木质素与生物燃料生产:降低含量或解除束缚?

生物质能源作为可再生性替代能源之一,其开发利用可为解决当前全球变暖、化石能源成本飞涨和环境污染等重大问题提供新的途径。木质纤维素是植物细胞壁的主要组成成分,也是地球上最丰富的可再生资源之一,可转化为生物酒精等液体生物燃料。木质纤维素主要包括纤维素、半纤维素和木质素,三者之间由酯键、醚键和糖苷键等化学键连接,形成的木质素-糖类复合体是一种共价键聚合物,这些细胞壁成分的组成及其互作会影响多糖的水解作用,进而影响木质纤维素的转化利用效率,其中,木质素被认为是阻碍纤维素酶分解的主要物理障碍。当前,提高能源作物生物质的田间种植、生产效率及其工厂化降解、转化效率是生物质能源发展的热点和难点问题。由于木质素是木质纤维素生物量中除多糖之外含量最高的成分之一,提高木质素利用效率成为影响整个木质纤维素生物冶炼产能的关键。为此,文中从降低木质素含量和解除木质素束缚的角度出发,系统回顾了木质素在植物细胞壁中的发育沉积特征及其遗传改造研究进展,探究从植物细胞壁结构组成角度优化木质纤维素性状提高生物燃料产率的可能性,重点论述了降低能源植物木质素含量的遗传选育和基因改良策略,以及木质纤维素生物冶炼的预处理和分离技术。一方面,通过常规育种程序培育低木质素含量的生物能源作物品种,或是通过基因工程技术下调木质素的生物合成,对于提高木质纤维素利用效率和降低生物燃料生产成本均具有积极的作用。另一方面,以解除木质素束缚为目的的生物冶炼预处理技术是提高木质纤维素生物燃料工厂化生产效率的重要环节,主要包括酸预处理法、碱预处理法和有机溶剂预处理法,高效的预处理技术能够显著提高纤维素酶水解效率,增加生物酒精产量。文中最后对木质素与生物燃料生产的研究与应用前景进行了展望。     

紫花苜蓿MsNST的克隆及对木质素与纤维素合成的功能分析

【目的】木质素和纤维素是植物次生细胞壁的主要组成成分,是影响牧草消化率和品质的主要因素之一。紫花苜蓿作为高蛋白饲草,是奶牛等草食家畜优质饲草的主要来源。因此,苜蓿木质素和纤维素合成机制一直是受到关注的研究热点。模式植物拟南芥NAC家族的NST转录因子（NAC secondary wall thicking promoting factor）调控次生细胞壁的合成,但紫花苜蓿NST的功能与调控机制尚不明确。本研究通过分析紫花苜蓿NST的表达模式,及在拟南芥与苜蓿中过表达揭示其对木质素和纤维素合成的影响。【方法】通过同源克隆获得MsNST CDs序列,并对该基因进行生物信息学分析。利用qRT-PCR检测该基因受赤霉素（GA3）,水杨酸（SA）和多效唑（PCB）诱导后的表达模式。通过转基因植株中过表达MsNST,研究其对木质素和纤维素含量及其合成相关基因的影响。【结果】克隆MsNST 的CDs序列,最大开放阅读框为945bp,编码314个氨基酸。生物信息学分析表明,MsNST主要由无规则卷曲组成（60.83 %）;三级结构预测显示,MsNST以同源二聚体的形式有效的促进蛋白质间的相互作用。进化树分析表明,单子叶和双子叶分为两个分枝,暗示存在一定程度的进化,而MsNST与蒺藜苜蓿和大豆的NST属于双子叶植物分枝中的亚分枝,表明豆科植物间亲缘关系较近。MsNST与拟南芥NST1-3的氨基酸序列相似性较高（49%—55.9%）,并含有NAC转录因子的5个保守结构域。qRT-PCR分析表明,MsNST受GA3、SA和PCB的诱导表达,相对表达水平（12h）分别是对照的2.19、3.67和3.65倍。过表达MsNST导致拟南芥下胚轴缩短,转基因拟南芥半矮化,花序茎束间细胞壁纤维增厚,细胞壁结晶纤维素（13%）、总糖（7%）和木质素（11.7%）含量增加。通过分析木质素和纤维素合成相关基因表达水平发现,拟南芥和苜蓿中过表达MsNST均能激活木质素合成关键基因（PAL,4CL等）及纤维素合酶复合体亚基CesA家族基因的表达。【结论】MsNST受外源激素GA3、SA和PCB诱导表达。转基因植物中过表达MsNST可激活次生壁木质素和纤维素合成相关基因的表达,同时茎束间纤维细胞壁增厚,细胞壁结晶纤维素、总糖和木质素含量增加,暗示MsNST对次生细胞壁木质素和纤维素的合成有重要的调节作用。     

