木质素合成关键酶基因与造纸植物转基因改良应用研究

木质素是自然界数量仅次于纤维素的自然有机物质,但在造纸业中是主要的污染来源。木质素生物合成过程十分复杂,涉及了大量酶体系。综述了木质素合成途径中的关键调控酶特性及其基因调控情况,从培育低木质素、易降解木质素的造纸植物为出发点,分析了这些关键基因在转基因造纸植物应用中的潜力和存在的主要问题,并提出了应从改变植物体内木质素含量、改变木质素单体构成比例这两个方面进行转基因的研究思路。     

植物木质素生物合成转录因子及调控遗传网络分析

利用生物信息学的方法,对有代表性的23个调控植物木质素生物合成的转录因子进行系统发育树和保守基序分析,同时结合已报道的转录因子功能,构建维管植物次生细胞壁生物合成的调控遗传网络。结果表明:系统发育树中MYB转录因子、NAC转录因子和NtLIM转录因子各聚为一类。保守基序中除PttMYB21a外,MYB转录因子都具有2个不相同的MYB DNA结合域SANT基序;NAC转录因子都具有共同的保守基序NAM。调控遗传网络中11个转录调控模块通过调控自身/下游转录因子/包含AC元件的木质素单体途径基因/不包含AC元件的木质素单体途径基因对次生细胞壁生物合成产生影响。     

阳离子絮凝剂木质素季胺盐的合成与脱色性能研究

以硫酸盐法造纸黑液中的木质素为原料，合成了木质素季胺盐絮凝剂，比较了不同催化剂对合成产物性能的影响，采用红外光谱(FTIR)表征了木质素季胺盐，用高浓度、高色度的酸染料ATT对木质素季胺盐的絮凝脱色性能进行了定量分析。研究结果表明，硫酸盐木质素通过接枝反应，可合成阳离子絮凝剂——木质素季胺盐。季胺盐单体的合成：温度-3℃至-6℃，三甲胺和环氧氯丙烷的摩尔比为1：0．7，木质素接枝季胺盐单体，适宜的催化剂为过硫酸铵，加入量0．5％，木质素季胺盐在酸性条件下(pH值为2-3)对染料废水絮凝脱色，投加量2-3g／L。该改性天然高分子是一种性能良好的染料废水的絮凝剂。     

林木遗传工程及木质素的生物合成调节(英文)

林木遗传工程有利于保存林木遗传资源，改善全球气候，减轻自然林的过度采伐和满足人类日益增长的林木产品需求。控制林木真菌、病毒病、虫害和杂草的遗传工程方法正被广泛地研究和应用。尽管转基因林木的历史不长，种类不多，但它有广泛的应用前景。目前，抗除草剂基因、抗虫基因以及和木材质量相关的基因已被分离并应用于林木遗传工程。植物分子生物学和基因组学中的新技术使得高效林木遗传改良成为可能并将促进这些技术的商业化应用。木质素的应用已有一百年的历史，但木质素生物合成的全过程并不完全清楚。有关松树自然突变体和转基因林木的最新研究结果表明，木质素的生物合成是一个可以调节的过程。这些发现对完善木质素的生物合成途径、加深对木质素前体生物合成途径的理解和通过遗传工程改善木材质量有促进作用。本文综述了林木遗传工程在这些领域中取得的一些进展。     

日本落叶松木质部发育相关基因筛选及其共表达网络构建

【目的】鉴定日本落叶松木质部发育相关基因,构建核心基因与木质部发育相关基因的共表达网络,为后期开展日本落叶松木材形成相关研究提供参考。【方法】对日本落叶松木质部、韧皮部和针叶3个组织进行二代和三代转录组测序,利用R软件的DEseq2包筛选木质部相对韧皮部和木质部相对针叶的差异表达基因,通过整合2组差异基因获得木质部特异表达基因,借助GO、KEGG及BLASTN等生物信息学分析手段探索基因功能,利用WGCNA分析构建木质部特异表达基因共表达网络。【结果】共获得2 596个木质部特异的高表达和低表达基因;GO分析结果显示这些基因在代谢过程、细胞过程、定位膜、细胞、细胞组件、催化活性、位点结合和转运活性等分类中显著富集; KEGG分析结果显示这些基因在淀粉和蔗糖代谢、类黄酮生物合成和代谢途径通路中显著富集,在苯丙烷代谢途径及淀粉和蔗糖代谢途径中分别富集到38个和196个基因;鉴定出木材形成相关基因,包括木质素合成相关基因PAL4、CCR1、C4H、HCT、COMT1、PER12、PER52、CYP98A3、LAC12和LAC17等,纤维素和半纤维素合成相关基因DEC、CEL1、Csl、CTL2和SPS3等; 2 596个木质部特异的高表达和低表达基因经WGCNA分析后筛选出与木质部发育相关基因关联度较高的17个核心基因。【结论】筛选的日本落叶松木质部发育相关基因参与半乳甘露聚糖合成、木葡聚糖合成、纤维素微纤丝形成、细胞壁纤维素合成、次生细胞壁形成过程、纤维伸长过程、调控合成木质素的碳代谢流、木质素生物合成及降解、木质素单体聚合、木质素单体甲基化和细胞程序化死亡等木材形成相关生物学过程;在共表达网络中筛选出的17个核心基因可作为今后研究的重点来探索其在木材形成过程中的具体功能。     

