基因工程在能源植物改良中的应用

利用基因工程技术改良能源植物,对降低能源植物向生物燃料(生物乙醇、生物柴油)的转化成本、提高能源转化效率有着非常重要的意义。目前,基因工程技术已被广泛应用于提高植物总的生物产量、降低或改变植物木质素的含量与成分、在植物体中大量表达纤维素降解酶、提高油料植物的产油量以及改变植物油酯的组成成分等方面的研究。概述了利用基因工程技术在以上方面对能源植物进行改良已取得的进展,讨论了现存问题及未来的发展前景。     

宏基因组技术在新型生物燃料生产酶制剂开发中的应用

随着石化燃料的日益减少,以植物生物质为原料的可再生生物燃料成为石化燃料的理想替代品。然而微生物降解生物质效率低下,是生物燃料生产过程中一大难题,因此开发效率高、稳定性强的微生物酶制剂显得尤为重要。近年来,宏基因组技术的发展为生物燃料的生产提供了多种新型酶制剂。宏基因组技术是直接提取环境样品中的总DNA,通过构建文库,筛选目的基因或功能基因的方法,在用于燃料生产的新型酶制剂的开发中发挥着重要作用。本文概述了宏基因组技术的实施策略,总结了包括纤维素酶、蛋白酶、酯酶、脂肪酶等多种酶资源开发的最新研究进展,并综合和讨论了通过酶法将木质纤维素等生物材料有效转化为生物燃料的途径,为新酶的开发提供了新思路。     

科学家首次绘制出树基因图

科学家最近首次绘制1种树的全基因组图,这一成果使利用树木生产生物燃料的前景变得更加光明。据英国《泰晤士报》近日报道,美国科学家应用最新基因技术绘制出了三叶杨的基因组图。科学家从这种树的4．5万个基因中鉴定出93个基因,这些基因与纤维素、木质素和半纤维     

过表达NtAGPase小亚基基因提高烟叶淀粉含量和生物量

发展以非粮食作物为原料制备乙醇等生物燃料既可缓解全球能源危机,又能减低粮食作物用于生物燃料对粮食安全的威胁。烟草Nicotiana tabacum是一种生物量较高的经济作物,培育富含淀粉的新型烟草,可专用于燃料乙醇生产。文中克隆了烟草控制淀粉生物合成的ADP-葡萄糖焦磷酸化酶 (ADP-glucose pyrophosphorylase,NtAGPase) 小亚基基因NtSSU,并构建了NtSSU基因植物表达载体。通过农杆菌介导叶盘转化法在烟草中超表达NtSSU基因。转基因烟草植株表型鉴定显示,过表达NtSSU基因促进烟叶淀粉富集,烟叶淀粉含量从野生型17.5%升高到41.7%。转基因烟草的生长速率和生物量也显著增加。研究结果揭示,过表达NtSSU基因能有效调动光合产物碳通量更多地进入淀粉合成途径,提高生物质产量,且未对其他农艺性状产生负效应。因此,NtSSU基因可作为优异靶标基因应用于植物代谢工程以促进营养器官中淀粉的合成积累,从而开发专用于生产燃料乙醇的新种质。     

法国DEINOVE公司以非食用生物质为原料生产出9％浓度的乙醇

2014年1月16日,法国DEINOVE公司宣布了其利用异常球菌（Deinococcus）,以非食用生物质作原料成功生产浓度为9％的乙醇的新工艺。数年来,世界各国竞相开发生产工艺,以便用非食用的木质素纤维素来生产有经济竞争力的生物燃料（第二代生物燃料）。DEINOVE公司用研究成果表明,采用微生物有可能降低生物燃料的生产成本。DEINOVE公司的DEINOL项目从法国创新银行Bpifrance获得资助资金于2009年起启动。     

