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青島能源所發現提高玉米稭稈利用率的新基因
來源:青島生物能源與過程研究所 發布時間:2019-04-23

我國作物稭稈資源豐富,每年農業生産中産生的各類稭稈高達7億多噸。因此提高稭稈資源的利用效率在促進農民增收、保護環境和節約資源等方面均具有重要意義。作物稭稈富含纖維素和半纖維素等具有經濟價值的多糖,然而由于木質素的存在嚴重制約了該類生物質資源在生物能源、造紙和牧草飼料等工、農業生産中的高效利用,從而導致資源浪費和環境汙染。玉米棕色葉脈突變體(bm)是一類木質素累積發生改變的重要種質資源,從發現至今已有95年曆史。玉米bm突變體的研究曆史悠久、代表性強且商業化利用價值高,是木質素遺傳改良和綜合利用領域的“明星”材料。迄今爲止發現的玉米天然bm突變體總共有六種,分別命名爲bm1-bm6。其中,bm1-4已經被鑒定爲木質素自身合成途徑及植物一碳代謝途徑的關鍵酶基因,並且部分突變體由于具有較高的稭稈利用率,已被用于商業化青貯玉米新品種的培育,獲得了巨大的商業收益。而玉米bm5和bm6的突變基因多年來一直未能成功破譯,成爲該領域國內外科研競爭的焦點。

 中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員付春祥帶領的能源作物分子育種研究組長期致力于單子葉植物木質素代謝調控的研究。該研究組繼2018年成功闡明了玉米bm2基因對木質素甲基化單體合成的影響之後,近期又完成了玉米bm5天然突變體的鑒定工作,研究成果于近期在线发表于生物工程与技术领域期刊Biotechnology for Biofuels。

 該研究綜合利用了基因定位、酶活性分析和代謝物鑒定等技術,率先發現木質素合成途徑的關鍵酶基因4CL1是玉米bm5的突變位點。進一步,該工作還闡明了bm5基因突變對木質素含量、單體組分以及可溶性酚酸累積的影響,並發現bm5突變體的牧草消化率和細胞壁糖化效率比對照株系分別增加了22.0%和17.6%。這一研究結果填補了玉米bm天然突變體鑒定領域的又一空缺,同時也爲今後通過分子設計培育高稭稈利用率的經濟作物提供了新的靶標。青島能源所博士熊王丹和吳振映爲該論文的共同第一作者,付春祥爲論文的通訊作者。該研究獲得科技部重點研發計劃、國家自然科學基金和山東省自然科學基金重大基礎研究項目等支持。 

 相關論文發表與專利申請:

1、Xiong W#, Wu Z#, Liu Y, Li Y, Su K, Bai Z, Guo S, Hu Z, Zhang Z, Bao Y, Sun J, Yang G and Fu C*. (2019). Mutation of 4-coumarate: coenzyme A ligase 1 gene affects lignin biosynthesis and increases the cell wall digestibility in maize brown midrib5 mutants. Biotechenology for Biofuels, 12: 82. doi: 10.1186/s13068-019-1421-z. 

2、付春祥,吴振映,熊王丹,刘雨辰,李玉,苏昆龙,姜珊珊。玉米brown midrib5(bm5)突变体的突变基因鉴定、变异及其分子标记物。中国,专利号:CN 201910033779.X。


玉米bm5天然突變體的鑒定



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