巴拉圭瓜多竹CAD基因的克隆与分析

肉桂醇脱氢酶(cinnamyl alcohol dehydrogenase,CAD,EC1.1.1.195)是木质素生物合成途径中的最后关键酶,在木质素的生物合成中发挥关键作用。本研究依据转录组数据设计特异性引物,采用RT-PCR方法成功地从巴拉圭瓜多竹中克隆得到一个全新CAD基因的c DNA全长序列,命名为GPCAD(Gene Bank登录为KJ784465)。序列分析结果表明,GPCAD基因片段包含完整的c DNA开放阅读框(ORF),序列全长1 080bp,编码含有359个氨基酸残基的蛋白质。Blast比对结果显示该蛋白质属于CAD家族蛋白;系统进化分析结果显示巴拉圭瓜多竹与禾本科植物亲缘关系较近;荧光定量PCR技术检测结果显示GPCAD在茎秆中表达量最高,叶中的表达量最低。本研究对巴拉圭瓜多竹CAD基因进行克隆与分析,为深入研究巴拉圭瓜多竹木质素代谢途径相关基因以及通过分子生物学手段对木质素的含量和单体比例进行调控提供科学依据。     

植物肉桂酰辅酶A还原酶基因的结构功能及应用潜力

木质素的合成途径非常复杂.肉桂酰辅酶A还原酶(cinnamoyl-CoA reductase,CCR)是木质素合成特异途径的第1个关键酶.可催化3种羟基肉桂酸的辅酶A酯的还原反应.生成相应的肉桂醛.主要综述了肉桂酰辅酶A还原酶基因在木质素合成中的功能、基本结构方面的研究进展,并介绍了该基因在造纸林木改育、作物品质改良、植物抗病抗逆及生物质能等方面研究中的应用.     

磺化木质素基链转移剂的合成及其在水相RAFT聚合中的应用

以玉米秸秆木质素为原料，将木质素磺化改性，再利用二硫化碳、溴乙酸甲酯对磺化木质素(SL)进行黄原酸酯功能化改性，合成了磺化木质素基链转移剂(SL-CTA)，之后将其用于丙烯酰胺的水相RAFT聚合反应制备磺化木质素-丙烯酰胺共聚物(SL-g-PAM)，并采用多种方法对链转移剂及共聚物进行表征。研究结果表明：相比于磺甲基化改性，芳基磺化改性的效果更好，当1 g木质素与2 g氯磺酸在25℃下反应4 h时，改性效果最佳，此时磺化木质素含S量为1.83%,M_w/M_n为1.19，含总羟基量为4.86 mmol/g，且水溶性良好。FT-IR、¹³C NMR对磺化木质素基链转移剂的结构表征结果发现：红外谱图显示900 cm^-1处出现C—S伸缩振动吸收峰及1 738 cm^-1处出现C=O特征峰，¹³C NMR谱图中δ172处出现了C=S的碳原子峰，共同证明了SL-CTA的成功合成。探究丙烯酰胺的水相RAFT聚合体系中单体/链转移剂/引发剂比例、pH值及反应温度对单体转化率的...     

