[发明专利]通过下调XAT基因提高植物糖化效率的方法及其应用

说明书

本发明公开一种通过下调XAT基因提高植物糖化效率的方法及其应用，属于生物质能源领域。本发明通过使植物的XAT基因功能缺失或下调，来提高植物的糖化效率。通过本发明的方法使得阿拉伯糖含量降低，减少了半纤维素分支度，减弱了其与木质素和纤维素交联的紧密，进一步导致突变体材料的糖化效率提高，降低了材料处理成本。因此，本发明从根本上改变了材料的生物质特性，使糖化效率有了根本上的提高，可以节约能源，降低劳动强度。通过本发明的方法获得材料可以应用在生物质转化、纸浆和造纸工业中。

技术领域

本发明属于生物质能源领域，具体涉及利用生物技术下调植物体内木聚糖阿拉伯糖基转移酶(Xylan Arabinosyl-transferases，XAT)的活性，XAT下调后的植物具有更高的糖化效率，本发明涉及XAT下调植物在各种应用如生物质转化、纸浆和造纸工业中的应用；特别涉及一种通过下调XAT基因提高植物糖化效率的方法及其应用。

背景技术

生物质能源结合了化石能源和新能源的优势，是储量极大、可再生的能源之一。由于其来自于植物或农林产业废弃物，同样具有环境友好的特性。当今世界的主要使用的仍为传统能源，储存有限、不可再生和环境危害严重，亟待提高和推广生物能源。如何高效合理地开发生物质能对经济和社会的可持续发展有着重要意义，也已成为大势所趋的热点。

木质纤维素作为重要的生物质能源，是生产生物乙醇的主要原料。木质纤维素中的纤维素和半纤维素经水解糖化成简单糖类，最后被发酵成乙醇，糖化效率是影响生物质产量的重要因素，木质纤维素的组成与交联方式直接影响糖化效率。禾本科植物的半纤维素主要是以木聚糖(Xylan)为主链，阿拉伯糖(Arabinose)、葡萄糖醛酸(Glucuronic acid)为侧链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过阿拉伯糖侧链与纤维素、木质素的部分结构交联来提高植物的韧性、抗逆性等，但木聚糖侧链的存在也对木质纤维素的工业应用带来了很大的影响。木聚糖在纤维素周周形成的交联网络结构阻止纤维素分解酶进入，不仅如此，侧链分支的程度也影响了糖化效率。木聚糖侧链合成的途径中，尿苷二磷酸阿拉伯糖(UDP-arabinose，UDP-Ara)会被木聚糖阿拉伯糖基转移酶(XAT)转移到木聚糖(Xylan)骨架上形成半纤维素的主要结构，对XAT的调节会直接影响木聚糖主链上阿拉伯糖侧链的分支程度，进而影响阿拉伯糖通过阿魏酸酯键与木质素的连接，并影响半纤维素和纤维素的交联，最终改变植物的糖化效率。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种通过CRISPR/Cas9下调XAT基因提高植物糖化效率的方法。

本发明通过改变植物木聚糖侧链含量和分支程度，从而使植物糖化效率提高。基于发明人的工作经验和当前生物质材料改良的需求，发明人认为下调阿拉伯糖合成的关键酶XAT可直接导致阿拉伯糖含量的降低，从而改变木质纤维素的组成与结构。通过对水稻基因组中所有XAT的分析可知，水稻基因组中共有2个XAT已被确认功能(XAT2、XAT3)，通过TMHMM在线预测可知OsXATs均具有跨膜区，定位于高尔基体。发明人利用CRISPR/CAS9基因编辑技术，对水稻中的两个XAT分别设计了多个靶点并对靶点所在的基因进行敲除。最终得到了两基因突变的植株XAT2XAT3，在测序鉴定可靠性之后，发明人的研究工作正是针对这突变体开展的。

在相同生长环境下，XAT2XAT3突变体表现出和用作对照的正常的水稻植株相同的生长表型，对突变体的农艺性状进行统计分析发现，XAT2XAT3突变体株高、叶形、穗数和正常水稻无异。对突变体的茎秆切片皆表现出没有变化的细胞壁。对突变体细胞壁中的阿拉伯糖进行单糖分析发现，突变体中的阿拉伯糖含量显著减少，而葡萄糖和木糖没有明显变化，这也是影响糖化效率的显著原因之一。对突变体材料进行糖化效率分析，表现出比野生型材料更高的糖化效率。以上实验结果表明，高尔基体定位的XAT突变能使植物木聚糖侧链-阿拉伯糖含量降低从而导致糖化效率提高。