced cellulose crystalline index and degree of polymerization values and decreased hemicellulose xylose/arabinose ratio for raised biomass porosity and accessibility, which led to integrated enhancement on biomass enzymatic saccharification and bioethanol yield under various chemical pretreatments. In contrast, the CRISPR/Cas9-generated mutation of PtoDET2 showed significantly lower brassinosteroids level for reduced biomass saccharification and bioethanol yield, compared to the wild type. Notably, the optimal green-like pretreatment could even achieve the highest bioethanol yield by effective lignin extraction in the transgenic plant. Hence, this study proposed a mechanistic model elucidating how brassinosteroid regulates cell wall modification for reduced lignocellulose recalcitrance and increased biomass porosity and accessibility for high bioethanol production. CONCLUSIONS: This study has demonstrated a powerful strategy to enhance cellulosic bioethanol production by regulating brassinosteroid biosynthesis for reducing lignocellulose recalcitrance in the transgenic poplar plants. It has also provided a green-like process for biomass pretreatment and enzymatic saccharification in poplar and beyond.