美国布鲁克海文国家实验室构建低木质素转基因植物

2012年7月31日,美国能源部（DOE）下属的美国布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory,BNL）宣布,其研究团队构建了导入新酶基因的转基因植物,所导入的新酶能够有效地修饰木质素合成前体。木质素是使植物生物质的分解变得特别困难的植物细胞壁组成成分。     

基于转录组测序的慈竹笋木质素基因筛选及其表达分析

慈竹（Bambusa emeiensis）纤维素含量丰富,是较好的造纸原料,但竹茎中木质素影响着制浆生产及纸浆质量。目前,对慈竹木质素生物合成机制所知甚少,这限制了遗传调控竹木质素的研究。本文以拟南芥、水稻等植物的已知木质素基因作为查询序列,通过BLASTp和系统进化分析,从10、50、100和150 cm慈竹笋转录组数据中筛选到351个木质素生物合成相关Unigenes,包括51个LAC,37个4CL、26个PAL、34个CCR和25个CAD相关转录子,其数量高于其他已报道的竹类植物。转录丰度和定量基因表达分析发现16个木质素基因,包括2个PAL、5个CCR、3个4CL、2个CADH2和4个LAC,随着笋发育而表达上调,表明其可能与发育性木质素积累相关。     

棉花漆酶基因在转基因新疆杨中的表达及其对木质素合成的影响

以新疆杨叶柄为外植体,利用农杆菌法将棉花漆酶基因GaLAC1导入新疆杨.PCR,Soutllern杂交证明外源基因已经整合到杨树基因组中.漆酶活性分析表明转基因植株中漆酶活性较非转基因对照显著提高.与对照植株相比,转基因新疆杨茎段中总木质素的含量有不同程度的增加,最高达21.5%.木质素的组织化学染色进一步证实了GaLAC1的过量表达能够导致转基因植株中总木质素含量的增加.实验结果表明GaLAC1参与了植物体内木质素的合成,这是首次成功利用转基因植物证实植物漆酶基因参与木质素合成的报道.     

生物能源植物小桐子功能基因及基因组研究进展

为缓解能源需求与原油价格不断上涨以及有限的化石燃料储备之间的矛盾,人们得寻找更加生态、可持续再生的替代能源。利用能源植物生产生物柴油与生物酒精类燃料已成为发展的方向。其中,大戟科的小桐子以其强抗逆性、高含油量等特点而受到了广泛的关注。本文综述了能源植物小桐子油脂含量与质量、生物代谢以及抗逆性等方面的相关功能基因、细胞学染色体核型、核基因组以及叶绿体基因组的研究进展,以期为能源植物小桐子的遗传改良提供参考。     

木质素生物合成途径及其基因调控的研究进展

木质素是植物体内含量仅次于纤维素的一类高分子有机物质,在植物体的机械支持、水分运输及抵抗外界不良环境的侵袭方面起着重要的作用。然而,它的存在严重影响植物材料在造纸工业、纺织业、畜牧业生产中的应用。木质素代谢过程中存在多基因现象使得木质素的合成途径出现多样性,利用共抑制、反义抑制等转基因技术开发低木质素含量的优良新品种具有重要的意义。     

大豆木质素相关基因Glyma06g28890基因功能预测及表达分析

拟南芥At PRXs基因家族属于过氧化物酶类,在植物木质素形成过程中发挥了重要的作用。本研究对ATPRX在大豆中的同源基因Glyma06g28890进行基因结构功能预测和表达分析,发现了Glyma06g28890和At PRXs相同,具有一个保守的Plant peroxidase结构域,并且与ATPRX25具有最高的相似度;通过启动子顺式作用元件统计,发现在基因启动子序列中含有厌氧诱导调节、激素响应、分生组织表达以及植物防御相关的元件。Glyma06g28890在大豆的组织特异性表达分析结果表明,它在植物内木质素广泛分布的组织内,如根和茎内都有较高水平的表达。     