石漠化地区能源植物能量指标的测定

对贵州省表现优良的10种能源植物进行了纤维素、半纤维素、木质素和热值的测定。结果表明,纤维素含量茎叶混合物>叶,同时热值高的能源植物为斑茅、紫色象草、象草、皇竹草、柳枝稷;从木质素含量看,香根草作为纤维素能源植物具有一定的优势。     

紫花苜蓿MsNST的克隆及对木质素与纤维素合成的功能分析

【目的】木质素和纤维素是植物次生细胞壁的主要组成成分,是影响牧草消化率和品质的主要因素之一。紫花苜蓿作为高蛋白饲草,是奶牛等草食家畜优质饲草的主要来源。因此,苜蓿木质素和纤维素合成机制一直是受到关注的研究热点。模式植物拟南芥NAC家族的NST转录因子(NAC secondary wall thicking promoting factor)调控次生细胞壁的合成,但紫花苜蓿NST的功能与调控机制尚不明确。本研究通过分析紫花苜蓿NST的表达模式,及在拟南芥与苜蓿中过表达揭示其对木质素和纤维素合成的影响。【方法】通过同源克隆获得MsNSTCDs序列,并对该基因进行生物信息学分析。利用qRT-PCR检测该基因受赤霉素(GA3),水杨酸(SA)和多效唑(PCB)诱导后的表达模式。通过转基因植株中过表达MsNST,研究其对木质素和纤维素含量及其合成相关基因的影响。【结果】克隆MsNST的CDs序列,最大开放阅读框为945bp,编码314个氨基酸。生物信息学分析表明,MsNST主要由无规则卷曲组成(60.83%);三级结构预测显示,MsNST以同源二聚体的形式有效的促进蛋白质间的相互作用。进化树分析表明,单子叶和双子叶分为两个分枝,暗示存在一定程度的进化,而MsNST与蒺藜苜蓿和大豆的NST属于双子叶植物分枝中的亚分枝,表明豆科植物间亲缘关系较近。MsNST与拟南芥NST1-3的氨基酸序列相似性较高(49%—55.9%),并含有NAC转录因子的5个保守结构域。qRT-PCR分析表明,MsNST受GA3、SA和PCB的诱导表达,相对表达水平(12h)分别是对照的2.19、3.67和3.65倍。过表达MsNST导致拟南芥下胚轴缩短,转基因拟南芥半矮化,花序茎束间细胞壁纤维增厚,细胞壁结晶纤维素(13%)、总糖(7%)和木质素(11.7%)含量增加。通过分析木质素和纤维素合成相关基因表达水平发现,拟南芥和苜蓿中过表达MsNST均能激活木质素合成关键基因(PAL,4CL等)及纤维素合酶复合体亚基CesA家族基因的表达。【结论】MsNST受外源激素GA3、SA和PCB诱导表达。转基因植物中过表达MsNST可激活次生壁木质素和纤维素合成相关基因的表达,同时茎束间纤维细胞壁增厚,细胞壁结晶纤维素、总糖和木质素含量增加,暗示MsNST对次生细胞壁木质素和纤维素的合成有重要的调节作用。     

5种高大禾草的纤维素和木质素含量的测定

[目的]筛选纤维素含量高且木质素含量低的物种,为纤维质能源植物的开发利用积累资料。[方法]采用酸碱洗涤法、硝酸乙醇法和比色法对同一样品棉花的纤维素含量进行测定,从中筛选最佳测定方法,然后采用最佳方法对河八王、斑茅、五节芒、芒和拟高粱进行茎、叶及茎叶混合物的纤维素含量的测定,采用Klason法对它们的木质素含量进行测定。[结果]酸碱洗涤法测定纤维素含量最佳。5种高大禾草中,同一种类的纤维素和木质素含量均为茎〉茎叶混合物〉叶;纤维素含量由高到低依次为河八王（52.1%）、五节芒（47.9%）、斑茅（44.3%）、芒（44.1%）和拟高粱（40.2%）;木质素含量由高到低依次为五节芒（32.4%）、芒（29.8%）、斑茅（29.5%）、拟高粱（27.5%）和河八王（26.2%）。[结论]5个样品中,河八王是纤维素含量最高且木质素含量最低的种类,适合作为纤维质能源植物开发利用。     

