植物基因调控研究组、生物生产研究所（BPRI；所长：Tomohiro Tamura）、日本国立先进技术研究所（AIST；所长：Ryoji Chubachi）的坂本 Shingo（AIST 博士后研究员）和 Nobutaka Mitsuda（高级研究员）等人与高田直树合作，开发了通过水稻基因显着强化杨木木材的技术森林生物研究实验室、森林生物研究中心（所长：吉田和正）、林业和林产品研究所（FFPRI；所长：泽田春夫）（高级研究员）和谷口彻（所长）。

该技术通过基因工程将调控木质纤维素生产的水稻OsSWN1转录因子基因导入杨树中，使木材生产力提高高达40%，木材强度提高高达60%，且不会造成杨树生长迟缓。未来，这项技术预计将有助于高效生产木质纤维素衍生的生物乙醇和生物塑料、开发高强度木材，以及通过高效生产木质下一代燃料和材料来减少二氧化碳排放。

该技术是作为日本科学技术振兴机构 (JST) 战略基础研究计划（先进低碳技术研究与开发计划：ALCA）研究项目的一部分而开发的。详细结果将于2016年1月27日19:00（日本时间）在线发表在科学期刊Scientific Reports上。

调节木质纤维素生产的水稻转录因子的基因诱导增强了杨木的木质感

植物基燃料和材料的开发是为了抑制全球变暖并替代未来将耗尽的化石燃料。然而，目前生产植物基生物乙醇和生物材料的技术存在问题，因为这些技术与食品生产具有竞争力；因此，由非食用材料木材制成的第二代生物乙醇和生物材料有望得到开发和广泛使用。为此，提高植物的木材生产力是重要的课题之一。然而，在之前的研究中，提高木材生产力的尝试导致了植物生长迟缓。因此，需要在不抑制植物生长的情况下提高木材生产率的技术。

AIST一直在推动植物转录因子领域的研究和开发，并取得了世界领先的成果，例如开发了名为CRES-T方法的独特转录因子修饰技术，并将其应用于“多瓣仙客来”的开发（AIST 新闻稿，2010 年 3 月 16 日);调节角质层形成的转录因子的发现 (AIST 新闻稿，2013 年 5 月 24 日);以及调节木质纤维素生产的转录因子 NST1 和 NST3 的发现拟南芥。 FFPRI在树木育种和树木基因工程技术开发方面取得了突出成果。在该项目中，AIST 和 FFPRI 成功合作进行研发，通过使用转录因子提高木材生产率和加工性能。

这项研究是作为研究项目“在没有木材的植物中构建新木材（2011年开始）”（研究代表：光田信孝）的一部分进行的，属于JST战略基础研究计划（先进低碳技术研究和开发计划：ALCA）的“生物技术”（总经理：Akihiko Kondo）。

这项技术的关键点是水稻 OsSWN1 转录因子基因主要在杨树纤维细胞中诱导表达，基于以下发现：(1) 该基因是 基因的直系同源物A拟南芥调节木质纤维素生产力的 NST1 和 NST3 转录因子； (2)水稻OsSWN1转录因子是木质纤维素生产力的非常强的激活剂。为了在纤维细胞中表达水稻 OsSWN1 基因，A拟南芥使用NST3启动子（决定NST3基因表达的区域），因为A拟南芥NST3基因主要在纤维细胞中表达，其启动子可以诱导这些细胞中其他基因的表达。含有水稻 OsSWN1 基因的 DNA 构建体和A拟南芥NST3启动子（图1）被制作并用于转化A拟南芥。结果，在通常不产生木质纤维素的地点观察到木质纤维素的产生，表明木质纤维素的过度积累。另一方面，使用包含A拟南芥NST3 基因代替水稻 OsSWN1 基因几乎没有表现出任何此类积累。

研究人员接下来在 DNA 构建体中的水稻 OsSWN1 基因中添加了一个结构域 (VP16)，以增强转录因子的活性。当这种改良的构建体用于转化高度高达15厘米的杨树幼苗时，在通常不发生这种生产的地点观察到木质纤维素的生产，这与A拟南芥（图2B）。此外，转基因杨树中的纤维细胞（通常在其中产生木质纤维素）显示出更厚的木质纤维素积累（图2D）。

图 1：本研究中使用的 DNA 构建体 该构建体是通过融合而制成的A拟南芥诱导纤维细胞中基因表达的基因启动子（NST3pro）和 诱导木质纤维素生产的水稻转录因子基因（OsSWN1(-VP16)）。

图2：茎的横截面（A和B）和纤维细胞的扫描电子显微镜图像（C和D） 野生型（左）和转基因（右）杨树。 在面板 A 和 B 中，木质组织中的木质素被染成红色。在转基因杨树 (B) 中，通常不木质化的位点 显示木质组织的产生（即茎的皮层和髓）。 在转基因杨树 (D) 的纤维细胞中观察到比野生型杨树 (C) 中更多的木质纤维素积累。

这些杨树长到60厘米高后，进行了进一步的调查。因此，基因工程不会导致生长迟缓，但会导致木质纤维素过度积累。与野生型杨树相比，转基因杨树的茎平均密度和平均抗断裂物理强度分别提高了40%和60%（图3）。

图3：野生型杨树和转基因杨树的生长(A)、木质组织(B)、茎密度(C)和抗破裂物理强度(D)。 转基因植物生长至60厘米高度后，没有观察到生长迟缓(A)，但木质组织的强化得以维持(B)。 5个转基因杨树品系中，茎的平均密度增加了高达40%（C），平均抗折物理强度提高了高达60%（D）。 C 和 D 图中的星号 (*) 表示野生型杨树和转基因杨树之间的值差异具有统计显着性。

研究人员的目标是通过将该技术与其他提高生物质产量的技术（例如增强光合作用）相结合来提高木材生物质产量，并达到提高木材加工性能和提取更多糖的目标，例如通过改性强化木质组织中的木质素。此外，研究人员还将考虑将该技术应用于其他树木，例如桉树或金合欢树。最终目标是到 2030 年左右，通过将木质生物乙醇生产效率提高 50%，并将该技术应用于全球 20% 的木质生物质生产植物，每年减少二氧化碳排放量 4000 万吨。