植物细胞壁结构特征与生物质高效利用分子机理研究

植物细胞壁结构特征与生物质高效利用分子机理研究

植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素、木质素和壁蛋白等组成。细胞壁不仅决定植物细胞大小、形状和机械强度,而且对植物形态发生、细胞生长和分化、细胞信号传导、水分运输以及应对外界刺激反应皆起重要作用。

基于细胞壁是地球上最丰富的可再生能源物质,全球已开始大力推动木质纤维乙醇的发展,并相继开展了植物细胞壁的基础和应用研究。木质纤维乙醇生产主要包括三个步骤:(1)预处理解离细胞壁聚合物;(2)纤维素酶解释放可溶性糖;(3)酵母发酵可溶性糖产乙醇。

然而,由于植物细胞壁已进化出复杂的网络结构和化学机制用于抵抗微生物和动物的分解,故细胞壁的抗降解屏障从本质上决定了木质纤维乙醇成本高、效率低和第二次环境污染。初步研究表明,影响细胞壁高效降解及转化的主要因素包括:(1)细胞壁中半纤维素和木质素紧密包裹纤维素,使纤维素酶可及性低;(2)天然纤维素结晶度高,其酶解效率低;(3)细胞壁降解产生抑制物多,影响乙醇发酵等。

因此,解析细胞壁结构,鉴定出提高生物质降解效率的关键细胞壁结构因子具有重要科学意义和实际应用价值。然而,遗传改良作物细胞壁结构不仅需要提高秸秆生物质产量和降解效率,同时还需保证粮食产量与品质。

基于以上科学问题,本论文将从生物质降解转化、能源植物选育、生物质合成机理三个层面分别进行研究和讨论。其主要结果如下:第一章(生物质降解转化):利用已收集到的大群体芒草材料,通过系统生物学分析,鉴定了在各种物化预处理条件下,影响生物质酶解的细胞壁关键结构因子,即芒草半纤维素分支度(Ara/Xyl)显著降低纤维素结晶度(Cr I),提高生物质产糖效率。

第二章(能源植物选育):利用系统生物学方法,分析36份水稻细胞壁突变体材料,揭示水稻半纤维素阿拉伯糖(Ara)含量负调控纤维素结晶度,从而正调控水稻秸秆生物质降解效率和植物抗倒伏能力,并从中鉴定出2份优质能源水稻材料,即植物生长发育正常、种子产量稳定、生物质降解效率大幅提高。第三章(生物质合成机理):利用正向遗传学方法,筛选并鉴定了一个表型正常、生物质降解效率显著提高的细胞壁突变体材料Osfc16。

研究表明:该突变体次生纤维素合酶Os CESA9保守位点突变,降低了纤维素合酶复合体(CSC)稳定性,缩短CSC运行活性,并通过蛋白酶体途径使复合体蛋白快速降解,从而合成低聚合度(low-DP)纤维素,直接降低纤维素结晶度(Cr I),导致植物抗倒伏能力和生物质降解效率显著提高。全基因组表达芯片分析进一步表明:Os CESA9保守位点突变后,该突变体在全基因组内启动了自我调节机制,以维持突变体植物正常生长。