C NMR分析

以侧链α位带^13C同位素标记的柏松醇葡萄糖苷作为起始物，在实验室中模拟木质素生物合成过程人工合成脱氢聚合物（DHP），得到带^13C标记的DHP。用高分辨率固体^13CNMR和红外光谱对DHP进行了分析。红外分析结果显示：该实验条件下用松柏醇葡萄糖苷的合成的DHP同天然银杏木材的磨木木质素（MWL）在组成和结构上有较好的相似性，613CNMR证明了β－O－4、β－β、β－5和松柏醇结构为DHP的主要结构，另有少量香兰素结构和α－位亚甲基结构。     

赤桉木质素合成途径OMT基因家族的原核表达与纯化研究

双子叶植物的木质素主要由愈创木基单体和紫丁香基木质素单体聚合形成,这两种单体的比例对造纸过程中木质素去除难易程度具有重要的影响。植物OMT基因家族的CCoAOMT和COMT基因是木质素合成途径的关键酶基因,可调控植物体内木质素单体的比例与含量。本文以所克隆的赤桉COMT、CCoAOMT1、CCoAOMT2三个基因的cDNA为模板,分别构建pET-32a的原核表达质粒,并优化在大肠杆菌BL21(λDE3)中的表达体系。结果显示,在加入0.4 mmol IPTG诱导表达后,COMT、CCoAOMT1、CCoAOMT2的原核表达质粒分别在4 h、2 h和3 h后达到可溶性重组蛋白表达峰值。通过渗透休克纯化方法,可在原核表达菌株的周质空间提纯CCoAOMT1和CCoAOMT2重组蛋白,在原核表达菌株的细胞质中可提纯COMT重组蛋白。     

Look back over the studies of lignin biochemistry

The role of the cinnamate pathway in monolignol biosynthesis based on feeding experiments with lignifying plant stems and characterization of the enzymes in the pathway, O-methyltransferase (OMT), cinnamyl alcohol dehydrogenase (CAD), etc. is discussed. Monolignol biosynthesis via metabolic grids according to newly characterized enzymes in the pathway is also reviewed and discussed. The cleavage mechanisms of side chains and aromatic rings by lignin peroxidase and laccase elucidated by using ¹⁸O, ²H, and ¹³C labeled lignin substructure dimers and DHP with ¹⁸O₂ and H₂ ¹⁸O are reviewed. Finally, the prospects of lignin biochemistry in the wood and paper industries are discussed according to the recent progress on gene technology on wood formation and microbial degradation of lignin.     

Lignification and peroxidase in tension wood ofEucalyptus viminalis seedlings

Seedlings ofEucalyptus viminalis were grown for 50 days with their stems bent so tension wood would form. Every 10 days the lignin content, monomeric composition, and peroxidase activity in the tension wood were compared with those in the lower side (opposite wood) and in vertically grown controls. The lignin content in the developing tension wood started to decrease after 10 days of bending and kept decreasing for 50 days, whereas those in control plants and opposite wood remained almost unchanged. The yields of syringaldehyde from tension wood by nitrobenzene oxidation increased, and consequently the syringyl/ guaiacyl ratio of the lignin was higher in tension wood than in opposite wood and control plants. The peroxidase ionically bound to the cell walls (IPO) catalyzed oxidation of guaiacol and syringaldazine. The syringaldazineoxidizing activity of IPO from tension wood increased, whereas the activities of IPO from opposite wood and control plants did not show any marked change. In tension wood the increase in syringaldazine-oxidizing activity of IPO was consistent with an increase in the syringaldehyde yield. This suggests that IPO contributes to syringyl lignin deposition as other enzymes involved in the monolignol biosynthesis do in tension wood formation.This study was presented at the 50th Annual Meeting of the Japan Wood Research Society, Kyoto, April 2000     

木质素生物合成及其基因调控的研究进展

木质素是地球上数量仅次于纤维素的有机物, 在植物生长发育中具有重要的生物学功能, 也是生物质能源的来源之一, 但在制浆造纸过程中, 将木材原料中木质素与纤维素分离, 不仅能耗高, 成本高, 而且废弃物还污染环境.林木木质素改良对于提高纸浆得率和质量、降低造纸经济成本以及环境保护, 都具有重要意义.文中介绍了木质素生物合成途径及其基因调控的研究进展, 此外, 还介绍了木质素生物合成基因调控的研究趋势, 主要是木质素特异性启动子、双价和多基因结构的共抑制以及转录因子的调控.     

