综述：结合生物技术与可持续性：生物能源高粱生产高价值生物制品的可行性

这篇综述探讨了如何通过生物技术手段改造高粱（Sorghum bicolor），使其在作为生物能源作物的同时生产高价值的萜类化合物（terpenoids），如角鲨烯（squalene）和反式-冷杉醇（trans-abienol），以提高生物燃料的经济可行性。文章详细分析了高粱的生物学优势（如耐旱性、表皮蜡质积累特性）、技术路线（组织特异性启动子筛选、机器学习辅助调控元件预测）以及商业化潜力（市场规模、技术经济分析），并强调了其对可持续能源和土壤健康的潜在影响。

　　

研究背景与目标

生物燃料的生产长期受限于经济可行性，而高粱因其耐旱性和高生物量特性成为理想的生物能源作物。本文提出通过代谢工程改造高粱，使其表皮蜡质中积累高价值萜类化合物（如角鲨烯和反式-冷杉醇），从而形成“生物燃料+高附加值产品”的双重收益模式。角鲨烯是疫苗佐剂和化妆品成分，目前主要从鲨鱼肝脏中提取；反式-冷杉醇则是合成名贵香料龙涎醚（ambroxide）的前体。

高粱的生物学优势

高粱表皮天然富含C₃₀三萜类物质（如β-香树脂醇），其蜡质层可通过超临界CO₂提取法高效分离目标化合物，剩余生物质仍可用于发酵制乙醇。相比玉米和柳枝稷，高粱在贫瘠土壤中表现更优，根系深度可达2米以上，显著提升土壤有机碳储量。

技术路线创新

1. 启动子筛选：通过激光显微切割（LCM）和机器学习（ML）分析高粱茎表皮特异性基因的调控元件（如WRKY和ERF转录因子结合位点），构建组织特异性表达系统。

2. 瞬时转化验证：采用农杆菌介导的瞬时表达技术，以荧光蛋白标记（如AmilGFP和super-TagRFP）快速评估启动子活性。

3. 稳定转化：将萜类合成途径基因（如Plectranthus barbatus TPS2）导入高粱，目标产物积累量预计可达天然三萜的50%，角鲨烯产量约12公斤/英亩。

商业化与挑战

• 市场潜力：角鲨烯全球市场规模1.45亿美元（年增长率10.5%），而龙涎醚市场约5900万美元。

• 技术经济分析：反式-冷杉醇衍生物价值高达22,440美元/英亩，远超生物燃料单独收益。

• 监管风险：通过光周期敏感品种（如R.07020）延迟开花，避免基因漂移至野生近缘种。

社会效益

该技术可减少石油基香料生产（占行业76%的碳排放），并通过高粱根系固碳改善土壤健康。美国农业部（USDA）的“增值生产者补贴”可覆盖农民50%的种植成本，进一步推动边际土地利用。

结论

高粱作为“生物工厂”兼具环境适应性与经济潜力，其“蜡质提取+生物燃料”双轨模式为可持续农业和能源提供了创新范式。未来需优化基因编辑效率（如CRISPR-Cas9）并扩大田间试验规模，以加速商业化进程。