芒草细胞壁降解中的多糖变化和NcPMO-2在植物中功能探索

发布时间：2018-11-08 19:03

【摘要】：植物细胞壁是由不同多糖组成的复杂结构。储藏于植物细胞壁中的含量丰富的木质纤维素(生物质)可以通过各种物理化学预处理和生物酶解方法转化为生物乙醇等能源产品,纤维素酶解在生物质酶解中是至关重要的一步。在生物质降解过程中,细胞壁的抗降解性是阻碍生物能源产业化的最重要因素,因此,研究生物质原料的细胞壁结构对于改进生物质降解工艺流程及定向培育可高效利用的能源作物具有重要意义。本课题分为两个部分:免疫荧光法检测芒草细胞壁降解中的多糖变化部分主要利用细胞壁多糖特异抗体检测直接酶解过程中或酸、碱预处理加酶解过程中,芒草茎秆细胞壁中纤维素、半纤维素、果胶多糖的变化,结合吸光度法测定己糖、戊糖、糖醛酸的含量以及气相质谱测定单糖含量的变化,揭示细胞壁各组分之间的联系和对预处理酶解的影响度,为深入理解芒草细胞壁结构和芒草的定向能源作物育种的研究提供一定依据。本课题取得的主要结果如下:1.在预处理及酶解过程中,基本组织及薄壁细胞最先被降解,其次是维管束的韧皮部,维管束中原生木质部是最难降解的组织;2.碱预处理对纤维素基本不起作用,而酸预处理能去除少量纤维素;3.酸处理酶解释放戊糖、己糖均低于碱处理酶解释放量,而且酸碱预处理后酶解戊糖、己糖释放量显著高于直接酶解;4.酸碱预处理不能去除XyG(木葡聚糖),但XyG是酶解中最先被去除的成分;酸碱预处理对部分甲酯化的HG(同聚半乳糖醛酸)的降解效果明显,对半纤维素多糖的作用并不明显;5.本实验所用材料中,芒的戊糖、己糖、糖醛酸释放量在预处理酶解过程中始终高于荻,单糖释放量也有相同的规律;6.半纤维素主要成分Xylan不易去除,随着预处理酶解的进行,戊糖释放量(比色法)及xylose单糖含量(GC-MS)始终呈增长趋势。第二部分是关于微生物中近期发现的一种新型氧化酶真菌多糖单氧化酶(PMO),该酶在高等植物中的研究尚为空白。纤维素酶解在生物质降解中是至关重要的一步。传统的纤维素酶通过加水脱氢切断纤维素链,得到寡聚糖,最终被降解成单糖。近期发现的新型氧化酶PMO改变了传统纤维素酶解的模式,通过对C1端或C4端的氧化切断糖苷键。这种类型的酶具有平滑的底物结合表面和Cu离子活性中心,与纤维素晶体区结合,氧化酶切作用还需要电子供体和O2。随着研究的深入发现PMO的底物十分多样化,除了纤维素,半纤维素、淀粉等多糖都能被其氧化降解,从而揭示了PMO在细胞壁降解中扮演着重要的角色。PMO在细菌和真菌中的研究已十分广泛,但在高等植物中的功能未知。本文将红色面包霉中的PMO基因Nc PMO-2转入高等植物拟南芥和水稻中,试图研究真菌纤维素氧化酶PMO在高等植物中发挥的作用及对生物质降解效率的影响。主要结果如下:1.人工合成Nc PMO-2 c DNA序列,构建PMO-p D1301S与PMO-p UBI超表达载体,分别转入拟南芥和水稻,得到超表达转基因植株;2.拟南芥超表达植株表现出分支位置降低的表型,水稻超表达植株表现出分蘖增多、结实率降低、秸秆生物量增加的表型;3.拟南芥超表达植株成熟茎秆细胞壁成分中,纤维素含量显著升高,晶体纤维素比例降低;水稻超表达植株纤维素及晶体纤维素含量均显著降低;4.拟南芥与水稻超表达植株酶解糖化效率均显著升高,升高幅度达12%-25%。
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【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S578

【参考文献】