木质素生物降解与生物制浆的研究现状分析

综述了木质素生物降解与生物制浆的研究现状 ,包括木质素降解代谢产物和降解途径与机制的研究、参与木质素降解的酶及其作用机制的研究、木腐菌对木材和木质素降解能力的研究以及高效降解木质素的生物制浆用优异菌株的筛选。对木质素生物降解与生物制浆的研究进行了展望。结果表明 :生物制浆由于既节省能源又有环境友好的特性而具有毋庸置疑的应用前景 ,在我国加强木质素生物降解和生物制浆的研究是势在必行的 ,这对于保护环境 ,缓解能源危机以及制浆造纸业的可持续发展都具有重要的意义。     

Activities of some enzymes of lignin formation in reaction wood of Thuja orientalis and Metasequoia glyptostroboides 2

Summary To elucidate biochemical features leading to p-hydroxyphenyl-rich lignin in gymnosperm reaction wood the activities of the following five enzymes involved in the biosynthesis of p-hydroxyphenyl lignin were compared in reaction and opposite woods: phenylalanine ammonialyase (EC 4.3.1.5), cinnamate 4-hydroxylase (EC 1.14.13.11), p-hydroxycinnamate: CoA ligase (EC 6.2.1.12), cinnamyl alcohol dehydrogenase (EC 1.1.1.-) and peroxidase (EC 1.11.1.7). The enzyme activities in the reaction woods of Thuja orientalis and Metasequoia glyptostroboides were remarkably higher than those in the opposite woods, reflecting the higher contents of p-hydroxyphenyl lignin in reaction wood.This work was partly supported by the Grant-in-Aid for Scientific Research (548047) from the Ministry of Education, Science and Culture of Japan. We thank the Ministry of Education for the support     

6种木材白腐菌对山杨材木质素分解能力的研究

由于不同的木材腐朽菌的生理特性不同 ,所分泌的酶及酶的活性各不相同 ,因此 ,不同的腐朽菌分解木材的各种成分及相对速度就各不相同 ,而且对于木质纤维基质会有不同的中间代谢产物。本项研究选择了火木层孔菌 (Phelliusigniarius)及另外 5种木材分解能力较强的阔叶树上的白腐菌 :粗毛盖菌 (Funaliagallica)、三色革裥菌 (Lenzitestricolor)、冬拟多孔菌 (Polyporellusbrumalis)、偏肿拟栓菌 (Pseudotrametesgibbosa)和血红密孔菌 (Pyc noporussanguineus) ,研究了它们对山杨木材木质素的分解能力 ,测定了经 6种白腐菌分解一定时期的山杨木材木质素的含量 ,作为木材白腐菌对山杨木材木质素生物降解机制的初步研究 ,旨在为山杨木材生物制浆造纸提供应用基础理论研究 ,同时也可为木质素合理的生物转化为有用的化学品、生物漂白、酶处理防止机械浆的返黄、废水治理、纤维素酶解糖化的微生物前处理等提供相关的借鉴研究 ,以期在生产实践中减轻环境污染并充分利用木质素资源。在无菌的条件下 ,将山杨木片样品分别放入以上 6种白腐菌的平板培养基中受菌侵染 ,一定时间后取出 ,去除木片表面的菌丝体 ,然后分别测定未腐朽材和受菌侵染 4 0d、6 0d、80d和 12 0d时木片样品中木质素的含量 ,分析 6种白腐菌对山杨木     

木材白腐机理研究进展

白腐菌是木材的主要腐朽菌之一，白腐菌菌丝在细胞内形成多种降解酶主要是木素降解酶，次则是纤维素降解酶及半纤维素降解酶，以降解细胞壁物质中的木素、半纤维素及纤维素，作为木腐菌的营养。由于这些木材组成的降解，必然改变木材的化学及物理性质。近年来，在白腐菌的营养需求、降解酶传递途径，对木材主要组成酶降解机理及对材性的影响，产酶的分子遗传等领域的研究均取得一定进展，可望不久将来能利用生物工程改变白腐菌基因，     

Immunohistochemical localization of enzymes related to lignin biosynthesis in the primary xylem of hybrid aspen

We have investigated the spatial regulation of the accumulation of enzymes involved in the biosynthesis of shikimate and lignin during differentiation of primary xylem from the apical meristem via procambium in hybrid aspen (Populus sieboldii x Populus grandidentata). Immuohistochemical staining revealed that, in the top part of shoots, lignification began in a single or just a few adjacent vessel elements and subsequently spread to neighboring cells. The spatial localization of 3-deoxy-D-arabino-heptulosonate 7-phosphate synthase (DAHPS), which is one of the key enzymes in the shikimate pathway, was tightly correlated with the cell-specific deposition of lignin in the primary xylem. We also found that the spatial localization of enzymes in the general phenylpropanoid pathway and in the lignin-specific pathway was closely associated with the cell-specific deposition of lignin and the accumulation of DAHPS. Our data suggest that enzymes that act in the shikimate, general phenylpropanoid, and lignin-specific pathways are initially produced and function coordinately in a single or a few adjacent elements at the start of primary xylem development.