8家知名机构组建跨学科团队，联手开发油料作物种子在生物燃料、生物产品中的潜力

自国际航空运输协会承诺 2050 年实现净零碳排放目标以来，美国能源部（DOE）曾在 2021 年 9 月宣布为 22 个项目提供 6470 万美元资金，重点是为船舶和飞机生产具有成本效益、低碳的生物燃料。

根据 Nebraska Today 消息，又有来自 8 家知名机构的研究人员组建了一个跨学科团队，将结合合成生物学手段联手开发亚麻芥（camelina）和菥蓂（pennycress）两种油料作物的潜力，应用方向为生物燃料、生物产品。该团队将获得美国能源部提供的为期五年、价值 1280 万美元的资助。

这 8 家机构分别是内布拉斯加大学、科罗拉多大学博尔德分校、华盛顿州立大学、堪萨斯州立大学、蒙大拿州立大学、明尼苏达大学、密苏里大学和唐纳德-丹佛斯植物科学中心。内布拉斯加大学林肯分校的 Edgar Cahoon 作为团队领导者。

Edgar Cahoon 实验室专注于植物脂质代谢的基础和应用研究，以提高植物的营养价值和工业价值为目标。他认为，展望未来，汽车电气化是大势所趋，但喷气式飞机、牵引拖车和重型设备对液体燃料的需求仍然存在。团队正在为这些类型的液体燃料寻找可再生资源，应用还将涉及到生物塑料和润滑剂等方面。

他们瞄准的生物资源是同属于十字花科的亚麻荠和菥蓂两种油料作物。它们本身含有生产生物燃料和生物材料所需的脂肪酸，且均为非粮能源作物。

作为生物燃料的绿色来源，还需要考虑燃烧副产品的影响，种植植物所需的水，以及将植物变成不同类型的能源所使用的能量等多个因素。

就亚麻芥来说，这种原产于欧洲东南部和亚洲西南部、现广泛种植于北美、欧洲、大洋洲及亚洲等地区的十字花科油料作物，其作为可发展的生物燃料的原料，优势如下：1）生育期短（80~100 d）；2）易与其它作物轮作，不占用主粮作物耕地；3）根据资料，与石油基柴油生产和以其它油料作物为原料制取生物柴油相比，用种植于不同环境条件下的亚麻荠生产生物柴油所消耗的能源和温室气体排放均较少。

随着 2008 年简易高效遗传转化体系的建立、2014 年基因组序列的公布，亚麻荠也日渐成为理想模式物种。

菥蓂则是一种普通杂草，通常被称为“臭草”。与亚麻荠类似，这也是一种“低需求”的作物。根据俄亥俄州立大学的一项研究，与其他生物燃料作物在种植、运输多方面对比，菥蓂需要更少的杀虫剂和肥料，不需要相同程度的土壤耕作，对农民的要求较低，对环境的压力也较小。例如，它可以在玉米和大豆等其他主要作物的生长季节之间种植。

在另一项由美国能源部支持，发表在 Applied Energy 的研究中，通过计算机模型计算，与向日葵和油菜籽相比，菥蓂需要大约一半的能量来生产，与亚麻荠处于同一范围。

▲图丨菥蓂（来源：Minnesota Wildflowers）

不过，这两种油料作物目前还不是生物产品的理想前体。第一，它们的含油量并不理想——大约为 30%，没有达到 40% 以上的目标；第二，它们含有一种不太理想的脂肪酸混合物。

Edgar Cahoon 将带领团队改变这两个特点。“我们不仅要让每颗种子产生更多的油，还要让油具有更明确的化学结构，以使生物材料具有更均匀和一致的特性。”

该项目的研究内容集中在一个被称为质体的细胞部分，在油料作物中，质体作为一个 "生物工厂"，控制着脂肪酸的生产数量和类型。该团队将探索质体的内部运作，重点是多种酶如何协同工作来决定脂肪酸的生产，这是一种迄今为止被忽视的方法。这种方法将依靠团队成员开发的先进化学分析和生物信息学工具。

研究人员还在仔细研究一种名为 Cuphea（萼距花属）的含油植物，Cuphea 能产生非常多的单一类型的脂肪酸，这种脂肪酸具有中等长度的碳链。以上两种属性有利于脂肪酸的均匀性，让它在生产尼龙这样的特殊材料方面非常具有潜力。并且，中链脂肪酸是喷气燃料和可再生柴油的理想材料，因为生产商可以避开分解无法使用的长链脂肪酸这一能源密集型过程。

Cahoon 说：“我们想将 Cuphea 的生产特点，通过合成生物学的手段，‘转移’到亚麻荠和菥蓂等油料作物身上。”

为了进行研究，该团队将使用由科罗拉多大学博尔德分校的合作者 Jerome Fox 开发的建模工具。将这些最初为研究大肠杆菌中的脂肪酸合成而开发的工具应用于植物。

团队还将设计合成生物学工具，以便能够快速、可预测地对植物进行基因改造。利用新兴的 CRISPR 基因编辑技术来开发复杂的方法，将基因输送到植物基因组的特定区域，并精确控制基因表达。

最终的目标是生产出基因强化的油料作物，并将在不同的环境条件下测试，根据数据反馈持续改进新品系。值得一提的是，届时将有专门的生物防护技术来确保植物的基因改造不会泄漏到其他作物或野生物种中。

长远来看，该团队的工作将产生超越亚麻荠和菥蓂本身的影响，与质体的代谢回路有关的研究结果以及合成生物学工具，将被用于其他工程油料植物的设计。

参考资料：

1.http://www.plant-physiology.com/upload/file/201509011419152875.pdf

2.https://byteclicks.com/24869.html

3.https://news.unl.edu/newsrooms/today/article/husker-led-team-exploiting-oilseeds-potential-in-biofuels-bioproducts/

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