發(fā)布時(shí)間：2020-11-11 11:39

　　 全球氣候變化和化石能源大量消耗,可再生能源需求不斷增加。木質(zhì)纖維素乙醇是優(yōu)質(zhì)液體生物燃料,不僅可以部分替代傳統(tǒng)化石能源,還可減少溫室氣體排放。木質(zhì)纖維素乙醇轉(zhuǎn)化主要包括三個(gè)步驟:物理化學(xué)預(yù)處理解聚植物細(xì)胞壁,纖維素復(fù)合酶降解產(chǎn)糖和酵母發(fā)酵產(chǎn)醇。然而,植物細(xì)胞壁的抗降解屏障使生物質(zhì)預(yù)處理成本高、酶解產(chǎn)糖效率低,成為生物乙醇轉(zhuǎn)化的瓶頸。因此,解析植物細(xì)胞壁的組成、結(jié)構(gòu)特征和交聯(lián)方式,探明影響木質(zhì)纖維素酶解產(chǎn)糖效率的因子和分子機(jī)理,鑒定出木質(zhì)纖維素合成的主要基因,將為優(yōu)質(zhì)能源作物選育和生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。果膠是植物細(xì)胞壁胞間層和初生壁中的主要成分。果膠在植物次生壁中含量較少,但對(duì)次生壁的合成和沉積具有重要的調(diào)控作用。目前,植物細(xì)胞壁三大成分(纖維素、半纖維素和木質(zhì)素)結(jié)構(gòu)特性對(duì)生物質(zhì)酶解產(chǎn)糖影響的研究已十分深入。但是,有關(guān)細(xì)胞壁果膠作用和影響機(jī)制的研究仍非常有限。芒草是優(yōu)質(zhì)的能源植物之一,其生物質(zhì)產(chǎn)量高,生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng);擬南芥是一種理想的雙子葉遺傳模式植物,其細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)與生物合成研究較為深入。為此,本研究主要分成兩個(gè)部分:第一部分,首先選擇了179份生態(tài)分布廣泛且具有代表性的芒草材料,在不同化學(xué)預(yù)處理?xiàng)l件下,研究了果膠對(duì)生物質(zhì)酶解產(chǎn)糖效率的影響;第二部分,鑒定了2個(gè)擬南芥果膠同聚半乳糖醛酸甲酯酶新基因(PME1和PME26),探究了該基因在果膠結(jié)構(gòu)修飾中的功能,初步探討了果膠影響生物質(zhì)酶解產(chǎn)糖效率的分子機(jī)理。主要結(jié)果如下:第一部分:采用系統(tǒng)生物學(xué)方法,分析了179份芒草材料的細(xì)胞壁組分,發(fā)現(xiàn)草酸銨提取的果膠含量和生物質(zhì)酶解產(chǎn)糖效率的變異幅度大;相關(guān)性分析結(jié)果顯示,果膠組分中的糖醛酸含量與酸、堿預(yù)處理后的生物質(zhì)酶解效率均呈極顯著正相關(guān)。利用單因子實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了糖醛酸含量是影響酶解效率的主效結(jié)構(gòu)因子。推測(cè)其機(jī)理為:果膠糖醛酸通過(guò)間接負(fù)調(diào)控木質(zhì)素含量和正調(diào)控半纖維素含量,從而降低了木質(zhì)纖維素的結(jié)晶度,從而大大提高了生物質(zhì)的酶解產(chǎn)糖效率。該結(jié)果為細(xì)胞壁果膠的篩選和評(píng)價(jià)提供了新思路。第二部分:利用生物信息學(xué)、糖組學(xué)、組織免疫學(xué)、生物化學(xué)和分子生物學(xué)等手段,以擬南芥T-DNA敲除突變體為材料,對(duì)擬南芥PMEs超大基因家族中的2個(gè)新基因PME1和PME26進(jìn)行了遺傳鑒定和表征分析;通過(guò)體外提取細(xì)胞壁多糖,進(jìn)行糖組芯片分析,原位免疫熒光標(biāo)記,單糖成分測(cè)定,以及核磁共振檢測(cè)。結(jié)果表明,突變體pme1和pme26的果膠甲酯度升高;通過(guò)抑制PMEs介導(dǎo)的果膠去甲酯化作用,可以改變其它細(xì)胞壁多聚物的組分和物理特性,可提取多聚物增多,從而降低木質(zhì)纖維素的結(jié)晶度,使生物質(zhì)酶解產(chǎn)糖效率提高28%-62%。首次嘗試?yán)�用原子力顯微鏡單分子成像技術(shù),初步觀察了擬南芥果膠單分子納米級(jí)形貌。這些研究進(jìn)一步闡明了PME1和PME26在調(diào)控細(xì)胞壁果膠甲酯化程度和細(xì)胞壁降解中的作用,為開(kāi)展該類基因在其他能源作物中的功能研究提供了理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：S578
【部分圖文】：

