[發明專利]通過下調XAT基因提高植物糖化效率的方法及其應用

在審

• 申請號: 202010574206.0
• 申請日: 2020-06-22
• 公開（公告）號: CN111705076A
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 吳藹民;陳辰;李慧玲;趙先海;王旭川
• 申請（專利權）人: 華南農業大學
• 主分類號: C12N15/82
• 分類號: C12N15/82;A01H5/00;A01H6/46;A01H6/00;A01H6/20;A01H6/38
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 崔紅麗

本發明公開一種通過下調XAT基因提高植物糖化效率的方法及其應用，屬于生物質能源領域。本發明通過使植物的XAT基因功能缺失或下調，來提高植物的糖化效率。通過本發明的方法使得阿拉伯糖含量降低，減少了半纖維素分支度，減弱了其與木質素和纖維素交聯的緊密，進一步導致突變體材料的糖化效率提高，降低了材料處理成本。因此，本發明從根本上改變了材料的生物質特性，使糖化效率有了根本上的提高，可以節約能源，降低勞動強度。通過本發明的方法獲得材料可以應用在生物質轉化、紙漿和造紙工業中。

技術領域

本發明屬于生物質能源領域，具體涉及利用生物技術下調植物體內木聚糖阿拉伯糖基轉移酶(Xylan Arabinosyl-transferases，XAT)的活性，XAT下調后的植物具有更高的糖化效率，本發明涉及XAT下調植物在各種應用如生物質轉化、紙漿和造紙工業中的應用；特別涉及一種通過下調XAT基因提高植物糖化效率的方法及其應用。

背景技術

生物質能源結合了化石能源和新能源的優勢，是儲量極大、可再生的能源之一。由于其來自于植物或農林產業廢棄物，同樣具有環境友好的特性。當今世界的主要使用的仍為傳統能源，儲存有限、不可再生和環境危害嚴重，亟待提高和推廣生物能源。如何高效合理地開發生物質能對經濟和社會的可持續發展有著重要意義，也已成為大勢所趨的熱點。

木質纖維素作為重要的生物質能源，是生產生物乙醇的主要原料。木質纖維素中的纖維素和半纖維素經水解糖化成簡單糖類，最后被發酵成乙醇，糖化效率是影響生物質產量的重要因素，木質纖維素的組成與交聯方式直接影響糖化效率。禾本科植物的半纖維素主要是以木聚糖(Xylan)為主鏈，阿拉伯糖(Arabinose)、葡萄糖醛酸(Glucuronic acid)為側鏈的葡萄糖醛酸阿拉伯糖基木聚糖(Glucuronoarabinoxylan，GAX)和阿拉伯糖基木聚糖(AX)。木聚糖在植物次生壁中通過阿拉伯糖側鏈與纖維素、木質素的部分結構交聯來提高植物的韌性、抗逆性等，但木聚糖側鏈的存在也對木質纖維素的工業應用帶來了很大的影響。木聚糖在纖維素周周形成的交聯網絡結構阻止纖維素分解酶進入，不僅如此，側鏈分支的程度也影響了糖化效率。木聚糖側鏈合成的途徑中，尿苷二磷酸阿拉伯糖(UDP-arabinose，UDP-Ara)會被木聚糖阿拉伯糖基轉移酶(XAT)轉移到木聚糖(Xylan)骨架上形成半纖維素的主要結構，對XAT的調節會直接影響木聚糖主鏈上阿拉伯糖側鏈的分支程度，進而影響阿拉伯糖通過阿魏酸酯鍵與木質素的連接，并影響半纖維素和纖維素的交聯，最終改變植物的糖化效率。

發明內容

為了克服現有技術的缺點與不足，本發明的目的在于提供一種通過CRISPR/Cas9下調XAT基因提高植物糖化效率的方法。

本發明通過改變植物木聚糖側鏈含量和分支程度，從而使植物糖化效率提高。基于發明人的工作經驗和當前生物質材料改良的需求，發明人認為下調阿拉伯糖合成的關鍵酶XAT可直接導致阿拉伯糖含量的降低，從而改變木質纖維素的組成與結構。通過對水稻基因組中所有XAT的分析可知，水稻基因組中共有2個XAT已被確認功能(XAT2、XAT3)，通過TMHMM在線預測可知OsXATs均具有跨膜區，定位于高爾基體。發明人利用CRISPR/CAS9基因編輯技術，對水稻中的兩個XAT分別設計了多個靶點并對靶點所在的基因進行敲除。最終得到了兩基因突變的植株XAT2XAT3，在測序鑒定可靠性之后，發明人的研究工作正是針對這突變體開展的。

在相同生長環境下，XAT2XAT3突變體表現出和用作對照的正常的水稻植株相同的生長表型，對突變體的農藝性狀進行統計分析發現，XAT2XAT3突變體株高、葉形、穗數和正常水稻無異。對突變體的莖稈切片皆表現出沒有變化的細胞壁。對突變體細胞壁中的阿拉伯糖進行單糖分析發現，突變體中的阿拉伯糖含量顯著減少，而葡萄糖和木糖沒有明顯變化，這也是影響糖化效率的顯著原因之一。對突變體材料進行糖化效率分析，表現出比野生型材料更高的糖化效率。以上實驗結果表明，高爾基體定位的XAT突變能使植物木聚糖側鏈-阿拉伯糖含量降低從而導致糖化效率提高。