出品：科普中國

作者：姬俏俏（農(nóng)學(xué)博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

在農(nóng)作物界，有這樣一位“逆境斗士”——它能忍受干旱的煎熬、高溫的炙烤，甚至在貧瘠的鹽堿地上也能茁壯成長。這就是高粱，全球第五大禾谷類作物。而它的近親——甜高粱，除了具有以上優(yōu)點(diǎn)外，還是一種含糖量高、能做飼料和能源的作物，在推動畜牧業(yè)發(fā)展和土地資源高效利用方面潛力巨大。

然而，一個棘手的難題阻礙了它的崛起——甜高粱秸稈中頑固的木質(zhì)纖維素就像一道銅墻鐵壁，讓反芻動物難以消化吸收。所以，攻破這道天然屏障，才能進(jìn)一步釋放甜高粱的全部潛力。

近期，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員謝旗團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域取得了突破性成果——他們給甜高粱做了一次“基因改造手術(shù)”，目的是讓它的秸稈（主要成分是木質(zhì)纖維素）更容易被食草動物消化吸收，成為更好的飼料。這場手術(shù)的關(guān)鍵在于操控“手術(shù)刀”內(nèi)切-1,4-β-木聚糖酶，給甜高粱的木聚糖進(jìn)行手術(shù)改造。

木質(zhì)纖維素：動物消化難題的源頭

首先，讓我們先來認(rèn)識一下這個需要攻克的“對手”，即“基因改造手術(shù)”需要對抗的木質(zhì)纖維素究竟是什么呢？植物的莖、枝、桿之所以堅(jiān)硬，主要是靠三種物種支撐：纖維素（像堅(jiān)韌的麻繩）、半纖維素（像粘稠的膠水和網(wǎng)狀支架）、木質(zhì)素（像硬化的水泥）。這三者緊密結(jié)合形成的超級結(jié)構(gòu)，就是木質(zhì)纖維素。

木質(zhì)纖維素的分布十分廣泛：農(nóng)作物收獲后剩下的秸稈（玉米稈、麥稈、稻稈）、木材加工的木屑、專門種植的能源草（如甜高粱、柳枝稷），甚至城市里的廢紙廢木都是木質(zhì)纖維素！它們年年生長，取之不盡，屬于可再生資源。

作為一種重要的生物質(zhì)資源，木質(zhì)纖維素在我們的生活中扮演著多重角色。它是造紙領(lǐng)域最主要的原料，報(bào)紙、書本、紙箱、衛(wèi)生紙等的生產(chǎn)都離不開它。其次，它也是理想的生物燃料原材料，木質(zhì)纖維素經(jīng)過分解轉(zhuǎn)化處理可生成酒精（清潔能源）。除此之外，木質(zhì)纖維素還可以做成可降解塑料、環(huán)保建材、紡織纖維等。

在畜牧業(yè)中，草料（主要成分為木質(zhì)纖維素）是牛、羊等反芻動物的主要飼料，但食草動物們對木質(zhì)纖維素的消化效率并不高，如果能提高牲口對木質(zhì)纖維素的消化率，就可以用更少的飼料喂養(yǎng)更多的家畜。

驚喜發(fā)現(xiàn)：天然突變體M19打開新思路

令人欣慰的是，研究人員發(fā)現(xiàn)了一株甜高粱天然突變體M19，這為解決木質(zhì)纖維素消化率難題帶來了轉(zhuǎn)機(jī)。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，突變體M19中，一個負(fù)責(zé)生產(chǎn)“木聚糖剪刀”（內(nèi)切-1,4-β-木聚糖酶）的基因SbXyl發(fā)生了突變并失效（無義突變，產(chǎn)生無功能的截短蛋白）。這一突變帶來了連鎖反應(yīng)：因?yàn)椤凹舻丁眽牧?，植物體內(nèi)正常的木聚糖代謝和細(xì)胞壁（尤其是輸送水分的維管組織）發(fā)育受影響，導(dǎo)致植株矮小、葉子卷曲、運(yùn)輸水分能力差、產(chǎn)量（生物量）低。

野生型甜高粱E048（左）與突變型M19（右）植株對比

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

然而，這個看似不利的突變卻帶來了意想不到的收獲——突變體M19細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)被破壞了（更松散了），里面的木質(zhì)纖維素反而變得更容易被消化酶分解了！無論是直接將它喂食給牲口，還是經(jīng)過密封、發(fā)酵做成青貯飼料（比新鮮飼料耐儲存，營養(yǎng)成分又高于干飼料），其消化率都顯著提高了7.7%-20.1%。

這就形成了一個有趣的對比：對植株個體而言，這個突變不利于其生長發(fā)育，但作為飼料來說，卻是個巨大的優(yōu)勢！

給植株做“基因手術(shù)”：兼顧“高產(chǎn)”與“易消化”

