[发明专利]一种提高植物中纤维生物质能源利用效率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物技术领域中一种提高植物中纤维生物质能源利用效率的方法。

背景技术

快速增长的能源需求、化石资源的不断减少、环境污染加剧和全球性的气候变暖，使得能源、资源与环境成为人类社会可持续发展所面临的重要问题，发展可再生且环境友好的能源代替化石资源已成为世界各国的共识，也是人类克服能源与环境危机，保障可持续发展的重要途径之一。

生物质能是可再生能源的重要组成部分。生物质能的高效开发利用，对解决能源、生态环境问题将起到十分积极的作用。植物通过光合作用固定二氧化碳和太阳能，全球每年植物生长所积累的生物质总能量相当于4527万亿千焦，除自然消耗外，净积累总能量为2289万亿千焦，是2001年全球能源消费(419万亿千焦)的五倍以上。而在植物所积累的太阳能中，90％以上是以纤维生物质的形式存在。其中，纤维素约占45％，半纤维素约占30％和木质素约占25％，通常称为木质纤维素生物质。所以，木质纤维生物质是地球上最丰富的可再生能源。利用木质纤维生物质材料生产乙醇已成为第二代生物基液体燃料研究的热点。目前已经市场化的生物燃料主要包括以粮食为加工原料的第一代生物乙醇和以植物油为加工原料的生物柴油，这两种生物燃料的发展都遭遇了生产原料不足的瓶颈问题。与之相比，第二代生物燃料纤维素乙醇的发展因原材料充足，显示出巨大的产业应用潜力。因此，我国《能源发展“十一五”规划》、《可再生能源中长期发展规划》等一系列政策法规中明确提出“积极发展以纤维素生物质为原料的生物液体燃料技术”。同时以法规的形式禁止玉米等粮食作物在生物乙醇生产中的应用。

木质纤维素生物质制取燃料乙醇，是部分替代汽油和石油燃料的重要途径之一。其中在燃料乙醇行业中起作用的主要是纤维素和半纤维素，木质素作为一种副产物，必须采取有效的预处理工艺进行脱除；目前由于五碳糖的发酵相对困难，燃料乙醇行业中利用的主要是纤维素。预处理后通过酸水解或酶水解等方法把木质纤维素生物质中纤维素和半纤维素分解成可用于乙醇发酵的葡萄糖或戊糖，这个过程称为“糖化”。经预处理和糖化过程获得的单糖，可直接用于微生物发酵，生产生物乙醇。总的来说，木质纤维素生产燃料乙醇包括预处理、糖化和发酵三个工艺过程。

从目前的情况看，生物质燃料乙醇产业化过程中存在的主要问题是预处理成本高、糖化产率低。据估计，预处理占生物乙醇生产总成本的三分之一，名列三个工艺之首。预处理的作用是打开植物细胞壁复杂的结构，除去木质素，同时把目前还无法有效发酵的半纤维素溶解成单糖和寡聚糖而除去，降低纤维素的晶体构象，增加生物材料的空隙度，使糖化过程中纤维素酶更容易进入细胞壁内部发挥水解作用，提高生物质中纤维素的消化性和消化效率，最终提高糖化效率。糖化的方法主要有酸法和酶法。其中酶法由于对设备要求低、反应条件温和、产物特异，污染小而更具产业应用前景。与预处理和糖化工艺相比，发酵是比较成熟的工艺，尤其是六碳糖(主要是葡萄糖)的发酵。

由于木质纤维素细胞壁组成和结构的复杂性，目前以木质纤维素为原料生产乙醇还存在成本高、操作困难等问题。尽管国内外在原料预处理、酶解、发酵等基础研究方面取得了长足进步，但在关键转化技术方面还存在很多问题，特别是缺乏经济有效的预处理方法、糖化效率低等问题，制约着纤维素燃料乙醇在产业上的广泛推广应用。因此，通过生物技术和基因工程等定向育种技术手段改变植物纤维生物质(即植物细胞壁)的结构和组成，提供可高效转化的生物质原材料，降低预处理的必要性，提高糖化效率，是促进纤维生物质原料制备生物乙醇实现工业化和商业化的重要途径。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种培育转基因植物的方法。

本发明所提供的培育转基因植物的方法，是降低目的植物中咖啡酰CoA 3-O-甲基转移酶编码基因的表达，得到与所述目的植物相比，细胞壁组分变化和糖化效率提高的转基因植物；所述细胞壁组分变化体现为：酸不溶木质素含量降低、酸溶木质素含量降低和纤维素含量增加；所述糖化效率提高体现为：纤维素的酶解效率提高。

所述咖啡酰CoA 3-O-甲基转移酶为由序列表中序列2所示的氨基酸序列组成的蛋白质。

所述咖啡酰CoA 3-O-甲基转移酶的编码基因为如下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)在严格条件下与1)所示的DNA分子杂交且编码序列表中序列2所示氨基酸序列组成的蛋白的基因；

3)与1)或2)的基因具有90％以上的同源性且编码序列表中序列2所示氨基酸序列组成的蛋白的基因。