作者:李晨 来源:中国科学报 发布时间:2022/1/5 16:35:34
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科学家提出作物秸秆高效绿色资源化利用新思路

 

OsMYB103L突变体和转基因植株表型和微纤丝纳米结构观测       华中农大供图

重组酿酒酵母高效利用木糖和葡萄糖生产乙醇的模型图       华中农大供图

近日,华中农业大学生物质与生物能源团队副教授夏涛课题组,整合作物和酵母的遗传改良,以及生物质转化工艺的绿色优化,提出作物秸秆高效绿色资源化利用的新思路。相关研究成果发表于Biotechnology for BiofuelsRenewable Energy

作物秸秆生物质是极具发展前景的可再生资源,经微生物转化,可以制造大宗生物燃料和高值生物材料。然而,生物质主要来源于植物细胞壁,受细胞壁天然抗降解性和酿酒酵母木糖利用局限性的影响,目前作物秸秆的转化利用存在成本高、效率低等问题。

纤维素是生物质的主要成分,其高度结晶化和聚合化是生物质酶解糖化的关键限制因素,通过遗传改良手段,特异性改善纤维素的结构特性是解决这一问题的突破口。

夏涛课题组通过鉴定水稻脆秆突变体(Osfc9/myb103)发现下调表达纤维素合成上游转录因子OsMYB103L,显著降低纤维素的结晶指数和聚合度,改变纤维素微纤丝的纳米结构。成熟稻秆经温和预处理后,木质纤维素的酶解糖化效率显著提高10% 至 28%。

分析发现,OsMYB103L可能通过调控纤维素合酶和微纤丝组装相关基因,介导纤维素的生物合成和有序沉积。该研究为纤维素生物合成的转录调控提供了新思路,有利于能源作物的遗传改良和秸秆的综合利用。

传统酿酒酵母的木糖代谢能力低,木糖的有效利用成为木质纤维生物质高效转化的瓶颈问题。目前,已有研究在改良酿酒酵母木糖代谢途径方面开展了大量工作,其中包括异源表达木糖还原酶XYL1(XR)和木糖醇脱氢酶XYL2(XDH)基因。但由于木糖醇分泌的积累,导致细胞内氧化还原失衡,重组酿酒酵母对木糖发酵缓慢,乙醇产量低。

夏涛团队通过筛选合适的融合蛋白连接XDH和XR,同时优化重组菌株的XDH/XR的活性比,达到酿酒酵母高效利用木糖生产乙醇目的。在工业酿酒酵母SF7中,采用基因融合技术表达XYL1和XYL2的重组菌株SF7-Ft3,可以消耗95%木糖。在重组菌株SF7-Ft3过表达XYL2,可持续提高小麦、玉米秸秆和芒草的木糖利用,使生物乙醇产率提高11%至42%。

该研究为酵母工程高效利用木糖提供了新策略,并获得2项国家发明专利。

相关论文信息:https://doi.org/10.1186/s13068-021-02093-8

https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.12.103

 
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