不過，要將這一驚喜的發(fā)現(xiàn)變?yōu)楦咝У慕鉀Q方法，還面臨著新的難題：突變體M19雖然飼料質(zhì)量好（易消化），但產(chǎn)量太低（植株矮?。?，無法應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。為此，研究人員設(shè)定了一個雙重目標(biāo)：既要讓植株能正常生長（主要是恢復(fù)維管組織正常發(fā)育和水分運(yùn)輸能力），又要保留飼料易消化的優(yōu)點(diǎn)（細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)松散）。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員采取了以下創(chuàng)新策略：

**Step 1：**找到一個只在維管組織（負(fù)責(zé)運(yùn)輸水分養(yǎng)分的管道系統(tǒng)）里工作的“開關(guān)”（啟動子，來自基因:Sobic.007G003000），能確保它所控制的基因只在需要的地方（維管組織）被激活；

野生植株E048的SbXyl基因示意圖及其在突變體M19中突變位點(diǎn)（C到T）

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

**Step 2：**用找到的“開關(guān)”去控制“木聚糖剪刀”基因（SbXyl）的表達(dá)。通過這種設(shè)計(jì)，SbXyl基因的表達(dá)被嚴(yán)格限制在維管組織內(nèi)。

**Step 3：**把組裝好的基因構(gòu)件（pSbNAC::SbXyl）通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)放回M19突變體里。

維管組織特異性互補(bǔ)策略示意圖模型

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

在上圖示意模型中，野生型E048（圖左植株）表現(xiàn)出正常的維管束（VB）形態(tài)，導(dǎo)致正常的生物量和木質(zhì)纖維素特性。具有SbXyl功能喪失的M19突變體（圖中間植株）顯示維管束面積減小、纖維細(xì)胞次生細(xì)胞壁（SCW）變薄、生物量減少，但木質(zhì)纖維素消化率更高。維管組織特異性互補(bǔ)（VSC）株（圖右植株）系挽救了生長缺陷，同時保留了M19改善的木質(zhì)纖維素品質(zhì)。

在溫室中培育后，結(jié)果顯示經(jīng)過維管組織特意性互補(bǔ)（VSC）的植株達(dá)到了研究人員的雙重目標(biāo)。

一方面，VSC植株維管束發(fā)育正常，水分運(yùn)輸恢復(fù)，植株長高，并且產(chǎn)量恢復(fù)到正常水平。

溫室中生長的野生型甜高粱（E048）、突變體（M19）和維管組織特異性互補(bǔ)（VSC）株系植株的生長狀態(tài)

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

另一方面，在顯微鏡下觀察不同植株的莖維管和纖維細(xì)胞形態(tài)，可見VSC株系維管區(qū)域恢復(fù)至野生型大小，但線條仍較薄，表明其生長恢復(fù)但細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)依然保持著M19變異植株松散、易消化的狀態(tài)！

莖維管和纖維細(xì)胞的形態(tài)觀察。橙色圓圈指示維管區(qū)域，橙色線條指示次生細(xì)胞壁。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

從飼料到能源：“精準(zhǔn)定位改造”技術(shù)前景廣闊

研究團(tuán)隊(duì)成功培育出既高產(chǎn)又易消化的甜高粱新材料（VSC株系），實(shí)現(xiàn)了功能（高產(chǎn)）和特性（易消化）的完美平衡。這對于畜牧業(yè)意義重大，意味著可以用更少的土地和飼料資源，生產(chǎn)出更多的肉、奶等畜產(chǎn)品。

此外，這種“精準(zhǔn)定位改造”（只在特定組織表達(dá)特定基因）的策略非常巧妙，它避免了在整株植物里過度表達(dá)木聚糖酶可能帶來的全面崩潰（像M19那樣矮?。?，潛在應(yīng)用廣。利用這個思路，不僅可改善甜高粱、玉米等飼料作物的飼用價(jià)值，未來也可能應(yīng)用于改造柳枝稷等能源作物，使其生物質(zhì)更容易被轉(zhuǎn)化成生物燃料，提高生物能源的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性。

總體而言，研究團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)創(chuàng)新策略為解決木質(zhì)纖維素“頑固性”這一世界性難題提供了一個極具前景的、可持續(xù)的解決方案。未來，隨著基因編輯技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們或?qū)⒁娮C更多突破性作物的誕生，真正實(shí)現(xiàn)“優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)”與“資源高效”的雙贏局面。

參考文獻(xiàn)：

[1]Ge, Fengyong, et al. “Vascular tissue-specific expression of an endo-1, 4-β-xylanase enhances forage efficacy of sweet sorghum silage.” Molecular Plant (2025).

來源: 中國科普博覽

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