本文關(guān)鍵詞：植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)特征與生物質(zhì)高效利用分子機(jī)理研究

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【摘要】：植物細(xì)胞壁主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和壁蛋白等組成。細(xì)胞壁不僅決定植物細(xì)胞大小、形狀和機(jī)械強(qiáng)度,而且對植物形態(tài)發(fā)生、細(xì)胞生長和分化、細(xì)胞信號傳導(dǎo)、水分運輸以及應(yīng)對外界刺激反應(yīng)皆起重要作用。基于細(xì)胞壁是地球上最豐富的可再生能源物質(zhì),全球已開始大力推動木質(zhì)纖維乙醇的發(fā)展,并相繼開展了植物細(xì)胞壁的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。木質(zhì)纖維乙醇生產(chǎn)主要包括三個步驟:(1)預(yù)處理解離細(xì)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(chǎn)乙醇。然而,由于植物細(xì)胞壁已進(jìn)化出復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和化學(xué)機(jī)制用于抵抗微生物和動物的分解,故細(xì)胞壁的抗降解屏障從本質(zhì)上決定了木質(zhì)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(xì)胞壁高效降解及轉(zhuǎn)化的主要因素包括:(1)細(xì)胞壁中半纖維素和木質(zhì)素緊密包裹纖維素,使纖維素酶可及性低;(2)天然纖維素結(jié)晶度高,其酶解效率低;(3)細(xì)胞壁降解產(chǎn)生抑制物多,影響乙醇發(fā)酵等。因此,解析細(xì)胞壁結(jié)構(gòu),鑒定出提高生物質(zhì)降解效率的關(guān)鍵細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)因子具有重要科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。然而,遺傳改良作物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)不僅需要提高秸稈生物質(zhì)產(chǎn)量和降解效率,同時還需保證糧食產(chǎn)量與品質(zhì)�；谝陨峡茖W(xué)問題,本論文將從生物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化、能源植物選育、生物質(zhì)合成機(jī)理三個層面分別進(jìn)行研究和討論。其主要結(jié)果如下:第一章(生物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化):利用已收集到的大群體芒草材料,通過系統(tǒng)生物學(xué)分析,鑒定了在各種物化預(yù)處理條件下,影響生物質(zhì)酶解的細(xì)胞壁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因子,即芒草半纖維素分支度(Ara/Xyl)顯著降低纖維素結(jié)晶度(Cr I),提高生物質(zhì)產(chǎn)糖效率。第二章(能源植物選育):利用系統(tǒng)生物學(xué)方法,分析36份水稻細(xì)胞壁突變體材料,揭示水稻半纖維素阿拉伯糖(Ara)含量負(fù)調(diào)控纖維素結(jié)晶度,從而正調(diào)控水稻秸稈生物質(zhì)降解效率和植物抗倒伏能力,并從中鑒定出2份優(yōu)質(zhì)能源水稻材料,即植物生長發(fā)育正常、種子產(chǎn)量穩(wěn)定、生物質(zhì)降解效率大幅提高。第三章(生物質(zhì)合成機(jī)理):利用正向遺傳學(xué)方法,篩選并鑒定了一個表型正常、生物質(zhì)降解效率顯著提高的細(xì)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(fù)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(fù)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(jié)晶度(Cr I),導(dǎo)致植物抗倒伏能力和生物質(zhì)降解效率顯著提高。全基因組表達(dá)芯片分析進(jìn)一步表明:Os CESA9保守位點突變后,該突變體在全基因組內(nèi)啟動了自我調(diào)節(jié)機(jī)制,以維持突變體植物正常生長。
【關(guān)鍵詞】：芒草 水稻 細(xì)胞壁 生物質(zhì)降解 抗倒伏 纖維素結(jié)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(yù)處理 OsCESA9 OsGH9 OsXAT
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(xiàn)綜述14-60
• 1.1 生物質(zhì)能14-16
• 1.1.1 生物質(zhì)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(xì)胞壁結(jié)構(gòu)16-28
• 1.2.1 纖維素結(jié)構(gòu)17-20
• 1.2.2 半纖維素結(jié)構(gòu)20-23
• 1.2.3 木質(zhì)素結(jié)構(gòu)23-24
• 1.2.4 植物細(xì)胞壁組分之間的互作24-28
• 1.3 植物細(xì)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(zhì)素合成50-51
• 1.4 生物質(zhì)降解51-55
• 1.4.1 生物質(zhì)預(yù)處理51-52
• 1.4.2 纖維素與生物質(zhì)降解52-53
• 1.4.3 半纖維素與生物質(zhì)降解53-54
• 1.4.4 木質(zhì)素與生物質(zhì)降解54-55
