從抗菌油到傳統(tǒng)的澳大利亞土著管樂器didgeridoos的構(gòu)造，桉樹為各種目的提供服務(wù)，這是其作為世界上種植最廣泛的硬木樹之一的地位。其驚人的成長習(xí)慣吸引了研究人員的目光，尋求利用和改善桉樹增強(qiáng)可持續(xù)生物燃料和生物材料生產(chǎn)的潛力，并提供穩(wěn)定的全年生物質(zhì)來源，不與糧食作物競爭。

國際上對(duì)來自桉樹的6.4億堿基對(duì)基因組進(jìn)行測序和分析的努力吸引了來自來自18個(gè)國家的30個(gè)機(jī)構(gòu)的80多名研究人員。該項(xiàng)目由比勒陀利亞大學(xué)(南非)的Alexander Myburg領(lǐng)導(dǎo); 巴西農(nóng)業(yè)研究公司(EMBRAPA)和巴西利亞天主教大學(xué)的Dario Grattapaglia; 橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和生物能源科學(xué)中心和美國能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)的Gerald Tuskan; 美國能源部JGI的Dan Rokhsar和DOE JGI的Jeremy Schmutz以及HudsonAlpha生物技術(shù)研究所。

樹木在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用?？偟膩碚f，它們代表了碳的主要陸地儲(chǔ)存庫并且同時(shí)發(fā)揮活性CO 2捕獲和處理以及被動(dòng)存儲(chǔ)角色。考慮到這些優(yōu)點(diǎn)，桉樹可以從熱帶和溫帶地區(qū)采集，有700多種富含遺傳變異的物種。通過在桉樹中發(fā)現(xiàn)的36,000多個(gè)基因(幾乎是人類基因組中的兩倍)，研究人員研究了可能影響紙漿，紙張，生物材料和生物能源加工的二次細(xì)胞壁材料的生產(chǎn)。應(yīng)用。桉樹中大約80%的木質(zhì)生物質(zhì)由纖維素和半纖維素制成，兩者都是糖的長鏈，剩余的生物質(zhì)主要由木質(zhì)素組成，木質(zhì)素是將它們固定在一起的堅(jiān)韌“膠水”。

“實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源未來的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是我們對(duì)適合生物質(zhì)生產(chǎn)的木本植物的優(yōu)異生長和適應(yīng)的分子基礎(chǔ)的理解，”Myburg說。

“我們對(duì)與桉樹基因組和其他大型多年生植物相關(guān)的復(fù)雜性狀的比較分析為加速可持續(xù)生物量生產(chǎn)力和最佳木材質(zhì)量的繁殖周期提供了新的機(jī)會(huì)，”Grattapaglia指出。“此外，對(duì)樹木進(jìn)化歷史和適應(yīng)性的見解正在提高我們對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)的理解，提供減少威脅許多物種的負(fù)面環(huán)境影響的策略。”

“我們對(duì)如何形成木材非常感興趣，”ORNL的杰里·圖斯坎說。“工業(yè)加工效率的一個(gè)主要決定因素在于木質(zhì)纖維的厚二級(jí)細(xì)胞壁中生物聚合物的組成和交聯(lián)。我們的分析提供了對(duì)木質(zhì)植物細(xì)胞壁生物聚合物碳分配的遺傳控制的更全面的理解 - 這是未來生物質(zhì)作物發(fā)展的關(guān)鍵一步。“

雖然原產(chǎn)于澳大利亞，但全世界都種植了桉樹，主要是因?yàn)樗哪静膬r(jià)值; 對(duì)于能源部而言，其富含能量的纖維素生物質(zhì)使其成為主要的候選生物質(zhì)能源作物之一?；蚪M測序是理解其優(yōu)越生長特性的基礎(chǔ)的重要診斷工具，其特性可以傳播到其他候選生物燃料原料物種。由于其廣泛的適應(yīng)性，極快的生長速度和優(yōu)異的木材和纖維特性，桉樹在六大洲的100個(gè)國家種植，占地超過4000萬英畝。

桉樹團(tuán)隊(duì)確定了編碼18個(gè)最終酶促步驟的基因，用于生產(chǎn)纖維素和半纖維素木聚糖，兩種細(xì)胞壁碳水化合物均可用于生物燃料生產(chǎn)。“通過追蹤它們?cè)谀举|(zhì)組織中的進(jìn)化譜系和表達(dá)，我們定義了一組核心基因以及在木質(zhì)部發(fā)育過程中高度表達(dá)的新型木質(zhì)素構(gòu)建候選物 - 木質(zhì)組織有助于在整個(gè)植物中引導(dǎo)水 - 這有助于加強(qiáng)樹，“Myburg說。

該團(tuán)隊(duì)對(duì)桉樹基因組的詳細(xì)分析揭示了一個(gè)古老的全基因組重復(fù)事件，估計(jì)大約在1.1億年前發(fā)生，以及在串聯(lián)重復(fù)陣列中異常高比例的基因。Tuskan說，他們的研究結(jié)果突出了串聯(lián)復(fù)制現(xiàn)象在塑造桉樹功能多樣性方面的主要作用，并表明桉樹可能遵循一條突變路徑，突出了木質(zhì)生物質(zhì)生產(chǎn)的特定基因。相比之下，桉樹的串聯(lián)重復(fù)基因數(shù)量是楊樹的三倍，第一棵樹是通過DOE JGI測序并在2006年出版的“ 科學(xué) ”雜志的封面上發(fā)表的。

該團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是，在迄今為止的測序植物中，桉樹顯示出特殊代謝物如萜烯的基因多樣性。這些碳?xì)浠衔锟捎米鞣乐魏οx的化學(xué)自我防御，同時(shí)提供用于醫(yī)藥咳嗽滴劑和工業(yè)過程的熟悉的芳香精油。

“通過擁有控制萜烯合成的這些基因庫，我們能夠剖析哪些基因產(chǎn)生特定的萜烯; 然后我們可以修改葉片中的這種生化途徑，這樣我們就可以發(fā)展桉樹作為噴氣燃料替代原料的潛力，“Tuskan指出。

近交衰退的遺傳結(jié)構(gòu)，通常被稱為雜交活力的逆轉(zhuǎn)，在很大程度上是未知的樹木，并且在研究中也得到了解決。“這通過自花授粉的方式阻礙了它們快速的馴化和繁殖改良，”Grattapaglia說。“我們?cè)阼駱渲械慕Y(jié)果表明，整個(gè)基因組中許多小遺傳變異體的累積效應(yīng)是造成這些基本遺傳現(xiàn)象的原因。有利地結(jié)合起來，它們決定了樹的高度，這是我們的整體健身指標(biāo)之一。“

該團(tuán)隊(duì)提供的廣泛的基因目錄將允許育種者使桉樹適應(yīng)可持續(xù)的能源生產(chǎn)，如美國東南部地區(qū)，目前無法種植。

桉樹有一個(gè)真正獨(dú)特的進(jìn)化歷史，”圖斯坎說。“這與其關(guān)鍵的生態(tài)狀況和適應(yīng)邊緣地形的能力一起，使桉樹成為擴(kuò)大我們對(duì)多年生植物的進(jìn)化和適應(yīng)性生物學(xué)知識(shí)的極好關(guān)注點(diǎn)。”