转录因子对木质素生物合成调控的研究进展

木质素是维管植物次生细胞壁的重要组分之一,具有重要的生物学功能。木质素分子与细胞壁中的纤维素、半纤维素等多糖分子相互交联,增加了植物细胞和组织的机械强度,其疏水性使植物细胞不易透水,利于水分及营养物质在植物体内的长距离运输。木质素与纤维素共同形成的天然物理屏障能有效阻止各种病原菌的入侵,增强了植物对各种生物及非生物胁迫的防御能力。然而木质素的存在也给人类的生产实践带来诸多负面影响,如造纸业中,由于必须使用大量化学药品去除木质素,加大了造纸成本,严重污染了环境;饲草中的高木质素含量则影响牲畜的消化吸收,降低了饲草的营养价值;过高的木质素含量也影响了人类对生物质能源的发酵利用。因此,利用基因工程改造植物木质素的可降解性意义重大。在高等植物中,木质素通过苯丙烷途径和木质素特异途径合成。在拟南芥中,NAC、MYB以及WRKY类转录因子都参与了对木质素生物合成的调控。在拟南芥中,MYB26可激活NST1/NST2的转录;WRKY12可与NST2的启动子区结合并对其表达进行负调控;SND1（NST3）和NST1主要在纤维次生壁的形成中发挥作用,两者功能有冗余;NST1和NST2在调控花药壁的次生壁的增厚中功能有冗余;VND6和VND7则主要在木质部导管的分化中起重要作用,这些NAC类转录因子通过与下游的MYB类转录因子如MYB83、MYB46及（或）MYB58、MYB63、MYB85和MYB103的结合对木质素合成基因的表达进行正调控,而MYB75对木质素生物合成进行负调控。多数MYB转录因子通过与下游木质素生物合成途径基因启动子区的AC元件（I、II和III）结合从而对其表达进行调控。研究表明,bHLH类转录因子也参与了对木质素生物合成的调控。文章综述了各类转录因子对木质素生物合成调控的最近进展,绘制了拟南芥中木质素生物合成的主要调控网络,同时也总结了其他物种（如水稻、小麦、玉米、桉树、松树和杨树等）中已发现的对木质素生物合成进行调控的转录因子。随着高通量测序技术的发展,研究者有望在更多的物种中发现参与木质素生物合成调控的关键转录因子,这些研究将对通过基因工程改造木质素的组成具有重要的借鉴意义。     

植物木质素合成调控及基因工程研究进展

木质素作为植物次生细胞壁的重要组分,分布于输导组织和木质化组织细胞壁中,不仅能提高细胞壁的隔水性和机械强度,而且在提高植物的抗病性、抗逆性方面也发挥着重要作用。本文从植物木质素的种类、合成调控、检测方法和利用基因工程从源头调控植物木质素含量等方面对植物木质素的研究现状进行了概述,并基于转基因技术的发展,对改变植物木质素组成的有效途径进行了展望。     

禾本科植物细胞壁合成调控研究进展

细胞壁是植物重要的特征结构,与植物的生长发育和对外界环境胁迫反应密切相关。秸秆的机械强度是一个重要的农艺性状,与产量、抗性等相关。而秸秆中细胞壁的主要成分纤维素、木质素、半纤维素等可作为重要的化工原料和生物质来源。秸秆理化性状的遗传改良和综合利用策略的形成均有赖于对细胞壁合成调控机理的认识。本文综述了脆秆突变体基因的定位、图谱克隆和功能研究,数量性状位点(QTL)作图和解析细胞壁相关性状的遗传基础以及共表达分析在探索细胞壁生物合成的候选基因和建立辅助细胞壁合成的调节网络中的应用等禾本科植物细胞壁形成和调控研究领域取得的最新进展。此外,还讨论了这些方面的几个潜在的具有挑战性的问题。     

植物木质素的合成与调控研究进展

木质素作为植物次生细胞壁的重要组分,分布于输导组织和木质化组织细胞壁中,不仅具有提高细胞壁的隔水性和机械强度,而且在提高植物的抗病抗逆方面也发挥着重要作用。对植物木质素的种类、合成调控和利用基因工程从源头调控植物木质素含量等方面的研究现状进行了概述;随着转基因技术的发展,有望通过更多更有效的途径来改变植物木质素的组成。     