2.1 植物莖稈初生生長(zhǎng)和次生生長(zhǎng)階段次生細(xì)胞壁莖稈橫切面解剖結(jié)構(gòu)（Meents et al 20Fig. 2.1 SCWs in primary and secondary stem growth (Meents et al 2018)（A）單子葉植物；（B）雙子葉植物；（C）裸子植物；（D）被子植物.(A) Monocot; (B) Eudicot; (C) Gymnosperm; (D) Angiosperm.從細(xì)胞壁成分角度來(lái)看，初生壁可分為 I 型（雙子葉和非禾本科單子葉植物）和本科植物）（圖 1.2），兩類初生壁的纖維素含量相似，但 I 型中果膠和壁蛋白含 II 型，其中果膠含量占初生壁的 35%左右，半纖維素的主要成分是木葡聚糖，量的葡甘露聚糖和葡萄糖醛酸木聚糖，而 II 型中主要的非纖維素多糖為半纖維是葡萄糖醛酸阿拉伯木聚糖，同時(shí)含有少量的 β-葡聚糖和木葡聚糖（Carpiaut 1993; Vogel 2008）。次生壁主要含有纖維素、木聚糖和木質(zhì)素，以及少量的果聚糖，是纖維乙醇的主要原料。草本單子葉植物次生壁的半纖維素主要是葡萄糖

圖 1.2 植物初生壁和次生壁的結(jié)構(gòu)和組成 (Loix et al 2017) 1.2 Structure and composition of the primary and secondary cell walls of plant (Loix et 細(xì)胞壁多聚物的成分特性1 纖維素纖維素（cellulose）地球上含量最豐富的多聚物，年產(chǎn)量是 1010-1012噸，對(duì)

圖 1.3 纖維素微纖絲的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理形貌（Ding et al 2012; Wei and McDonald 2016）Fig. 1.3 Molecular structure and imaging of microfibrils (Ding et al 2012; Wei and McDonald 2016)（a）纖維素的分子間和分子內(nèi)氫鍵；（b）非結(jié)晶區(qū)和結(jié)晶區(qū)；（c）微纖絲的形貌.(a) Intra- and inter-molecular hydrogen bonding; (b) Amorphous and crystalline region in cellulosemolecules; (c) Size, shape, and arrangement of the microbibrils.2.2.2 半纖維素半纖維素（Hemicelluloses,HC）在次生壁中約占 10%-40%，是一類異質(zhì)性多聚糖，不溶于螯合劑 EDTA，常溫下就可以被堿溶液提取。由葡萄糖、木糖或甘露糖構(gòu)成主鏈，有些還含有阿拉伯糖（arabinose,Ara）、木糖（xylose,Xyl）、半乳糖（galactose,Gal）、巖藻糖（fucose, Fuc）、葡萄糖醛酸（glucuronicacid,GlcA）分支側(cè)鏈，主鏈和側(cè)鏈單糖組成隨植物種類和發(fā)育時(shí)期而變（Scheller and Ulvskov 2010）。
【參考文獻(xiàn)】

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1 馬浩力;余禮;梁榮洪;趙潔;;高等植物阿拉伯半乳糖蛋白的功能研究[J];中國(guó)科學(xué):生命科學(xué);2015年02期

2 王艷婷;徐正丹;彭良才;;植物細(xì)胞壁溝槽結(jié)構(gòu)與生物質(zhì)利用研究展望[J];中國(guó)科學(xué):生命科學(xué);2014年08期

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本文編號(hào)：2879136