小麦细胞壁结构特性与生物质降解产糖机理的研究

【摘要】小麦是重要的粮食作物,其秸秆可为生物能源产业提供大量生物质原材料。然而,木质纤维素的抗降解性在很大程度上导致了生物质转化的低效率、高成本和第二次环境污染,而细胞壁组成结构从本质上决定了木质纤维素抗降解性。因此,通过遗传改良作物秸秆细胞壁结构,可以大大提高生物质酶解产糖效率。故探明决定木质纤维素降解转化的细胞壁关键结构因子具有重要科学意义和生产应用价值。尽管近期有关芒草细胞壁结构因子论文已有发表,但在小麦和水稻中尚无报道。本研究首先收集来自中国中部的115份小麦种质资源材料,观察了所有材料的农艺性状,并测定了秸秆细胞壁成分和生物质酶解产糖效率,从而挑选出10份有代表性的小麦材料进行细胞壁精细结构分析,并与3份水稻特异突变体材料进行了比较分析。主要结果如下：1.通过观察小麦主要农艺性状和测定细胞壁三大组分(纤维素、半纤维素、木质素),发现115份材料的农艺性状变异系数为16.7%-47.4%,而细胞壁成分的变异系数为4.7%-13.6%,显示这些小麦材料具有丰富的遗传多样性。2.利用1%氢氧化钠(NaOH)化学预处理和两个浓度纤维素酶复合体(1.6g/L、3.2g/L)的酶解反应,发现115份材料酶解产糖效率变异系数为6.6%-21.2%；其中六碳糖在两个酶浓度下的最大产量分别为54.6%和94.0%(%纤维素)。3.综合分析115份小麦材料,发现其秸秆纤维素、半纤维素和木质素平均含量分别为31.77%,31.27%,和21.73%。与水稻相比,小麦具有较高的木质素含量。进一步关联分析,发现小麦酶解产糖效率与其细胞壁半纤维素和木质素呈负相关,其中碱溶半纤维素和酸不溶木质素与酶解产糖相关系数更高,说明该两个参数可以更好的预测小麦生物质酶解产糖效率。此外,115份小麦材料的农艺性状和生物质产量与其秸秆生物质酶解产糖效率呈不显著相关性,暗示适当遗传改良小麦秸秆细胞壁结构组成不会明显影响其主要农艺性状。4.通过分析10份代表性小麦品种和3份水稻特异突变体材料细胞壁精细结构,和测定在各种酸碱预处理条件下(NaOH:0.5%、1%、4%；H2S04:0.25%、1%、4%)的酶解产糖量,发现小麦细胞壁三大组分(纤维素、半纤维素、木质素)不是影响秸秆生物质酶解产糖效率的主效因子。5.综合比较分析揭示出小麦和水稻细胞壁中决定秸秆生物质酶解产糖效率的三个关键结构因子：即纤维素结晶度(CrI)是主效负因子,碱不溶半纤维素阿拉伯糖(Arabinose)分支度(反向Xylose/Arabinose比率)和碱溶木质素H单体或H/G比率是主效正因子。关联分析显示：碱不溶半纤维素阿拉伯糖分支度和碱溶木质素H单体与纤维素结晶度呈显著相关性(p<0.05&0.01),暗示小麦和水稻细胞壁中纤维素结晶度主要受半纤维素分支度和碱溶木质素H-单体调控,从而影响秸秆生物质酶解产糖效率。此外,还可推测碱不溶半纤维素分支阿拉伯糖和碱溶木质素H单体通过氢键和其它化学键方式与纤维素葡萄糖相连,从而降低纤维素结晶度而使生物质酶解产糖效率提高。总之,本研究通过鉴定小麦的细胞壁关键结构因子,初步阐明了小麦生物质酶解产糖的机理,为遗传改良小麦细胞壁结构提供了理论依据和技术支撑,亦为小麦秸秆生物质降解转化工艺提供参数。
【作者】伍峙亮；
【导师】彭良才；王令强；
【作者基本信息】华中农业大学，作物遗传育种，2014，硕士
【关键词】小麦；水稻；植物细胞壁；生物质降解；纤维素结晶度；半纤维素分支度；木质素单体；酸碱预处理；

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