Växtbiomassa innehåller avsevärt värmevärde men det mesta utgör robusta cellväggar, en oaptitlig evolutionär fördel som hjälpte gräs att överleva foderälskare och blomstra i mer än 60 miljoner år.
Problemet är att denna robusthet fortfarande gör dem mindre smältbara i vommen på kor och får och svåra att bearbeta i bioenergiraffinaderier för etanolbränsle.
Men nu är ett multinationellt team av forskare, från Storbritannien, Brasilien och USA, har identifierat en gen involverad i förstyvningen av cellväggar vars undertryckande ökade frisättningen av sockerarter med upp till 60 %. Deras resultat rapporteras idag i Ny fytolog .
"Påverkan är potentiellt global eftersom varje land använder gräsgrödor för att mata djur och flera biobränsleanläggningar runt om i världen använder denna råvara, " säger Rowan Mitchell, en växtbiolog vid Rothamsted Research och teamets medledare.
"Bara i Brasilien, de potentiella marknaderna för denna teknik värderades förra året till 1300 miljoner dollar (400 miljoner dollar) för biobränslen och 61 miljoner dollar för grovfoder, säger Hugo Molinari, Huvudutredare för laboratoriet för genetik och bioteknik vid Embrapa Agroenergy, del av Brazilian Agricultural Research Corporation (Embrapa) och teamets andra medledare.
Miljarder ton biomassa från gräsgrödor produceras varje år, konstaterar Mitchell, och en nyckelegenskap är dess smältbarhet, som avgör hur ekonomiskt det är att producera biobränslen och hur näringsrikt det är för djur. Ökad förstyvning av cellväggen, eller feruloylering, minskar smältbarheten.
"Vi identifierade grässpecifika gener som kandidater för att kontrollera cellväggsferuloylering för 10 år sedan, men det har visat sig mycket svårt att visa denna roll även om många laboratorier har försökt, " säger Mitchell. "Vi tillhandahåller nu de första starka bevisen för en av dessa gener."
I lagets genetiskt modifierade växter, en transgen undertrycker den endogena genen som är ansvarig för feruloylering till cirka 20 % av dess normala aktivitet. På det här sättet, den producerade biomassan är mindre feruloylerad än den annars skulle vara i en omodifierad anläggning.
"Undertryckandet har ingen uppenbar effekt på växtens biomassaproduktion eller på utseendet på de transgena växterna med lägre feruloylering, ", konstaterar Mitchell. "Vetenskapligt, vi vill nu ta reda på hur genen förmedlar feruloylering. På det sättet, vi kan se om vi kan göra processen ännu mer effektiv."
Fynden är utan tvekan en välsignelse i Brasilien, där en växande bioenergiindustri producerar etanol från icke-livsmedelsrester från andra gräsgrödor, såsom majsstoppare och sockerrörsrester, och från sockerrör som odlas som en dedikerad energigröda. Ökad effektivitet i produktionen av bioetanol kommer att hjälpa den att ersätta fossila bränslen och minska utsläppen av växthusgaser.
"Ekonomiskt och miljömässigt, vår boskapsindustri kommer att dra nytta av effektivare födosök och vår biobränsleindustri kommer att dra nytta av biomassa som behöver färre artificiella enzymer för att bryta ner den under hydrolysprocessen, " konstaterar Molinari.
För John Ralph, medförfattare och fältpionjär, upptäckten har varit svårt vunnit och är länge sen. "Olika forskargrupper "hade feruloyleringsproteinet/genen överhängande", och det var för 20 år sedan, " konstaterar professorn i biokemi vid University of Wisconsin-Madison och vid det amerikanska energidepartementets Great Lakes Bioenergy Research Center.
"Vår grupp har varit intresserad, sedan början av 1990-talet, i ferulat-tvärbindning i växtcellväggar och utvecklade NMR-metoderna som var användbara i karakteriseringen här, ", konstaterar Ralph. "Det här har varit svårt att upptäcka."
