植物次生生长积累的细胞壁是重要的木质纤维资源，包括纤维素、半纤维素和木质素。其中纤维素经过酶解糖化处理能够产生可发酵的单糖，单糖经过发酵可以产生生物乙醇。然而，由于次生细胞壁上木质素连接和加固纤维素和半纤维素，形成“细胞壁抗降解屏障”，阻碍了纤维素向生物乙醇的转化，导致次生细胞壁转化为生物乙醇过程中木质素脱除的预处理成本高、糖化效率低。因此，培育无需预处理脱除木质素、且次生生长增强的林木生物质，对国家生物能源发展的战略需求具有重要意义。
microRNA（miRNA）是一类长约22个核苷酸的非编码小RNA分子，它通过在转录后水平与靶信使RNA（mRNA）的互补序列结合，引导沉默复合体降解靶mRNA或抑制其翻译，从而精细调控基因表达。这种调控机制在细胞分化、发育以及多种疾病的发生发展中扮演着关键角色。2024年诺贝尔生理学或医学奖，授予了microRNA研究，表彰两位科学家“发现microRNA及其在转录后基因调控中的作用”。
近日，北京林业大学林金星教授团队在国际著名期刊Trends in Plant Science
发表了题为Manipulating microRNAs to enhance biomass yield and biofuel production的重要综述（Review）论文，系统提出了通过调控微小RNA（microRNA, miRNA）来提升生物质产量与生物燃料生产策略。
该研究指出，木质生物质虽为关键碳汇与燃料原料，但其细胞壁复杂的化学结构与组分交联，构成了天然的抗降解屏障，致使预处理成本占生物燃料总成本的20%以上。此外，预处理成本随规模扩大而急剧上升是制约产业化的核心瓶颈（图1）。为了突破这一瓶颈，团队整合植物科学与材料科学研究，系统分析了影响生物燃料生产的植物内部因素，并进一步构建了“miRNAs介导的细胞壁工程”的研究框架。该框架核心在于：通过精准操纵关键miRNAs，同步实现降低木质纤维素抗降解屏障与提升生物质积累量的双重目标，从而在源头破解“转化难、成本高”的产业困境。
图1：生物质能源生产与利用的过程。
在论文中，研究团队以杨树等典型木本植物为模型，深入阐释了多个关键miRNAs在木材形成与抗逆生长中的功能（图2）。譬如，过表达 miR408 不仅能促进次生生长、增加生物量，还可通过抑制漆酶基因降低木质素聚合度，使无酸预处理下的糖化效率提高；而 miR156 则可通过调控SPL转录因子，在延迟开花、增加分枝生物量的同时降低木质素含量。这些发现为林木分子设计育种提供了丰富的靶点与理论支撑。
图2：生物质能源生产与利用过程中潜在的miRNAs。
此外，该研究指出，与传统的基因编辑等技术相比，miRNAs作为一种内源性的转录后调控因子，具备“一控多”的网络级调控特点，能够实现对细胞壁复杂性状的多维度协同改良。因此，在木材这类复杂性状的改良中，miRNAs调控作为一种新兴工具，展现出其独特的应用价值。该研究为通过操纵miRNAs从源头改良木材特性，实现林木生物质的高效转化与增值利用提供了全新的技术框架与研究路径。
展望未来，研究提出了从miRNAs挖掘发现、调控网络构建到多技术协同操纵的完整技术路线（图3）。团队强调，结合人工智能靶点预测、CRISPR激活/干扰及短串联靶模拟等前沿技术，将有望实现对miRNAs的时空特异性与剂量精准调控，最终培育出“易酶解、高产量”的下一代能源林树种。
图3：miRNAs介导的生物质能源生产与利用策略。
该研究创新性地提出通过调控miRNAs同步破解木质纤维素抗降解屏障与提升生物量的技术框架，为林业生物燃料的高效生产和木材品质的定向改良提供了新的方向。该研究不仅为林业生物燃料的高效生产提供了新策略，也为植物合成生物学与绿色生物制造领域的交叉创新开辟了新方向。随着相关技术从实验室走向田间，林木生物质有望在能源自主与碳中和目标中扮演更为关键的角色。
北京林业大学生物科学与技术学院林金星教授为该论文的通讯作者，林学院郭亚玉副教授和生物学院王厚领副教授为该论文的共同第一作者。北京林业大学材料科学与技术学院的宋国勇教授、王水众副教授在植物化学相关研究中提供了建设性地帮助和指导。该研究得到了国家自然科学基金，国家高等学校学科创新引智计划）、中国博士后科学基金特别资助项目，北京市自然基金等项目的资助。
北京林业大学林金星教授团队长期致力于树木发育生物学和规模化繁育以及高效利用方向研究。近年来，以杨树、松树、银杏等树木为研究对象，在Nature Communications、Science Advance、The Plant Cell、PNAS、Genome Biology等主流期刊发表学术论文50余篇。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1360138525002936
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