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为探究稀酸预处理（DAP）对 CAD1 基因修饰杨树糖化的影响，研究发现 hpCAD 杨树糖化率更高，对生物炼制意义重大。
在木材加工领域，造纸行业一直是经济发展的重要组成部分。2023 年，欧洲 pulp and paper industry 直接创造了 175,000 个工作岗位，年营业额约 1000 亿欧元，为欧盟 GDP 贡献了 200 亿欧元。但传统的制浆过程存在着高耗能、高污染的问题，分离木质素（lignin）和纤维素纤维时需要消耗大量的化学物质、水和能源。为了降低成本并减少对环境的影响，研究人员将目光投向了基因工程，期望通过改变木材的基因来简化制浆过程。其中，下调肉桂醇脱氢酶（cinnamyl alcohol dehydrogenase，CAD1）基因引起了广泛关注，前期研究发现它能使木材更易脱木质素，还能减少化学物质使用量、提高纸浆产量。
随着生物炼制概念的兴起，这种基因修饰木材在生物炼制中的应用潜力也开始被探索。改变 lignin 的性质或许能降低木质纤维素生物质（lignocellulosic biomass，LB）的抗降解性，提高酶水解的产量。但此前针对 CAD1 基因修饰杨树（hpCAD 杨树）的研究存在局限，比如稀酸预处理（dilute acid pretreatment，DAP）的研究仅在单一条件下进行，且结果不理想。所以，为了更全面地了解 DAP 对 hpCAD 杨树糖化的影响，来自法国多个研究机构的研究人员 Julien du Pasquier、Aya Zoghlami 等开展了相关研究，研究成果发表在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，选取了野生型（WT）杨树和 hpCAD 杨树，通过精心的样本制备流程，获取了实验所需的木材样本。接着，利用独特的自制设备对样本进行 DAP 处理，设置了多个不同的处理条件，以涵盖不同的综合严重度因子（combined severity factor，CSF）。然后，运用化学和光谱分析、纳米断层扫描（nanotomography）以及酶水解等技术，对处理后的样本进行全面分析。
研究结果如下：
- 化学组成：WT 杨树和 hpCAD 杨树的化学组成略有差异，仅 lignin 含量在 WT 杨树中比 hpCAD 杨树高 1.1 个百分点。DAP 处理后，在固体和液体部分，两种杨树的差异不显著。不过，在高 CSF（3.5 和 3.7）时，hpCAD 杨树的纤维素似乎比 WT 杨树更能抵抗降解，但在 CSF 3.7 时，两者的纤维素都完全降解。
- 光谱演变：天然 WT 杨树和 hpCAD 杨树颜色不同，hpCAD 杨树颜色更深。光谱荧光分析显示，在低 CSF（0 和 1.2）时，两者的荧光特性差异明显，hpCAD 杨树在更高的激发和发射波长下达到荧光最大值，且荧光强度低于 WT 杨树。但在 CSF 2.4 以上，两者的荧光数据基本相同。
- 结构变化：随着 DAP 严重度增加，两种杨树的细胞壁厚度变化趋势不同。在 CSF 2.4 之前，两者细胞壁厚度都下降；之后，WT 杨树细胞壁厚度稳定，hpCAD 杨树则显著增加，直到 CSF 3.7 时两者相似。同时，在高 CSF 时，hpCAD 杨树的细胞变形和血管结构变化与 WT 杨树也存在差异。
- 酶水解：研究葡萄糖产量时发现，在 CSF 2.4 条件下，hpCAD 杨树的葡萄糖糖化产量显著高于 WT 杨树，48 小时时总葡萄糖产量比 WT 杨树高 15 个百分点。而木糖产量在两者之间相似。
研究结论和讨论部分表明，在温和的 DAP 处理下，hpCAD 杨树突变体的糖化效率有显著提升，在 CSF 2.4 时，总葡萄糖产量比 WT 杨树高 15%。不过，这种提升仅在特定的 DAP 条件下才明显，说明存在一个较窄的 DAP 条件范围，能充分发挥 hpCAD 杨树的水解潜力。研究还发现，细胞壁组成的差异并不能完全解释糖化效率的不同，而 lignin 的组织和特性变化对糖化效率影响较大。hpCAD 杨树的 lignin 可能形成了较短、反应性较低的单体链，与碳水化合物的相互作用较少，使得纤维素更容易被酶接触，从而提高了糖化效率。这一研究成果为生物炼制中利用基因修饰木材提供了重要依据，表明 DAP 在处理 hpCAD 杨树时具有很大的潜力，未来可进一步研究 CSF 在 1.5 - 2.5 之间的处理条件，优化糖化方法，评估其经济可行性，有望推动生物炼制产业的发展。
