本文關鍵詞：植物細胞壁結構特征與生物質高效利用分子機理研究

  更多相關文章： 芒草 水稻 細胞壁 生物質降解 抗倒伏 纖維素結晶度 纖維素聚合度 木聚糖 阿拉伯糖 半纖維素分支度 酸堿預處理 OsCESA9 OsGH9 OsXAT

【摘要】：植物細胞壁主要由纖維素、半纖維素、木質素和壁蛋白等組成。細胞壁不僅決定植物細胞大小、形狀和機械強度,而且對植物形態(tài)發(fā)生、細胞生長和分化、細胞信號傳導、水分運輸以及應對外界刺激反應皆起重要作用�；诩毎谑堑厍蛏献钬S富的可再生能源物質,全球已開始大力推動木質纖維乙醇的發(fā)展,并相繼開展了植物細胞壁的基礎和應用研究。木質纖維乙醇生產主要包括三個步驟:(1)預處理解離細胞壁聚合物;(2)纖維素酶解釋放可溶性糖;(3)酵母發(fā)酵可溶性糖產乙醇。然而,由于植物細胞壁已進化出復雜的網絡結構和化學機制用于抵抗微生物和動物的分解,故細胞壁的抗降解屏障從本質上決定了木質纖維乙醇成本高、效率低和第二次環(huán)境污染。初步研究表明,影響細胞壁高效降解及轉化的主要因素包括:(1)細胞壁中半纖維素和木質素緊密包裹纖維素,使纖維素酶可及性低;(2)天然纖維素結晶度高,其酶解效率低;(3)細胞壁降解產生抑制物多,影響乙醇發(fā)酵等。因此,解析細胞壁結構,鑒定出提高生物質降解效率的關鍵細胞壁結構因子具有重要科學意義和實際應用價值。然而,遺傳改良作物細胞壁結構不僅需要提高秸稈生物質產量和降解效率,同時還需保證糧食產量與品質�；谝陨峡茖W問題,本論文將從生物質降解轉化、能源植物選育、生物質合成機理三個層面分別進行研究和討論。其主要結果如下:第一章(生物質降解轉化):利用已收集到的大群體芒草材料,通過系統(tǒng)生物學分析,鑒定了在各種物化預處理條件下,影響生物質酶解的細胞壁關鍵結構因子,即芒草半纖維素分支度(Ara/Xyl)顯著降低纖維素結晶度(Cr I),提高生物質產糖效率。第二章(能源植物選育):利用系統(tǒng)生物學方法,分析36份水稻細胞壁突變體材料,揭示水稻半纖維素阿拉伯糖(Ara)含量負調控纖維素結晶度,從而正調控水稻秸稈生物質降解效率和植物抗倒伏能力,并從中鑒定出2份優(yōu)質能源水稻材料,即植物生長發(fā)育正常、種子產量穩(wěn)定、生物質降解效率大幅提高。第三章(生物質合成機理):利用正向遺傳學方法,篩選并鑒定了一個表型正常、生物質降解效率顯著提高的細胞壁突變體材料Osfc16。研究表明:該突變體次生纖維素合酶Os CESA9保守位點突變,降低了纖維素合酶復合體(CSC)穩(wěn)定性,縮短CSC運行活性,并通過蛋白酶體途徑使復合體蛋白快速降解,從而合成低聚合度(low-DP)纖維素,直接降低纖維素結晶度(Cr I),導致植物抗倒伏能力和生物質降解效率顯著提高。全基因組表達芯片分析進一步表明:Os CESA9保守位點突變后,該突變體在全基因組內啟動了自我調節(jié)機制,以維持突變體植物正常生長。
【關鍵詞】：芒草 水稻 細胞壁 生物質降解 抗倒伏 纖維素結晶度 纖維素聚合度 木聚糖 阿拉伯糖 半纖維素分支度 酸堿預處理 OsCESA9 OsGH9 OsXAT
【學位授予單位】：華中農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：S216.2;Q942
【目錄】：