能源植物分类及其转化利用

能源植物及其生产是生物质能源的发展基础,也有利于减少温室气体排放、发展低碳经济。在分析总结当前国内外能源植物主要概念的基础上,利用植物系统法、光合途径、生活周期和化学成分组成及其利用等方法对能源植物进行了分类。如以化学成分组成及其利用可将能源植物分为糖料植物、淀粉植物、油料植物、含油微藻植物和木质纤维素植物5类,各类能源植物各有其主要特点。对能源作物的转化利用技术及其产品现状和前景进行系统的分析,目前由生物质转化的液体燃料主要包括乙醇、生物柴油和生物质裂解油,由生物质转化的气体燃料包括生物质燃气、沼气和氢气,生物质经压缩成型或炭化工艺可生产生物质颗粒,生物质以热电联产技术经直燃可大规模发电和供暖。     

紫花苜蓿不同发育时期次生壁合成调控的转录组分析

【目的】探讨紫花苜蓿次生壁合成的基因网络调控变化和表达模式,确定一些关键候选基因和转录因子,为紫花苜蓿次生壁加厚调控网络的分子机制研究奠定基础。【方法】对‘中苜1号’紫花苜蓿分枝期（S1）、现蕾期（S2）、初花期（S3）和盛花期（S4）的茎进行近红外光谱法测定次生壁主要物质含量和Illumina HiSeq^TM 2500高通量转录组测序。以紫花苜蓿的近缘物种蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）基因组作为参考基因组进行序列比对并组装构建转录本。利用FPKM法计算基因表达量,以Fold change（差异表达倍数）≥2或≤0.5（表达上调或下调）、FDR（false discover rate）≤0.05为筛选条件,在3个相邻时期转录组比较组合中（S2vs S1,S3 vs S2,S4 vs S3）筛选差异表达基因。通过Gene Ontology数据库和KEGG Pathway数据库对紫花苜蓿不同发育时期差异表达基因的功能和参与的代谢途径进行注释。【结果】共获得41 734个基因在紫花苜蓿不同发育时期的转录表达情况,27个功能注释与紫花苜蓿纤维素、木质素合成密切相关的基因差异表达,其变化趋势与纤维素和木质素含量测定结果基本一致,即随着生长发育时期的变化,表达水平逐渐提高。研究表明,初花期是紫花苜蓿次生壁合成调控的转折期,纤维素和木质素含量与其合成基因表达量在初花期均显著提高。MTR_2g016630（Ces）和MTR_7g103590（Ces A1）等纤维素合成酶基因表达水平在初花期显著上升,木质素合成途径中,MTR_1g064090（PAL1）、MTR_1g111240（C4H）和MTR_2g104960（CCR）基因表达量在初花期或盛花期相比分枝期上调表达倍数达到10倍以上。本研究中27个与植物生长发育相关的转录因子在紫花苜蓿不同发育时期差异性表达,其中NAC家族和MYB家族转录因子有18个,也有少量WRKY、BHLH、ERF、C3H等转录因子。【结论】获得‘中苜1号’紫花苜蓿在4个生长发育时期茎的基因表达谱数据,共获得54个差异表达基因,其中稳定上调基因24个,稳定下调基因30个。这些基因很有可能参与紫花苜蓿次生壁的合成调控。     

紫花苜蓿和黑麦草茎形态学、化学组成和养分瘤胃降解率与剪切力的相互关系

 【目的】研究盛花期紫花苜蓿与灌浆期冬牧70黑麦草茎形态学、化学组成及养分48 h瘤胃降解率与剪切力之间的相关性。【方法】采集2种牧草后,测定茎直径、长度、重量和线性密度,测定剪切力、中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)、木质素、纤维素及半纤维素含量,用尼龙袋法测定干物质(DM)、中性洗涤纤维(NDF)48 h瘤胃降解率,比较各项指标随茎直径变化的规律,探讨剪切力与各项指标之间的相关性。【结果】盛花期紫花苜蓿茎的线性密度、剪切力、木质素含量随直径增大而提高,直径、线性密度、木质素含量与剪切力均呈线性正相关(P＜0.01);含水量随直径增大而降低,两者之间存在线性负相关(P＜0.01);DM、NDF 48 h瘤胃降解率与剪切力存在线性负相关(P＜0.05)。灌浆期黑麦草茎的茎厚、线性密度、酸性洗涤纤维(ADF)、木质素、纤维素、含水量、剪切力均随着外直径的增大而提高,外径、茎厚、线性密度、ADF、木质素和含水量均与剪切力呈线性正相关(P＜0.05);DM、NDF 48 h瘤胃降解率与剪切力无相关性(P＞0.05)。【结论】对于盛花期紫花苜蓿及灌浆期冬牧70黑麦草,茎剪切力受形态学指标、化学组成的综合影响;紫花苜蓿茎剪切力与DM、NDF48 h瘤胃降解率之间存在显著负相关,因此可用剪切力估计紫花苜蓿茎养分降解率的大小。黑麦草茎剪切力与养分降解率之间无显著相关。     

