细胞壁不仅为植物提供支撑与保护，其富含能量的生物材料，还为美国开辟了新的燃料、化学品和材料来源。美国能源部布鲁克海文国家实验室的生物学家正致力于解开调控这些生物质材料的复杂遗传机制。

在近期发表于《植物生物技术杂志》的一项研究中，研究小组发现了一种名为PtrbHLH011的植物蛋白，它在杨树植物的缺铁反应、细胞壁生物合成和抗病分子合成这三个重要生物过程中起着关键作用。该研究主要作者谢孟表示，几年前在鉴定影响杨树应对营养胁迫的基因和蛋白质时，PtrbHLH011就已引起关注，在缺铁培养基中生长的受胁迫植物里，其基因表达大幅降低。植物在光合作用中需要铁元素将阳光转化为化学能以促进生长，深入了解PtrbHLH011等植物基因和蛋白质的作用机制，有助于开发能超量积累铁元素、在贫瘠土地上也能茁壮成长的生物能源作物。

传统上，研究人员致力于增加可转化为生物燃料的细胞壁糖类，近年来，木质素这一坚硬细胞壁成分因可用于生产水泥和粘合剂等具有工业应用价值的生物产品而受到关注。谢孟称，不同环境因素会影响细胞壁生物合成及成分比例，研究团队着手探究“环境可塑性”背后的分子机制。

由于某些蛋白质功能存在重叠或兼具多个功能，生物学家常通过“敲除”或失活某个基因来理解其编码蛋白质的功能。此次，马里兰大学的合作者开发了缺乏PtrbHLH011的杨树植物。令人惊讶的是，敲除植物首次同时产生了两倍的木质素，且生长增强，这与之前增加木质素含量会限制总生物质产量的研究结果相悖。此外，改良植物叶片中铁积累量增加三倍以上，黄酮类化合物产量也有所增加，这种化合物可帮助植物抵抗疾病。而过度表达PtrbHLH011基因的植物则表现出生长发育不良、细胞壁较弱、对疾病敏感性增加以及出现营养胁迫特征性的黄叶。

新论文第一作者戴宇秋解释，PtrbHLH011是转录因子，能与植物DNA特定序列结合并调节多个靶基因表达，破坏其基因会影响多个生物学过程。但研究人员发现，敲除PtrbHLH011蛋白质会增加几种通常给植物带来巨大代谢负担、需要大量能量的过程。谢孟怀疑叶片铁含量增加三倍促进了植物光合作用，为植物生长和木质素、黄酮类化合物合成提供了更多能量。

黄酮类化合物合成的激增意义重大，布鲁克海文及其他地区的生物学家正加大生物防疫力度，以保护美国生物能源植物免受病害侵害。未来通过研究植物应对感染和疾病的机制，有望增强作物对病原体的抵抗力。

随着PtrbHLH011调节的基因调控机制确定，布鲁克海文的研究人员致力于微调其特定靶基因的表达。戴宇秋表示，若能调节单个“下游”靶基因，而非调节所有靶基因的转录因子，就能更精确地一次控制一个生物过程。谢孟称，这项研究建立的基础理解将推动生物能源和生物产品原料的生产。

该研究成果是能源部科学办公室多个设施和能力成功整合的结果。联合基因组研究所的合作者测量了转基因植物的基因表达水平，分子研究中心的合作者提供了新调控机制随陆生植物进化而适应的见解。布鲁克海文大学研究人员利用功能纳米材料中心的共聚焦显微镜，可视化了PtrbHLH011在植物细胞中的表达位置，测量了生物质木质素含量，还与国家同步加速器光源II的研究人员合作，进行了X射线生物成像实验，以研究杨树植物中的铁积累和细胞壁结构。

更多信息： Dimiru Tadesse 等人，PopulusPtrbHLH011 是一种参与铁缺乏激活细胞壁生物合成的转录共调控因子，《植物生物技术杂志》 (2025)。