我國作物秸稈資源豐富，每年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的各類秸稈高達(dá)7億多噸。因此提高秸稈資源的利用效率在促進(jìn)農(nóng)民增收、保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源等方面均具有重要的意義。作物秸稈富含纖維素和半纖維素等具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的多糖，然而由于木質(zhì)素的存在嚴(yán)重制約了該類生物質(zhì)資源在生物能源、造紙和牧草飼料等工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的高效利用，從而導(dǎo)致資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。玉米棕色葉脈突變體（bm）是一類木質(zhì)素累積發(fā)生改變的重要種質(zhì)資源，從發(fā)現(xiàn)至今已有95年歷史。玉米bm突變體的研究歷史悠久、代表性強(qiáng)且商業(yè)化利用價(jià)值高，是木質(zhì)素遺傳改良和綜合利用領(lǐng)域的“明星”材料。迄今為止發(fā)現(xiàn)的玉米天然bm突變體總共有六種，分別命名為bm1-bm6。其中，bm1-4已經(jīng)被鑒定為木質(zhì)素自身合成途徑及植物一碳代謝途徑的關(guān)鍵酶基因，并且部分突變體由于具有較高的秸稈利用率，已被用于商業(yè)化青貯玉米新品種的培育，獲得了巨大的商業(yè)收益。而玉米bm5和bm6的突變基因多年來一直未能成功破譯，成為本領(lǐng)域國內(nèi)外科研競爭的焦點(diǎn)。
青島能源所付春祥研究員帶領(lǐng)的能源作物分子育種研究組長期致力于單子葉植物木質(zhì)素代謝調(diào)控的研究。該研究組繼2018年成功闡明了玉米bm2基因?qū)δ举|(zhì)素甲基化單體合成的影響之后，近期又完成了玉米bm5天然突變體的鑒定工作，于近期在線發(fā)表于生物工程與技術(shù)領(lǐng)域權(quán)威期刊Biotechnology for Biofuels。
圖1 玉米bm5天然突變體的鑒定
該研究綜合利用了基因定位、酶活性分析和代謝物鑒定等技術(shù)，率先發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素合成途徑的關(guān)鍵酶基因4CL1是玉米bm5的突變位點(diǎn)。進(jìn)一步，該工作還闡明了bm5基因突變對(duì)木質(zhì)素含量、單體組分以及可溶性酚酸累積的影響，并發(fā)現(xiàn)bm5突變體的牧草消化率和細(xì)胞壁糖化效率比對(duì)照株系分別增加了22.0%和17.6%。這一研究結(jié)果填補(bǔ)了玉米bm天然突變體鑒定領(lǐng)域的又一空缺，同時(shí)也為今后通過分子設(shè)計(jì)培育高秸稈利用率的經(jīng)濟(jì)作物提供了新的靶標(biāo)。青島能源所熊王丹博士和吳振映博士為該論文的共同第一作者，付春祥研究員為論文的通訊作者。該研究獲得了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目等支持。（文/圖 吳振映）
相關(guān)論文發(fā)表與專利申請(qǐng)：
1、Xiong W#, Wu Z#, Liu Y, Li Y, Su K, Bai Z, Guo S, Hu Z, Zhang Z, Bao Y, Sun J, Yang G and Fu C*. (2019). Mutation of 4-coumarate: coenzyme A ligase 1 gene affects lignin biosynthesis and increases the cell wall digestibility in maize brown midrib5 mutants. Biotechenology for Biofuels, 12: 82. doi: 10.1186/s13068-019-1421-z.
2、付春祥，吳振映，熊王丹，劉雨辰，李玉，蘇昆龍，姜珊珊。玉米brown midrib5（bm5）突變體的突變基因鑒定、變異及其分子標(biāo)記物。中國，專利號(hào)：CN 201910033779.X。