芍药不同品种发育过程中花茎细胞壁成分变化

花茎挺直是评判芍药切花品质的重要标准之一,但目前影响芍药花茎直立性的因素尚不完全清楚。为明确直立性不同的芍药品种发育过程中花茎细胞壁成分的变化差异,利用花枝夹角指标将6个品种划分为3个直立等级,将现蕾期到花朵盛开的过程划分成S1~S5共5个阶段,观测不同直立等级品种花茎弯曲发生的关键时期及其5个发育阶段细胞壁组分的动态变化。结果表明,切花品种东方少女和杨妃出浴直立性最好,迟粉等3个品种花茎自S2时期起随发育逐渐变弯,晴雯自S4时期起迅速下垂。比较一致的规律是,3个直立等级的品种木质素含量随发育进程均呈升高趋势,水溶性果胶含量自S2时期起呈下降趋势。相关性分析表明,在发育前期花茎直立性和木质素含量极显著正相关;发育中期花茎直立性和木质素含量极显著正相关,和原果胶含量显著负相关;发育后期花茎直立性和半纤维素含量、木质素含量极显著正相关,和水溶性果胶含量显著负相关。研究为切花芍药品种的选育和栽培调控提供了理论依据。     

生物燃料乙醇产业化研究进展

阐述了国内外生物燃料乙醇的生产、使用及产业化等现状,分析了我国生物燃料乙醇生产存在的问题,提出了生物燃料乙醇的发展对策。     

iTRAQ protein profile analysis of soybean stems reveals new aspects critical for lodging in intercropping systems

Soybean is often intercropped with maize, sugarcane, and sorghum. Because of the shade coming from the latter, the soybean stem lodging is often a very serious problem in intercropping systems. The aim of this study is to characterize the possible mechanisms in the stem of shade-induced promotion of seedling soybean lodging in intercropping systems at the proteome level. We found that the soybean stem became slender and prone to lodging when it was planted with maize in an intercropping system. The inhibition of lignin biosynthesis and lack of photosynthate(soluble sugar) for the biosynthesis of the cell wall led to the lower internode breaking strength. A total of 317 proteins were found to be affected in the soybean stem in response to shade. Under the shade stress, the down-expression of key enzymes involving the phenylpropanoid metabolic pathway inhibited lignin biosynthesis. The up-regulation of expansin and XTHs protein expression relaxed the cell wall and promoted the elongation of internodes. Although the expression of the enzymes involving sucrose synthesis increased in the soybean stem, the lack of a carbon source prevented rapid stem growth. This metabolic deficit is the principal cause of the lower cellulose content in the stem of intercropped soybean, which leads to weakened stems and a propensity for lodging.     

Effects of protein and lignin on cellulose and xylan anaylses of lignocellulosic biomass

Interactions of lignocellulosic components during fiber analysis were investigated using the highly adopted compositional analysis procedure from the National Renewable Energy Laboratory(NREL),USA.Synthetic feedstock samples were used to study the effects of lignin/protein,cellulose/protein,and xylan/protein interaction on carbohydrate analysis.Disregarding structural influence in the synthetic samples,lignin and protein components were the most significant(P0.05)factors on cellulose analysis.Measured xylan was consistent and unaffected by content variation throughout the synthetic analysis.Validation of the observed relationships from synthetic feedstocks was fulfilled using real lignocellulosic feedstocks:corn stover,poplar,and alfalfa,in which similar results have been obtained,excluding cellulose analysis of poplar under higher protein content and xylan analysis of alfalfa under higher protein content.The results elucidated that according to their protein and lignin contents of different lignocellulosic materials,accuracy of the NREL method on cellulose and xylan analyses could be improved by applying a stronger extraction step to replace water/ethanol extraction.