美研究发现用玉米造生物乙醇燃料 弊大于利

美国一项新研究称,使用玉米等制造生物燃料对环境的影响弊大于利。 由于生物燃料有助于降低人类对化石燃料的依赖并减少温室气体排放,生物燃料领域近年来获得大量投资。但美国华盛顿大学等机构的研究人员在《保护生物学》杂志上发表论文说,他们在对生物燃料进行评估后发现,有些生物燃料并不能取得预期中的环保效果,其中,用玉米为原料生产生物乙醇燃料最不划算。     

基因与生物医药产业

基因的研究不仅对生命科学的发展有深远影响,而且有力地推动了生物技术的发展,形成了以基因工程技术为核心的现代生物技术产业。90年代中由于发现新基因的速度减缓,新基因工程药物和疫苗研制速度也随之减慢。199O年由美国率先启动的“人类基因组计划”预示着由基因研究引发的生物技术发展的第二个浪潮即将来临。基因工程技术不仅使人们能按设定的目标在体外进行基因操作,而且能在生物物种之间自由地进行基因转移,这样基因工程可用于微生物、动物、植物的育种和用重组微生物、转基因动物和转基因植物生产异源蛋白质,包括从前难以制备…     

Raven公司在美国密西西比州将建纤维素乙醇装置

Raven生物燃料国际公司宣布将在美国密西西比州Gulf Opportunity Zone（GOZone）园区开发建设纤维素乙醇生物炼油厂。该生物炼油厂使用的原料来自当地的木屑和木质废弃物。乙酸计划生产量为12490．5万L／a,预计生产8万m3／a燃料级乙醇和4．5万m3／a特种有机化学品和木质素。     

莱茵衣藻中脂质代谢过程研究进展

微藻中脂质代谢产生的化合物,可用于生物燃料、营养品和生物药品的生产,因此具有重要的经济价值。脂质代谢贯穿微藻的全部生命过程,对微藻的生长发育和应对外界胁迫都具有重要意义。微藻与研究较清楚的真菌和陆地植物在脂质代谢过程方面具有相似性。当然,随着微藻脂质代谢相关功能基因逐渐被鉴定,人们发现微藻的脂质代谢也具有区别真菌和陆地植物的独特性,因此针对微藻脂质代谢过程的分析具有重要意义。莱茵衣藻是研究脂质代谢过程的模式生物,已经通过基因组、转录组、蛋白质组和代谢组等方法,对其质体、内质网和过氧化物酶体中进行的脂质合成和分解过程进行了研究。本文总结了近年来莱茵衣藻质体、内质网和过氧化物酶体中脂质代谢过程的研究成果,并进行综合阐述。     

木质素转化成化学品研究新突破

<正>2017年8月21日,美国桑迪亚国家实验室的研究者在《科学报告》上发表论文,展示了两条木质素转化的化学-生物混合途径,该途径大大提高了木质素转化成粘康酸的产率和产量。木质素是植物细胞壁的主要成分之一,含有可转化为尼龙、塑料和药物等产品的化合物,但其顽拗性使得难以从中提取有价值的化合物。常用的方法包括生物方法和化学方法。温和的生物方法能够生产特定的     

华南象草PpCAD基因的亚细胞定位及其在转基因烟草中的异源表达

该研究根据已克隆的华南象草(Pennisetum purpureum cv.Huanan)肉桂醇脱氢酶(CAD)基因PpCAD的cDNA序列,构建亚细胞定位载体pAN580-PpCAD,用PEG介导法转化象草原生质体,以探究PpCAD蛋白在细胞内的定位;同时构建植物过表达载体pBA002-PpCAD,通过农杆菌介导法在烟草中异源表达,以研究PpCAD基因与植物木质素合成的关系。结果显示:(1)PpCAD定位在象草原生质体的细胞质内;(2)过表达载体pBA002-PpCAD转化烟草后获得27株转基因烟草,其中25株PCR鉴定为阳性;(3)半定量RT-PCR检测6株转基因烟草后发现,PpCAD基因在不同植株的表达量存在差异,通过Southern杂交检测后发现该差异与目的基因插入的拷贝数有关;(4)6株转基因烟草和野生型烟草表型上没有明显差异,除目的基因多拷贝插入的植株OEC6外,木质素含量有不同程度的提高,最高比野生型提高了56.50%。研究表明,PpCAD是一个细胞质蛋白,在烟草中过表达PpCAD能够提高植株木质素含量,表明PpCAD基因参与了植物的木质素合成,可用于象草的木质素调控研究。     

