极耐热性酶的高效表达提高水稻秸秆生物质转化的机制研究

Efficiency and economy of lignocellulose degradation is the direction of the green industrial development. There are two major technical challenges in the cost-effective production of biofuel, first is to lower the cost of plant cell wall degrading enzymes, and second is to increase the efficiency of enzyme into the lignocellulose. Nowadays, In-planta expression provides an opportunity to simplify the process of enzyme production and leads to self-deconstruction of plant cell walls. Lignocellulase genes will be used to be transformed into Oryza sativa L. japonica. cv. Nipponbare, Lines of new transgenic energy plants will be created, in which the cell wall degrading enzyme could be produced by itself, infiltrated naturally, stored for a long term, and have noninterference on plant growth. Related physiological and biochemical indexes, as well as the strength, humidity content, and crude fiber content of transgenic plant straw, will be analyzed to identify the effect of expression of exogenoutic lignocellulases on plant growth and development, especially on cell wall construction. The implementation of project will not only lay the theoretical foundation for the research of enzymatic degradation of lignocellulose, but also create a new prospect for resource utilization of plant biomass.

提高作物秸秆的转化效率是实现秸秆多样化资源化利用的重要前提。目前实现作物秸秆高效转化最大的技术难题是：预处理阶段木质纤维素酶使用成本高，且难以进入木质纤维素内部与底物充分有效结合，催化效率受到限制。我们的前期研究表明，来源于极端嗜热菌的极耐热性木质纤维素酶在模式植物拟南芥和水稻中表达，可以在不影响植物正常生长发育的前提下，有效提高转基因植物细胞壁的糖化率，进而提高生物质转化率。根据这一结果，本项目拟在水稻秸秆中高效表达三种极耐热性酶（纤维素酶、木聚糖酶和漆酶），分析其对水稻产量品质、秸秆特性的影响和对木质纤维素的水解功能，阐明极耐热性酶高效表达对作物生长的作用机理，及其在提高作物秸秆生物质转化利用中的作用机制。通过本项目研究，在不影响水稻生长生理和产量品质的前提下，培育秸秆可高效转化利用的新型水稻品种，为作物秸秆高效转化和资源化利用开创新途径。

提高作物秸秆的转化效率是实现秸秆多样化资源化利用的重要前提。本项目研究主要目的是通过生物技术手段改造作物，达到降低预处理阶段木质纤维素酶的使用成本，提高酶的催化效率。我们的研究利用的是来源于极端嗜热菌的极耐热性木质纤维素酶（纤维素酶、木聚糖酶）。在模式植物拟南芥、水稻和禾本科草本木质纤维素植物芒草中表达，通过添加不同的信号肽分子，可以将目的蛋白准确定位到质外体、内质网、叶绿体、线粒体等不同亚细胞结构中表达。表达产物在不影响植物正常生长发育的前提下，有效提高了转基因植物细胞壁的糖化率，进而提高生物质转化率。植物表达的目的酶活性分析发现，纤维素酶活性可以在85℃以下维持高活性2小时以上，而木聚糖酶能够在60℃左右维持较长时间的高酶活性。最后研究还发现将转不同极耐热酶的植株打碎混合后，生物质转化率高于分别两种植株的糖化率总和，说明混合物在促进生物质降解方面有相互促进的效果。通过本研究木质素类能源植物的生物质利用效率提高的同时，降低了材料和能源的投入，为我国生物质高效利用，生物质能源开发提供了理论和实验基础.