植物细胞壁果胶结构特性与木质纤维素高效酶解产糖分子机理的研究
发布时间：2020-11-11 11:39
全球气候变化和化石能源大量消耗,可再生能源需求不断增加。木质纤维素乙醇是优质液体生物燃料,不仅可以部分替代传统化石能源,还可减少温室气体排放。木质纤维素乙醇转化主要包括三个步骤:物理化学预处理解聚植物细胞壁,纤维素复合酶降解产糖和酵母发酵产醇。然而,植物细胞壁的抗降解屏障使生物质预处理成本高、酶解产糖效率低,成为生物乙醇转化的瓶颈。因此,解析植物细胞壁的组成、结构特征和交联方式,探明影响木质纤维素酶解产糖效率的因子和分子机理,鉴定出木质纤维素合成的主要基因,将为优质能源作物选育和生物质高效转化提供重要的理论依据和技术支撑。果胶是植物细胞壁胞间层和初生壁中的主要成分。果胶在植物次生壁中含量较少,但对次生壁的合成和沉积具有重要的调控作用。目前,植物细胞壁三大成分(纤维素、半纤维素和木质素)结构特性对生物质酶解产糖影响的研究已十分深入。但是,有关细胞壁果胶作用和影响机制的研究仍非常有限。芒草是优质的能源植物之一,其生物质产量高,生态适应性强;拟南芥是一种理想的双子叶遗传模式植物,其细胞壁的结构与生物合成研究较为深入。为此,本研究主要分成两个部分:第一部分,首先选择了179份生态分布广泛且具有代表性的芒草材料,在不同化学预处理条件下,研究了果胶对生物质酶解产糖效率的影响;第二部分,鉴定了2个拟南芥果胶同聚半乳糖醛酸甲酯酶新基因(PME1和PME26),探究了该基因在果胶结构修饰中的功能,初步探讨了果胶影响生物质酶解产糖效率的分子机理。主要结果如下:第一部分:采用系统生物学方法,分析了179份芒草材料的细胞壁组分,发现草酸铵提取的果胶含量和生物质酶解产糖效率的变异幅度大;相关性分析结果显示,果胶组分中的糖醛酸含量与酸、碱预处理后的生物质酶解效率均呈极显著正相关。利用单因子实验进一步证明了糖醛酸含量是影响酶解效率的主效结构因子。推测其机理为:果胶糖醛酸通过间接负调控木质素含量和正调控半纤维素含量,从而降低了木质纤维素的结晶度,从而大大提高了生物质的酶解产糖效率。该结果为细胞壁果胶的筛选和评价提供了新思路。第二部分:利用生物信息学、糖组学、组织免疫学、生物化学和分子生物学等手段,以拟南芥T-DNA敲除突变体为材料,对拟南芥PMEs超大基因家族中的2个新基因PME1和PME26进行了遗传鉴定和表征分析;通过体外提取细胞壁多糖,进行糖组芯片分析,原位免疫荧光标记,单糖成分测定,以及核磁共振检测。结果表明,突变体pme1和pme26的果胶甲酯度升高;通过抑制PMEs介导的果胶去甲酯化作用,可以改变其它细胞壁多聚物的组分和物理特性,可提取多聚物增多,从而降低木质纤维素的结晶度,使生物质酶解产糖效率提高28%-62%。首次尝试利用原子力显微镜单分子成像技术,初步观察了拟南芥果胶单分子纳米级形貌。这些研究进一步阐明了PME1和PME26在调控细胞壁果胶甲酯化程度和细胞壁降解中的作用,为开展该类基因在其他能源作物中的功能研究提供了理论基础。
【学位单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S578
【部分图文】：
2.1 植物茎秆初生生长和次生生长阶段次生细胞壁茎秆横切面解剖结构（Meents et al 20Fig. 2.1 SCWs in primary and secondary stem growth (Meents et al 2018)（A）单子叶植物；（B）双子叶植物；（C）裸子植物；（D）被子植物.(A) Monocot; (B) Eudicot; (C) Gymnosperm; (D) Angiosperm.从细胞壁成分角度来看，初生壁可分为 I 型（双子叶和非禾本科单子叶植物）和本科植物）（图 1.2），两类初生壁的纤维素含量相似，但 I 型中果胶和壁蛋白含 II 型，其中果胶含量占初生壁的 35%左右，半纤维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 型中主要的非纤维素多糖为半纤维是葡萄糖醛酸阿拉伯木聚糖，同时含有少量的 β-葡聚糖和木葡聚糖（Carpiaut 1993; Vogel 2008）。次生壁主要含有纤维素、木聚糖和木质素，以及少量的果聚糖，是纤维乙醇的主要原料。草本单子叶植物次生壁的半纤维素主要是葡萄糖
图 1.2 植物初生壁和次生壁的结构和组成 (Loix et al 2017) 1.2 Structure and composition of the primary and secondary cell walls of plant (Loix et 细胞壁多聚物的成分特性1 纤维素纤维素（cellulose）地球上含量最丰富的多聚物，年产量是 1010-1012吨，对
