水稻生物质高效降解的结构因子与遗传特性解析以及纤维素的定向遗传改良

发布时间：2022-05-03 01:13

　　能源作物细胞壁遗传改良是提高生物质酶解效率和生物乙醇产量的有效途径。能源作物遗传改良需要解决三个主要科学问题:（1）鉴定影响生物质酶解效率的主要细胞壁结构因子;（2）揭示细胞壁结构因子的分子遗传基础;（3）探索细胞壁遗传改良的方法与途径。迄今,影响生物质酶解效率的细胞壁结构因子尚未完全鉴定,且极少通过数量遗传学的方法进行研究;另外,能源作物的遗传改良主要侧重于木质素或半纤维素生物合成的调控,而调控纤维素合成的较少。故本研究在遗传群体水平上全面分析了纤维素、木质素和以半纤维为主的单糖对生物质酶解效率的影响,利用近红外技术实现了水稻生物质酶解效率和细胞壁结构因子的高通量快速测定和数量性状位点定位,通过精细编辑水稻次生细胞壁纤维素合酶基因复合体,创建了纤维素结晶度和聚合度下降、生物质酶解效率和乙醇发酵产率显著升高且重要农艺性状未受影响的优质水稻突变体材料,为能源作物纤维素的定向精细改良提供了方法与手段。主要结果如下:1.选用100份水稻重组自交系群体,全面分析了晶体纤维素含量、纤维素结晶度、木质素总量、酸溶或酸不溶木质素含量、木质素单体组成、半纤维素单糖组成和两种预处理条件下的生物质酶解效率... 

【文章页数】：188 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
缩略词表
1 文献综述
    1.1 前言
    1.2 植物细胞壁结构与生物质酶解
        1.2.1 纤维素结构
        1.2.2 木质素结构
        1.2.3 半纤维素结构
        1.2.4 果胶结构
    1.3 植物细胞壁生物合成与遗传改良
        1.3.1 纤维素生物合成
        1.3.2 木质素生物合成
        1.3.3 半纤维生物合成
        1.3.4 果胶生物合成
    1.4 生物质酶解效率相关数量性状位点(QTL)研究
        1.4.1 细胞壁组分QTL
        1.4.2 生物质酶解效率QTL
    1.5 细胞壁组分和生物质酶解效率分析方法
        1.5.1 传统化学方法
        1.5.2 高通量分析平台
        1.5.3 近红外模型预测
    1.6 CRISPR/Cas9 基因编辑技术与植物细胞壁遗传改良
        1.6.1 CRISPR/Cas9 技术的原理与发展
        1.6.2 CRISPR/Cas9 在细胞壁遗传改良中的应用
    1.7 本研究的目的和意义
2 实验材料与方法
    2.1 实验材料
        2.1.1 水稻材料
        2.1.2 基因编辑和转基因载体
    2.2 主要仪器与试剂
        2.2.1 主要仪器
        2.2.2 主要试剂
    2.3 实验方法
        2.3.1 水稻种植和生物质粉末制备
        2.3.2 细胞壁成分分析
        2.3.3 纤维素结晶度测定
        2.3.4 纤维素聚合度测定
        2.3.5 生物质预处理及酶解
        2.3.6 生物质酶解发酵及乙醇浓度测定
        2.3.7 近红外建模
        2.3.8 QTL定位
        2.3.9 基因编辑
        2.3.10 Os CESA9 蛋白片段表达
        2.3.11 大肠杆菌和农杆菌感受态制备和转化
        2.3.12 水稻愈伤侵染和组织培养
        2.3.13 水稻生物学性状考察
        2.3.14 数据统计分析
3 结果与分析
    3.1 水稻群体细胞壁成分和生物质酶解效率
    3.2 水稻生物质酶解效率结构因子鉴定
        3.2.1 纤维素相关性状对酶解效率的影响
        3.2.2 木质素相关性状对酶解效率的影响
        3.2.3 半纤维素单糖对酶解效率的影响
    3.3 水稻生物质酶解效率与细胞壁结构因子近红外模型建立
        3.3.1 水稻生物质近红外光谱分析
        3.3.2 近红外建模集和验证集样品选择
        3.3.3 近红外模型的建立和验证
        3.3.4 近红外模型的特征波长分析
    3.4 近红外模型预测生物质酶解效率和细胞壁结构因子性状
    3.5 细胞壁结构因子之间相关性
    3.6 生物质酶解效率与细胞壁结构因子QTL鉴定
    3.7 生物质酶解效率和细胞壁结构因子QTL共定位
    3.8 分子标记辅助筛选能源水稻
    3.9 水稻纤维素合酶基因编辑
    3.10 纤维素合酶基因敲除与水稻生长
    3.11 纤维素合酶结构域缺失与水稻生长
    3.12 纤维素合酶点突变与纤维素改良
        3.12.1 ZnF区点突变
        3.12.2 P-CR区点突变
        3.12.3 CSR区点突变
        3.12.4 QXXRW区点突变
        3.12.5 TMD区点突变
    3.13 纤维素对水稻生物质酶解效率和生物学性状的影响
    3.14 OsCESA4/7/9突变体优质能源水稻材料筛选
    3.15 优质水稻突变体A7P2-ec29和A7P2-ec31的生物学性状
    3.16 A7P2-ec29和A7P2-ec31的细胞壁成分和纤维素特征
    3.17 A7P2-ec29和A7P2-ec31的生物质酶解效率和乙醇发酵产率
    3.18 纤维素合酶突变蛋白对纤维素合成的影响
        3.18.1 纤维素合酶点突变蛋白
        3.18.2 纤维素合酶蛋白片段
4 讨论
    4.1 木质素对生物质酶解效率的影响
    4.2 木质素单体与酸溶木质素之间的关系
    4.3 半纤维素单糖与木质素之间的关系
    4.4 不同酶解程度下的生物质酶解效率影响因子
    4.5 近红外技术在生物质酶解效率研究中的应用
    4.6 水稻次生细胞壁纤维素合酶突变体脆秆表型形成的原因
    4.7 纤维素合酶各功能域的作用
    4.8 A7P2-ec29和A7P2-ec31在纤维素乙醇生产上的应用潜力
5 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
        5.2.1 细胞壁酶解效率相关性状的遗传位点定位和克隆
        5.2.2 半纤维素单糖和木质素的交联
        5.2.3 植物纤维素合酶基因结构域和关键位点的功能鉴定
        5.2.4 次生细胞壁纤维素合酶基因编辑培育优质能源作物
数据说明
参考文献
附录
    附录一 常用试剂配方
    附录二 OsCESA4/7/9结构域的位置
    附录三 OsCESA4/7/9基因编辑载体和spacer序列
    附录四 突变位点扩增测序引物
    附录五 作者简历
博士在读期间发表的论文
致谢



本文编号：3650330