[发明专利]具有改进的糖化作用特性的基因修饰植物在审

专利信息
申请号: 201380014014.2 申请日: 2013-03-12
公开(公告)号: CN104520430A 公开(公告)日: 2015-04-15
发明(设计)人: 普拉尚·莫汉·帕瓦尔;玛尔塔·德尔巴-马切卢奇;埃瓦·J·梅莱罗维奇;马达维·莱瑟·冈拉;利夫·琼森 申请(专利权)人: 瑞典树木科技公司
主分类号: C12N15/82 分类号: C12N15/82;A01H1/00;C12N9/16
代理公司: 北京集佳知识产权代理有限公司 11227 代理人: 郑斌;彭鲲鹏
地址: 瑞典*** 国省代码: 瑞典;SE
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摘要:
搜索关键词: 具有 改进 糖化 作用 特性 基因 修饰 植物
【说明书】:

技术领域

发明涉及用于增加植物中之糖化作用(saccharification)潜力的方法,其包括在所述植物的至少一种细胞类型中过表达编码乙酰木聚糖酯酶(acetyl xylan esterase)多肽的多核苷酸。本发明还涉及用于产生基因修饰植物的方法以及涉及通过所述方法产生的基因修饰植物,所述基因修饰植物过表达编码乙酰木聚糖酯酶多肽的多核苷酸。

背景技术

木聚糖是木质纤维素的主要成分之一并且构成了人类开发可用的生物质的大部分。来自多个物种的硬木(hardwood)木聚糖和饲料作物的木聚糖通常是高度乙酰化的。乙酰基的存在影响木质纤维素的很多特性,例如交联和可提取性和反应性。而且,木聚糖骨架(backbone)上乙酰基的存在严重阻碍了木聚糖水解得到木糖,使得需要酶促或化学处理之前的乙酰基移除,导致了高成本和/或环境危害。

木聚糖是地球上发现的第三丰富的生物聚合物,且其提供了可用于人开发的大量生物质。木聚糖骨架由经4-O-甲基-D-葡糖醛酸/葡糖醛酸取代的β-(1→4)连接的D-吡喃木糖基残基组成。所述吡喃木糖基残基在C-2和/或C-3位置处是部分乙酰化的。木聚糖乙酰化可能影响木质纤维素生物质到可发酵糖的转化,这是生物燃料生产的关键步骤,并且其可能影响微生物将糖类发酵成乙醇。这还对木聚糖细胞壁物理化学特性可能也是重要的。山杨木材的总乙酰基含量为约3%至5%并且其大部分都与木聚糖相关。麦秸、甘蔗渣和柳枝稷中的乙酰基含量为约2%至3%。

通过化学预处理降低乙酰基含量改善了糖产率。在欧洲山杨(P.tremula)的一项研究中,通过KOH处理使木材脱乙酰化使糖产率从12%增加到42%。在颤杨(P.tremuloides)的一项类似研究中,乙酰基含量由其初始值降低85%,引起葡聚糖转化加倍并且比木聚糖转化高出8倍。此外,当木质纤维素是脱乙酰化的时,更温和的脱木质素(delignification)处理可用于进行有效的糖化作用。在草和谷物秸秆的情况下得到了类似的观察结果。木质纤维素中乙酰基的存在不仅在糖化作用期间而且在随后的发酵期间都不利于生物燃料生产。太高浓度的乙酸抑制微生物发酵。

木材脱乙酰化在化学热磨机械制浆(chemo-thermo-mechanical pulping)中起重要作用。其有利地改变细胞壁的结构,从而增加纤维溶胀和纤维的有效毛细管作用。脱乙酰化大幅度降低了半纤维素的溶解度并增加了其到纤维素纤维上的吸附,这改善了纤维的粘合能力并增加了其产率。

因此,在这些应用中需要从木质纤维素中移除乙酰基。移除乙酰基的常用策略是用碱预处理。已显示100g木材需要约4g的KOH来完全脱乙酰化。虽然稀碱预处理特异性地移除了乙酸盐而不影响木聚糖或木质素,但是这会增加总生产成本。例如,根据目前估计,木质纤维素乙酰化中20%的差异会转换为乙醇价格中10%的差异。

通过使参与多糖乙酰化的RWA基因突变获得了木聚糖乙酰基含量比WT低40%的拟南芥(Arabidosis)植物(Lee等(2011)Plant and Cell Physiology 52:1289-1301)。在没有预处理的情况下,此降低不引起糖化作用中纤维素消化性的增加。

Pogorelko等(2011)Plant Mol Biol 77:433-445构建了由花椰菜花叶病毒35S RNA启动子、拟南芥(Arabidosis thaliana)β-棒曲霉素蛋白信号肽(expansin signal peptide)和荧光标记蛋白YFP构成的表达盒。作者将三种构巢曲霉(Aspergillus nidulans)水解酶(β-木糖苷酶/α-阿拉伯糖苷酶、阿魏酸酯酶、乙酰木聚糖酯酶(AnAXE))和水稻黄单胞杆菌(Xanthomonas oryzae)推定的a-L-阿拉伯糖呋喃糖苷酶引入到哥伦比亚-0(Colombia-0)植物中。与Col-0植物相比,AnAXE植物中的乙酰基含量降低了23%。在酸预处理后糖化作用没有增加。

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