图 1.3 纤维素微纤丝的化学结构和物理形貌（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）纤维素的分子间和分子内氢键；（b）非结晶区和结晶区；（c）微纤丝的形貌.(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 半纤维素半纤维素（Hemicelluloses,HC）在次生壁中约占 10%-40%，是一类异质性多聚糖，不溶于螯合剂 EDTA，常温下就可以被碱溶液提取。由葡萄糖、木糖或甘露糖构成主链，有些还含有阿拉伯糖（arabinose,Ara）、木糖（xylose,Xyl）、半乳糖（galactose,Gal）、岩藻糖（fucose, Fuc）、葡萄糖醛酸（glucuronicacid,GlcA）分支侧链，主链和侧链单糖组成随植物种类和发育时期而变（Scheller and Ulvskov 2010）。
【参考文献】
本文编号：2879136
【学位单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S578
【部分图文】：
2.1 植物茎秆初生生长和次生生长阶段次生细胞壁茎秆横切面解剖结构（Meents et al 20Fig. 2.1 SCWs in primary and secondary stem growth (Meents et al 2018)（A）单子叶植物；（B）双子叶植物；（C）裸子植物；（D）被子植物.(A) Monocot; (B) Eudicot; (C) Gymnosperm; (D) Angiosperm.从细胞壁成分角度来看，初生壁可分为 I 型（双子叶和非禾本科单子叶植物）和本科植物）（图 1.2），两类初生壁的纤维素含量相似，但 I 型中果胶和壁蛋白含 II 型，其中果胶含量占初生壁的 35%左右，半纤维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 型中主要的非纤维素多糖为半纤维是葡萄糖醛酸阿拉伯木聚糖，同时含有少量的 β-葡聚糖和木葡聚糖（Carpiaut 1993; Vogel 2008）。次生壁主要含有纤维素、木聚糖和木质素，以及少量的果聚糖，是纤维乙醇的主要原料。草本单子叶植物次生壁的半纤维素主要是葡萄糖
图 1.2 植物初生壁和次生壁的结构和组成 (Loix et al 2017) 1.2 Structure and composition of the primary and secondary cell walls of plant (Loix et 细胞壁多聚物的成分特性1 纤维素纤维素（cellulose）地球上含量最丰富的多聚物，年产量是 1010-1012吨，对
图 1.3 纤维素微纤丝的化学结构和物理形貌（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）纤维素的分子间和分子内氢键；（b）非结晶区和结晶区；（c）微纤丝的形貌.(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 半纤维素半纤维素（Hemicelluloses,HC）在次生壁中约占 10%-40%，是一类异质性多聚糖，不溶于螯合剂 EDTA，常温下就可以被碱溶液提取。由葡萄糖、木糖或甘露糖构成主链，有些还含有阿拉伯糖（arabinose,Ara）、木糖（xylose,Xyl）、半乳糖（galactose,Gal）、岩藻糖（fucose, Fuc）、葡萄糖醛酸（glucuronicacid,GlcA）分支侧链，主链和侧链单糖组成随植物种类和发育时期而变（Scheller and Ulvskov 2010）。
【参考文献】
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3 于延冲;易自力;周功克;;能源植物芒草研究进展与综合利用现状[J];生命科学;2014年05期
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5 彭良才;;论中国生物能源发展的根本出路[J];华中农业大学学报(社会科学版);2011年02期
本文编号：2879136
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