木质素酶及其生产菌的筛选育种

木质素酶降解木质纤维素材料中的木质素,使木质素-半纤维素-纤维素结构解体,纤维素得以暴露出来供后续步骤处理.它广泛应用于生物制浆、生物漂白、废水处理等工业过程中.由于近年利用可再生木质纤维素材料用酶法水解生产酒精成了研究热点,因而作为纤维素材料生物转化工艺预处理过程中的关键角色,木质素酶也极大地唤起人们的研究兴趣.本文介绍了木质素与白腐真菌(Phanerochaete chrysosporium)木质素降解酶系的特征以及锰过氧化物酶、木质素过氧化物酶、漆酶等3种木质素酶的催化作用机理,归纳了目前流行的木质素酶产生菌的筛选方法及近年来从自然界筛选木质素酶高产菌的种类,并对产木质素酶野生菌株的诱变育种与基因工程改造的进展进行了阐述.     

木质素准液体替代柴油交通运输燃料

自1930 年人类才开始对木质素进行研究,1980 年美国人提出建议将木质素直接与柴油混合替代柴油,但都没有在技术上解决木质素颗粒作为柴油替代燃料时木质素在柴油中的稳定分散和输送问题.也即由于一直没有寻找到合适的分散剂或乳化剂,微细粒状木质素作为含氧易燃高能燃料过去一直不能用作为现代发动机的动力燃料.本项目利用木质素高分散性和流动性的特点,通过新的分散介质和乳化技术,使木质素微细颗粒可以与柴油均匀混合作为一种介于液体和固体之间的准液体燃料,部分地替代柴油.仅按照10% 替代比例,每年可以为我国节约柴油近千万吨;且与燃料乙醇、生物柴油相比较,木质素作为准液体燃料,不消耗粮食、不占用耕地、不需要国家财政补贴.与过去传统的试图将木质素液化后利用木质素作为交通运输燃料的技术方法完全不同,在世界科技界几十年来木质素液化生成交通运输燃料技术一直没有获得成功的背景下,本技术是直接利用固体颗粒状木质素经过新的分散乳化技术均匀分散于柴油中获得一种准液体燃料作为交通运输燃料.委托江苏大学江苏省生物柴油动力机械应用工程中心所进行的测试表明,含9.2%( 质量分数) 木质素准液体柴油燃料降低了柴油机排气温度约40℃,排烟状态无明显区别,混合油中的木质素25.2g 可替代14.3g 柴油,按等效热值计算,25.2g 木质素热值相当于16g 柴油的热值,说明木质素在测试使用条件下在柴油机汽缸内充分燃烧并替代柴油燃烧做功.另外,木质素具有玻璃转化温度,不同于其他生物质粉体或煤粉等没有玻璃转化温度的固体材料,在120 ～ 190℃以上温度时其是柔软的,所以对发动机的磨损作用与液体燃料应无大的区别.     

木质纤维素生物炼制的研究进展

木质纤维素是一种广泛存在的可再生生物质资源,主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。如何更有效地综合利用木质纤维素是当前面临的世界性难题。本文中,笔者梳理了木质纤维素生物化学法转化生产以燃料乙醇为代表的生物基产品,特别是转化过程中关键技术环节的研究现状及难点,深入探讨了木质素的生物转化利用趋势,并综述了合成生物学在这些领域的研究趋势和最新成果。本文力图描绘出木质纤维素生物炼制研究全景,为后续研究提供潜在思路。