工程浮萍生产用于生物燃料生物产品的油

美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家和冷泉港实验室(CSHL)的合作者已经设计出浮萍来生产高产量的石油。该团队将基因添加到自然界中生长最快的水生植物之一中，以“推动”脂肪酸的合成，将这些脂肪酸“拉入”油中，并“保护”油免于降解。正如科学家在《植物生物技术杂志》上发表的一篇论文中解释的那样，这种富含油脂的浮萍很容易被收获以生产生物燃料或其他生物产品。

这篇论文描述了科学家们如何设计出一种浮萍品种Lemnajaponica来积累接近其干物量10%的油。这比在野外生长的此类植物高出100倍，产量是当今最大的生物柴油来源大豆的7倍以上。

“浮萍生长迅速，”领导该团队的布鲁克海文实验室生物化学家约翰·尚克林说。“它只有很小的茎和根——所以它的大部分生物质都在世界各地池塘表面生长的叶状叶子中。我们的工程在所有这些生物质中创造了高油含量。

“分批种植和收获这种工程浮萍并提取其油可能是实现可再生和可持续石油生产的有效途径，”他说。

两个额外的好处：作为一种水生植物，产油浮萍不会与粮食作物争夺主要农田。它甚至可以在养猪场和家禽场的径流中生长。

“这意味着这种工程植物可能会在生产石油时清理农业废物流，”尚克林说。

利用两个长岛研究机构

目前的项目源于1970年代布鲁克海文实验室对浮萍的研究，该研究由生物系的威廉·希尔曼(WilliamS.Hillman)领导。后来，生物学系的其他成员与冷泉港的Martienssen小组合作，开发了一种在浮萍中表达其他物种基因的高效方法，以及根据需要抑制浮萍自身基因表达的方法。

由Shanklin和JorgSchwender领导的布鲁克海文研究人员在过去的二十年中确定了推动植物油生产和积累的关键生化因素，一个目标是利用这些知识和遗传工具来尝试改变植物油的生产。这里报道的最新研究通过使用控制这些产油因子的基因对浮萍进行工程化来测试这种方法，以研究它们的综合效应。

“目前的项目将布鲁克海文实验室在植物油生物合成的生物化学和调控方面的专业知识与冷泉港的尖端基因组学和遗传学能力相结合，”尚克林说。

布鲁克海文研究人员发现的一种产油基因推动了油的基本组成部分，即脂肪酸的生产。另一个将这些脂肪酸拉入或组装成称为三酰基甘油(TAG)的分子-三种脂肪酸的组合，它们连接起来形成我们称为油的碳氢化合物。第三个基因产生一种蛋白质，这种蛋白质包裹在植物组织中的油滴上，保护它们免于降解。

从初步工作中，科学家们发现，由“push”基因触发的脂肪酸水平升高会对植物生长产生不利影响。为了避免这些影响，布鲁克海文实验室博士后研究员梁元学将该基因与启动子配对，该启动子可以通过添加少量特定化学诱导剂来开启。

“添加这种启动子会保持推动基因关闭，直到我们添加诱导剂，这使得植物在我们开启脂肪酸/油生产之前能够正常生长，”尚克林说。

梁随后创造了一系列基因组合，以单独、成对和一起表达改进的推、拉和保护因子。在本文中，它们的生化/遗传名称缩写为W、D和O，其中W=推动、D=拉动和O=保护。

主要发现

单独每种基因修饰的过表达并没有显着增加Lemnajaponica叶中的脂肪酸水平。但是，当对几种不同的转基因品系的结果进行平均时，经过所有三种修饰工程改造的植物积累了高达16%的干重作为脂肪酸和8.7%的油。最好的植物积累了高达10%的TAG——是未经修饰的野生型植物中积累的油含量的100多倍。

两种修饰(WD和DO)的一些组合相对于它们的个体效应显着增加了脂肪酸含量和TAG积累。这些结果被称为协同效应，其中两个基因的组合效应比两个单独修饰的总和增加了更多的产量。

这些结果也显示在植物叶中的脂滴图像中，这些图像是使用功能纳米材料中心(CFN)的共聚焦显微镜制作的，该中心是美国能源部科学办公室布鲁克海文实验室的用户设施。当浮萍叶被一种与油结合的化学物质染色时，图像显示，与单独表达这些基因的植物相比，具有每种双基因组合(OD、OW、WD)的植物具有增强的脂滴积累——而且与没有基因改造的对照植物相比。OD和OWD系的植物都有大油滴，但OWD系有更多的油滴，产生最强的信号。

“未来的工作将集中在测试来自各种不同来源的推动、拉动和保护因子，优化三种油诱导基因的表达水平，并改进它们的表达时机，”尚克林说。“除此之外，我们正在研究如何将生产从实验室扩大到工业水平。”

扩大规模的工作有几个主要推动力：1)设计用于种植改良植物的大型培养容器的类型，2)优化大规模生长条件，以及3)开发高水平高效提取油的方法。