植物细胞壁研究与生物质改造利用.pdfVIP

2016 年 第 61 卷 第 34 期：3623 ~ 3629 《中国科学》杂志社 Science 125个科学前沿问题系列解读( ⅩⅩ) SCIENCE CHINA PRESS How do plants make cell walls? 植物细胞壁研究与生物质改造利用 * * 黄成 , 李来庚 中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所, 植物分子遗传国家重点实验室, 分子植物卓越中心, 上海 200032 * 联系人, E-mail: huangcheng@; lgli@ 2016-06-29 收稿, 2016-07-11 修回, 2016-07-12 接受, 2016-11-16 网络版发表 国家重点基础研究发展计划(2012CB114502)和国家自然科学基金资助 摘要 细胞壁是植物细胞区别于动物细胞的重要结构特征之一, 在植物细胞生长发育和环境响应中发挥重要作 用. 同时, 地球上陆生植物光合作用产物约70%存于细胞壁中, 细胞壁生物质是地球上最丰富的可再生资源. 植 物如何将光合产物合成为细胞壁成分? 人类如何有效利用大量的、可再生的细胞壁生物质资源? 这些问题近年来 受到了广泛的关注. 本文对细胞壁合成、利用生物技术对细胞壁生物质进行改造, 以及细胞壁生物质利用等研究 进行简要介绍和综述. 关键词 植物细胞壁, 纤维素, 木质素, 半纤维素, 纤维生物质 化石能源使用产生的污染和温室气体已使地球 学显微镜观察到栓皮栎栓化的次生细胞壁结构, 称 环境高度恶化, 同时化石能源的不可再生使人类文 之为细胞以来, 人们对植物细胞壁进行了广泛而深 明可持续发展受到越来越大的挑战. 植物通过光合 入的观察和研究. 从20世纪末至今, 细胞壁成分的合 作用利用太阳能将二氧化碳和水合成为有机化合物, 成与组装、细胞壁合成调控的分子机制、细胞壁参与 全球陆生植物每年生物产量约170×109~200×109 t, 环境胁迫等方面都得到了系统解析[8]. 同时, 细胞壁 其中约70%转化为高分子聚合物累积在细胞壁中, 中所积累的生物高分子聚合物是人类生产生活及生 具有巨大的开发潜力[1]. 探索植物如何形成细胞壁以 物能源工业的重要原料来源, 细胞壁的改造与利用 [9] 及如何将生物质转化为可利用的能源对人类社会可 受到越来越多的关注 . 持续发展具有重要的意义, 被Science列为人类所面 临的需要回答的重要科学问题之一[2~4]. 1 植物细胞壁的合成与调控 细胞壁是植物重要的特征性结构, 包括中胶层、 初生细胞壁和次生细胞壁. 前两层普遍存在于所有 1.1 细胞壁主要成分的合成 的植物组织细胞中, 由纤维素、半纤维素、果胶质和 纤维素是植物细胞壁的主要成分, 约占干重的 少量蛋白质组成, 与细胞间黏附、细胞扩增及细胞形 40%~50%, 在细胞壁中以微纤丝的形式存在. 葡萄 态的决定有关[5]. 次生细胞壁只沉积于特殊类型细胞 糖以-(1→4)糖苷键连接而成葡聚糖链, 多条葡聚糖 的初生壁内部, 含有纤维素、半纤维素和木质素, 赋 链平行排列, 糖链间靠氢键连接, 形成直径约5~10