研究解决的核心问题：木质素改造的"两难"

木质素是植物次生细胞壁的主要成分，赋予茎干机械支撑和疏水性，但也是木材生物炼制过程中阻碍纤维素酶解的关键“抗降解屏障”。长期以来，通过基因工程降低木质素含量或改变其组成，往往伴随生长受阻、导管塌陷、生物量下降等不利因素，是林木分子育种领域长期面临的难题。

传统策略通常需要多次转化：先获得木质素合成基因的敲除株系，再通过组织特异性启动子回补该基因，以恢复维管系统功能。这一过程在多年生木本植物中周期长、效率低。因此，如何在单次转化中同时实现“降低木质素”与“正常生长”，是林木木质素工程亟待解决的核心问题。

研究的思路设计：一步法敲除回补载体

研究团队以杨树肉桂酸-3-羟化酶基因C3H3为靶点。C3H3是木质素G/S单体合成通路中的关键酶，完全敲除会导致木质素严重缺陷和植株矮化。

研究团队在载体设计上进行了巧妙整合：在利用CRISPR/Cas9敲除C3H3的同一载体上，串联了一个由导管特异性启动子XCP1p-355mini驱动的C3H3回补表达盒。这样，一次转化即可获得c3h3敲除背景，同时在导管细胞中恢复C3H3功能，既降低整体木质素，又维持导管特异性功能。

图a 一步法敲除回补载体构建策略

研究获得了三个回补水平不同的株系（C3H3-H、C3H3-M、C3H3-L），并对其表型、木质素组成、糖化效率及纤维形态进行了系统分析。

实验结果一：表型梯度恢复与木质素重塑

表型分析显示，c3h3突变体导管严重塌陷，C3H3-L与C3H3-M仍保留中度变形，而C3H3-H的导管形态接近野生型，呈现梯度恢复。

图c–f，植株形态与导管结构。c，4月龄植株形态；d–e，木质部宽度表型及定量；f，导管形态染色与电镜观察

HSQC NMR分析表明，所有C3H3-KC株系的H型单体丰度大幅升高（37.8%–61.7%，野生型<0.5%），同时酯键连接的对羟基苯甲酸酯（pBz）增加，提示木质素酰化模式和芳香族代谢流向发生重塑。ABSL（Acetyl Bromide Soluble Lignin）与GC-MS证实，突变体和各回补株系总木质素均显著低于野生型，同时保持较高的H单体比例。其中C3H3-H株系木质素含量恢复最强，同时保留高H单体比例和接近野生型的S/G比。

图g–i 木质素组成分析。g，HSQC NMR图谱分析；h–i，总木质素含量及单体组成

实验结果二：糖化效率提升与生物量平衡

H单体升高通常与纤维素释放正相关。糖化效率实验显示，所有C3H3-KC株系的糖化效率均显著提高。其中C3H3-L株系糖化效率最高，而C3H3-H株系在糖化效率与生物量生产力之间实现了最佳平衡，单株可释放糖产量达到野生型的两倍。

图j–k 糖化效率与单株可释放糖产量。j，糖化效率；k，相对可释放糖产量

纤维形态分析进一步表明，C3H3-H株系的纤维形态基本恢复到野生型水平，仅在纤维宽度和长宽比上存在微小但统计学显著的差异。

图l 纤维长度分布

研究意义

该研究首次在多年生木本植物中验证了一步法敲除回补框架的可行性：单次转化、单代即可获得表型稳定的木质素改造株系，大幅缩短了林木木质素工程的时间周期。所得C3H3-H株系兼具提高的糖化效率、增强的单株糖产量且维持正常生长，为生物能源与制浆应用的林木分子育种提供了实用、可扩展的技术框架。

未来启示

一步法敲除回补策略可在单次转化中实现木质素降低与生物量维持的同步优化，为多年生林木的精准分子育种提供了高效路径。未来在杨树及其他能源树种中，该策略有望加速木质素可调控种质的创制与推广。

作者信息

东北林业大学林学院博士生汤珣为论文的第一作者，博士生张佳幸为共同第一作者。东北林业大学林学院哈斯教授为该研究工作的通讯作者。该工作中NMR检测部分得到了中国科学院分子植物科学卓越创新中心赵运军研究员团队的鼎力支持。该研究得到国家自然科学基金（32201580）、中央高校基本科研业务费专项资金（2572025JT02）以及林木遗传育种国家重点实验室创新项目（2024A04）的资助。

论文信息

A One-Step Strategy Achieves Lignin Reduction Without Biomass Penalty in Poplar

Xun Tang, Jiaxing Zhang, Yuelin Fu, Mengqi Sun, Zekun Qi, Yunjun Zhao, Chang Liu, Hasi Yu*

Plant Cell & Environment

DOI：10.1111/pce.70834

https://doi.org/10.1111/pce.70834

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期刊信息

Plant Cell & Environment (PCE) 是植物科学领域的国际期刊，专注发表植物对环境响应机制的高质量原创理论与实验研究成果。期刊涵盖生物学、生理学与生态学等多学科视角，欢迎从分子到群落各个尺度的研究，为深入理解植物–环境互作提供前沿平台，是植物环境生物学领域的重要学术交流阵地。

2025 JIF：6.9 ｜ CiteScore：10.2

https://onlinelibrary.wiley.com/journal/13653040

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