生物乙醇被认为是目前替代化石燃料的最主要的可再生液体燃料，对应对全球原油危机的重要新能源。由于以玉米籽粒、甘蔗等作为乙醇生产原料成本高，且对世界粮食安全造成威胁，利用非食物来源的木质纤维素生物质生产生物乙醇是未来可再生能源发展的重要方向。其中，玉米秸秆作为玉米的副产品，是一种廉价且环境友好的木质纤维素原料，具有重要的开发利用价值。然而，由于秸秆中的木质素对纤维素和半纤维素起到了交联保护作用，阻碍了纤维素和半纤维素的水解和发酵，需要先对秸秆进行预处理以促进木质素的解聚，生产成本也随之提高。因此，木质素已成为利用玉米秸秆高效生产生物乙醇的主要障碍，而降低玉米秸秆木质素含量是高效生产生物乙醇的重要突破口。        近日，我校农学院苟明月教授课题组联合安徽工程大学生物与食品工程学院张琴教授课题组在Plant Biotechnology Journal杂志上发表了题为“Knockout of ZmNST2 promotes bioethanol production from corn stover”的研究论文。该研究发现，玉米ZmNST2基因的功能丧失可显著减少玉米秸秆中的木质素含量并提高玉米秸秆发酵生产生物乙醇的效率。
       该研究筛选了一系列存在木质素合成缺陷的玉米突变体。其中，一个木质素合成上游关键转录调节基因ZmNST2的突变（zmnst2-1和zmnst2-2）可导致木质素含量的显著降低。突变体表现叶片发软的表型，而茎粗、茎秆强度和干重等指标并未发生显著变化。RT-qPCR分析结果表明，大多数木质素合成相关而非纤维素合成相关基因下调表达。使用美国能源实验室三素测定法测定结果表明，突变体中木质素含量显著降低的同时纤维素含量并未发生显著变化。使用4% H₂SO₄处理玉米秸秆后，zmnst2-1和zmnst2-2突变体中发酵抑制物总酚和糠醛的含量显著降低；对发酵基质发酵生成乙醇的测定结果表明，由预处理后的糖液（含葡萄糖和木糖）发酵产生的乙醇（乙醇1）含量在zmnst2-1突变体中增加了91.89%。而经纤维素水解酶水解纤维素后的糖液（仅含葡萄糖）发酵产生的乙醇（乙醇2）含量在zmnst2-1突变体中增加了13.82%，zmnst2-1突变体的纤维素水解率对应提高了25.34%（图1）。
       这些结果表明，ZmNST2的突变使玉米木质素含量显著减少，进而降低了发酵抑制物的含量，增强了纤维素水解酶对纤维素的水解作用，使玉米秸秆发酵产生生物乙醇的效率显著提高。综上，该研究发现ZmNST2是玉米中调控木质素合成的关键基因，为培育生物乙醇产率提高的玉米新品种提供了基因资源和遗传材料，为高效利用玉米秸秆生产生物乙醇提供了新思路。
       河南农业大学农学院博士研究生王盈、邢烨和安徽工程大学生物与食品工程学院杨新宇为该论文的共同第一作者，河南农业大学农学院苟明月教授和安徽工程大学生物与食品工程学院张琴教授为该论文的共同通讯作者。河南农业大学农学院汤继华教授、李浩川教授参与了研究工作。该研究得到河南省农业良种联合攻关项目、国家重点研发计划项目及河南省杰出青年科学基金项目的资助。