• 1.5 細(xì)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(guān)系56-57
• 1.5.3 細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)與抗倒伏57-58
• 1.5.4 水稻細(xì)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(jié)構(gòu)與生物質(zhì)酶解產(chǎn)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(xì)胞壁多糖成分提取和測定63-64
• 2.3.2 木質(zhì)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(jié)晶度測定66
• 2.3.6 生物質(zhì)稀酸預(yù)處理及酶解66-67
• 2.3.7 生物質(zhì)稀堿預(yù)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(shù)據(jù)統(tǒng)計分析68-69
• 3 結(jié)果分析69-76
• 3.1 芒草細(xì)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(guān)性70-73
• 3.3 木質(zhì)纖維素酶解機(jī)理73-76
• 3.4 半纖維素組成與纖維素結(jié)晶度相關(guān)性76
• 4 討論76-77
• 5 論文數(shù)據(jù)說明77-78
• 第二章 水稻細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)與植物抗倒伏特性及生物質(zhì)酶解產(chǎn)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(xì)胞壁多糖成分提取和測定82-83
• 2.3.2 木質(zhì)素含量測定83
• 2.3.3 HPLC測定木質(zhì)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(jié)晶度測定84
• 2.3.7 生物質(zhì)稀酸稀堿預(yù)處理及酶解84
• 2.3.8 掃描電鏡觀察84
• 2.3.9 水稻生物學(xué)性狀考察84-85
• 2.3.10 細(xì)胞壁相關(guān)基因表達(dá)分析85-89
• 2.3.11 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析89
• 3 結(jié)果分析89-100
• 3.1 水稻突變體細(xì)胞壁和降解效率及倒伏指數(shù)的變異性89-91
• 3.2 水稻突變體細(xì)胞壁組分與降解效率和倒伏指數(shù)關(guān)聯(lián)分析91-92
• 3.3 細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)與降解效率和倒伏指數(shù)相關(guān)性92-94
• 3.4 細(xì)胞壁三大組分間關(guān)聯(lián)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(xì)胞壁相關(guān)基因表達(dá)分析99-100
• 4 討論100-103
• 4.1 水稻細(xì)胞壁突變體大規(guī)模篩選100-101
• 4.2 水稻細(xì)胞壁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因子作用機(jī)理模型101-102
• 4.3 細(xì)胞壁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因子遺傳改良102-103
• 4.4 快速檢測水稻生物質(zhì)降解效率新方法103
• 5.論文數(shù)據(jù)說明103-104
• 第三章 Osfc16特異突變體生物學(xué)特性與生物質(zhì)酶解產(chǎn)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(zhǔn)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(jī)械強(qiáng)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(xì)胞壁組分提取及測定112
• 2.3.5 細(xì)胞壁木質(zhì)素總量及單體含量測定112
• 2.3.6 纖維素結(jié)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(zhì)稀酸稀堿預(yù)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(dá)分析120-121
• 2.3.19 Osfc16轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)載體構(gòu)建121-125
• 2.3.20 水稻成熟胚愈傷組織的誘導(dǎo)、分化、生根及移栽方法125-127
• 3 結(jié)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(xì)胞壁結(jié)構(gòu)分析133-135
• 3.4 Osfc16纖維素結(jié)晶度和聚合度測定135-136
• 3.5 Osfc16生物質(zhì)降解效率及乙醇產(chǎn)率提高136-138
• 3.6 Osfc16纖維素合酶復(fù)合體檢測138-141
• 3.7 Osfc16全基因組芯片表達(dá)分析141-148
• 4 討論148-149
• 5.論文數(shù)據(jù)說明149-150
• 全文總結(jié)與展望150-152
• 參考文獻(xiàn)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(xiàn)】

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本文編號：1005228