[發明專利]一種提高植物中纖維生物質能源利用效率的方法

有效

• 申請號: 201110359373.4
• 申請日: 2011-11-14
• 公開（公告）號: CN102409053A
• 公開（公告）日: 2012-04-11
• 發明（設計）人: 王宏芝;魏建華;李云伏;李瑞芬;陳亞娟;張中保;張杰偉
• 申請（專利權）人: 北京市農林科學院
• 主分類號: C12N15/113
• 分類號: C12N15/113;C12N15/63;C12N15/66;A01H5/00
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢;任鳳華

技術領域

本發明涉及生物技術領域中一種提高植物中纖維生物質能源利用效率的方法。

背景技術

快速增長的能源需求、化石資源的不斷減少、環境污染加劇和全球性的氣候變暖，使得能源、資源與環境成為人類社會可持續發展所面臨的重要問題，發展可再生且環境友好的能源代替化石資源已成為世界各國的共識，也是人類克服能源與環境危機，保障可持續發展的重要途徑之一。

生物質能是可再生能源的重要組成部分。生物質能的高效開發利用，對解決能源、生態環境問題將起到十分積極的作用。植物通過光合作用固定二氧化碳和太陽能，全球每年植物生長所積累的生物質總能量相當于4527萬億千焦，除自然消耗外，凈積累總能量為2289萬億千焦，是2001年全球能源消費(419萬億千焦)的五倍以上。而在植物所積累的太陽能中，90％以上是以纖維生物質的形式存在。其中，纖維素約占45％，半纖維素約占30％和木質素約占25％，通常稱為木質纖維素生物質。所以，木質纖維生物質是地球上最豐富的可再生能源。利用木質纖維生物質材料生產乙醇已成為第二代生物基液體燃料研究的熱點。目前已經市場化的生物燃料主要包括以糧食為加工原料的第一代生物乙醇和以植物油為加工原料的生物柴油，這兩種生物燃料的發展都遭遇了生產原料不足的瓶頸問題。與之相比，第二代生物燃料纖維素乙醇的發展因原材料充足，顯示出巨大的產業應用潛力。因此，我國《能源發展“十一五”規劃》、《可再生能源中長期發展規劃》等一系列政策法規中明確提出“積極發展以纖維素生物質為原料的生物液體燃料技術”。同時以法規的形式禁止玉米等糧食作物在生物乙醇生產中的應用。

木質纖維素生物質制取燃料乙醇，是部分替代汽油和石油燃料的重要途徑之一。其中在燃料乙醇行業中起作用的主要是纖維素和半纖維素，木質素作為一種副產物，必須采取有效的預處理工藝進行脫除；目前由于五碳糖的發酵相對困難，燃料乙醇行業中利用的主要是纖維素。預處理后通過酸水解或酶水解等方法把木質纖維素生物質中纖維素和半纖維素分解成可用于乙醇發酵的葡萄糖或戊糖，這個過程稱為“糖化”。經預處理和糖化過程獲得的單糖，可直接用于微生物發酵，生產生物乙醇?？偟膩碚f，木質纖維素生產燃料乙醇包括預處理、糖化和發酵三個工藝過程。

從目前的情況看，生物質燃料乙醇產業化過程中存在的主要問題是預處理成本高、糖化產率低。據估計，預處理占生物乙醇生產總成本的三分之一，名列三個工藝之首。預處理的作用是打開植物細胞壁復雜的結構，除去木質素，同時把目前還無法有效發酵的半纖維素溶解成單糖和寡聚糖而除去，降低纖維素的晶體構象，增加生物材料的空隙度，使糖化過程中纖維素酶更容易進入細胞壁內部發揮水解作用，提高生物質中纖維素的消化性和消化效率，最終提高糖化效率。糖化的方法主要有酸法和酶法。其中酶法由于對設備要求低、反應條件溫和、產物特異，污染小而更具產業應用前景。與預處理和糖化工藝相比，發酵是比較成熟的工藝，尤其是六碳糖(主要是葡萄糖)的發酵。

由于木質纖維素細胞壁組成和結構的復雜性，目前以木質纖維素為原料生產乙醇還存在成本高、操作困難等問題。盡管國內外在原料預處理、酶解、發酵等基礎研究方面取得了長足進步，但在關鍵轉化技術方面還存在很多問題，特別是缺乏經濟有效的預處理方法、糖化效率低等問題，制約著纖維素燃料乙醇在產業上的廣泛推廣應用。因此，通過生物技術和基因工程等定向育種技術手段改變植物纖維生物質(即植物細胞壁)的結構和組成，提供可高效轉化的生物質原材料，降低預處理的必要性，提高糖化效率，是促進纖維生物質原料制備生物乙醇實現工業化和商業化的重要途徑。

發明內容

本發明的一個目的是提供一種培育轉基因植物的方法。

本發明所提供的培育轉基因植物的方法，是降低目的植物中咖啡酰CoA?3-O-甲基轉移酶編碼基因的表達，得到與所述目的植物相比，細胞壁組分變化和糖化效率提高的轉基因植物；所述細胞壁組分變化體現為：酸不溶木質素含量降低、酸溶木質素含量降低和纖維素含量增加；所述糖化效率提高體現為：纖維素的酶解效率提高。

所述咖啡酰CoA?3-O-甲基轉移酶為由序列表中序列2所示的氨基酸序列組成的蛋白質。

所述咖啡酰CoA?3-O-甲基轉移酶的編碼基因為如下1)-3)中任一所述的基因：

1)序列表中序列1所示的DNA分子；

2)在嚴格條件下與1)所示的DNA分子雜交且編碼序列表中序列2所示氨基酸序列組成的蛋白的基因；

3)與1)或2)的基因具有90％以上的同源性且編碼序列表中序列2所示氨基酸序列組成的蛋白的基因。