• 摘要8-10
• Abstract10-12
• 縮略詞表12-14
• 文獻綜述14-60
• 1.1 生物質能14-16
• 1.1.1 生物質能概念14
• 1.1.2 能源植物和能源作物14-15
• 1.1.3 纖維素乙醇的發(fā)展15-16
• 1.2 植物細胞壁結構16-28
• 1.2.1 纖維素結構17-20
• 1.2.2 半纖維素結構20-23
• 1.2.3 木質素結構23-24
• 1.2.4 植物細胞壁組分之間的互作24-28
• 1.3 植物細胞壁生物合成28-51
• 1.3.1 纖維素生物合成28-46
• 1.3.2 半纖維素生物合成46-50
• 1.3.3 木質素合成50-51
• 1.4 生物質降解51-55
• 1.4.1 生物質預處理51-52
• 1.4.2 纖維素與生物質降解52-53
• 1.4.3 半纖維素與生物質降解53-54
• 1.4.4 木質素與生物質降解54-55
• 1.5 細胞壁與植物抗倒伏55-59
• 1.5.1 水稻倒伏鑒定和評價56
• 1.5.2 植物莖稈生理形態(tài)與抗倒伏關系56-57
• 1.5.3 細胞壁結構與抗倒伏57-58
• 1.5.4 水稻細胞壁與抗倒伏研究展望58-59
• 1.6 本研究目的與意義59-60
• 第一章 芒草半纖維素結構與生物質酶解產糖60-78
• 摘要60-61
• Abstract61-63
• 2 實驗材料和方法63-69
• 2.1 實驗材料63
• 2.2 主要儀器與試劑63
• 2.3 試驗方法63-69
• 2.3.1 細胞壁多糖成分提取和測定63-64
• 2.3.2 木質素含量測定64-65
• 2.3.3 比色法測定六碳糖和五碳糖65-66
• 2.3.4 GC-MS測定半纖維素單糖66
• 2.3.5 纖維素結晶度測定66
• 2.3.6 生物質稀酸預處理及酶解66-67
• 2.3.7 生物質稀堿預處理及酶解67
• 2.3.8 粗纖維素組分單酶酶解提取和測定67-68
• 2.3.9 掃描電鏡觀察68
• 2.3.10 數據統(tǒng)計分析68-69
• 3 結果分析69-76
• 3.1 芒草細胞壁組分及降解效率多樣性69-70
• 3.2 芒草半纖維素與降解效率相關性70-73
• 3.3 木質纖維素酶解機理73-76
• 3.4 半纖維素組成與纖維素結晶度相關性76
• 4 討論76-77
• 5 論文數據說明77-78
• 第二章 水稻細胞壁結構與植物抗倒伏特性及生物質酶解產糖效率78-104
• 摘要78-80
• Abstract80-82
• 2 實驗材料與方法82-89
• 2.1 大田水稻材料82
• 2.2 主要儀器與試劑82
• 2.3 實驗方法82-89
• 2.3.1 細胞壁多糖成分提取和測定82-83
• 2.3.2 木質素含量測定83
• 2.3.3 HPLC測定木質素單體83
• 2.3.4 比色法測定六碳糖和五碳糖83
• 2.3.5 GC-MS測定半纖維素單糖83-84
• 2.3.6 纖維素結晶度測定84
• 2.3.7 生物質稀酸稀堿預處理及酶解84
• 2.3.8 掃描電鏡觀察84
• 2.3.9 水稻生物學性狀考察84-85
• 2.3.10 細胞壁相關基因表達分析85-89
• 2.3.11 數據統(tǒng)計分析89
• 3 結果分析89-100
• 3.1 水稻突變體細胞壁和降解效率及倒伏指數的變異性89-91
• 3.2 水稻突變體細胞壁組分與降解效率和倒伏指數關聯分析91-92
• 3.3 細胞壁結構與降解效率和倒伏指數相關性92-94
• 3.4 細胞壁三大組分間關聯分析94-95
• 3.5 突變體Osfc17和Osfc30鑒定95-97
• 3.6 莖稈組織降解原位（in situ）和體外（in vitro）掃描電鏡觀察97-99
• 3.7 突變體細胞壁相關基因表達分析99-100
• 4 討論100-103
• 4.1 水稻細胞壁突變體大規(guī)模篩選100-101
• 4.2 水稻細胞壁關鍵結構因子作用機理模型101-102
• 4.3 細胞壁關鍵結構因子遺傳改良102-103
• 4.4 快速檢測水稻生物質降解效率新方法103
• 5.論文數據說明103-104
• 第三章 Osfc16特異突變體生物學特性與生物質酶解產糖104-150
• 摘要104-106
• Abstract106-109
• 2 實驗材料、儀器與方法109-127
• 2.1 材料準備109
• 2.2 主要儀器及試劑109
• 2.3 實驗方法109-127
• 2.3.1 水稻材料收集及測定109-110
• 2.3.2 植株機械強度測定110
• 2.3.3 Osfc16突變體基因圖位克隆110-112
• 2.3.4 水稻細胞壁組分提取及測定112
• 2.3.5 細胞壁木質素總量及單體含量測定112
• 2.3.6 纖維素結晶度（Cr I）測定112-113
• 2.3.7 纖維素聚合度（DP）測定113-114
• 2.3.8 生物質稀酸稀堿預處理及酶解114
• 2.3.9 乙醇發(fā)酵及測定114
• 2.3.10 掃描電鏡觀察114-115
• 2.3.11 透射電鏡觀察115
• 2.3.12 熒光增白劑（Cacoflour）和除草劑CGA處理水稻幼苗115
• 2.3.13 水稻總膜蛋白的提取115-116
• 2.3.14 纖維素體外合成116-117
• 2.3.15 免疫共沉淀（Co-IP）117-118
• 2.3.16 SDS-PAGE膠制備118-119
• 2.3.17 Western Blot119-120
• 2.3.18 水稻芯片表達分析120-121
• 2.3.19 Osfc16轉基因互補載體構建121-125
• 2.3.20 水稻成熟胚愈傷組織的誘導、分化、生根及移栽方法125-127
• 3 結果分析127-148
• 3.1 Osfc16和Osfc80突變體鑒定127-131
• 3.2 Osfc16和Osfc80表型觀測131-133
• 3.3 Osfc16細胞壁結構分析133-135
• 3.4 Osfc16纖維素結晶度和聚合度測定135-136
• 3.5 Osfc16生物質降解效率及乙醇產率提高136-138
• 3.6 Osfc16纖維素合酶復合體檢測138-141
• 3.7 Osfc16全基因組芯片表達分析141-148
• 4 討論148-149
• 5.論文數據說明149-150
• 全文總結與展望150-152
• 參考文獻152-184
• 附錄184-201
• 附錄1 常用試劑配方184-200
• 附錄2 個人簡介200-201
• 攻讀博士期間發(fā)表的論文201-203
• 致謝203-205

【參考文獻】

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本文編號：1005228