研究与评论:植物学杂志雷竞技苹果下载
菜单ISSN: 2320 - 0189
ISSN: 2320 - 0189
+ 1-845-458-6882姜堰余1,2，张静3.何苗3.淳杰富1， Eviatar Nevo4，彭俊华1,5*
1中国种业集团有限责任公司生命科学技术中心，湖北武汉430206
3.东北林业大学风景园林系，黑龙江哈尔滨市和兴路26号，150000
5土壤与土壤学系作物科学s，科罗拉多州立大学，柯林斯堡，CO 80526-1170，美国
收到日期:25/03/2015;接受日期:21/04/2015;发表日期:22/04/2015
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气候变革和能源危机加速了传统能源生产和新替代能源的探索。生物燃料很重要，因为它们可以取代石油燃料。芒草(Miscanthus sinensis)产量高，分布广，对生物和非生物胁迫的耐受性显著，被认为是中国最有潜力的能源植物之一。作为一种较新的生物质植物，其生理、预处理和遗传研究方面的背景知识很少。本文对羊草的生理特性、产乙醇前处理及遗传改良等方面进行了综述。在其他植物的基因组和表观基因组研究项目的成果，有助于更好地了解这一有潜力的中国生物质作物物种的性质。同时，进一步开展解构酶、遗传育种等方面的研究，将促进羊草的应用，产量更高、品质更好、适应性更广。
芒，生物质作物，形态，生理，高潜力特性，处理过程，遗传改良。
气候变化和节能造成的能源危机加速了传统能源生产和新的可再生能源的探索。2007年，中国石油净进口已达1.86亿吨，占中国石油总需求的49.6%。生物燃料是一种可再生能源，由天然植物材料制成，如从芒、谷物或甘蔗中提取的生物乙醇，从植物油或动物脂肪中提取的生物柴油。
根据生产技术，生物燃料被分为四代:第一代(主要由粮食作物，如谷物、甜菜和油籽生产的生物燃料)，第二代(由非粮食生物物质生产的生物燃料，包括谷物秸秆、甘蔗渣、森林残留物和专门种植的能源作物，如营养草和短轮作森林)，第三代和第四代。第二代和第三代生物燃料也被称为高级生物燃料，主要由非粮食作物和藻类制成。然而，考虑到粮食作物的高价值和土地的潜在压力，第一代生物燃料似乎是不可持续的。2004年以前，中国主要以玉米和小麦为原料生产乙醇。由于粮食原料有限、城市空气污染、碳封存和粮食安全的扩大，第二代生物燃料被认为是中国未来最具潜力的生物燃料之一。
生物乙醇和生物柴油是两种来自生物质的全球运输燃料。原料成本、转化过程、生产规模和地区主要影响生物燃料生产成本。对于生物燃料来说，原料成本是总成本的一个主要组成部分。考虑到不含税的生物燃料价格，从木质纤维素中提取生物乙醇将被认为是与石油相比最有前途的替代品。为了满足当前和未来的需求，从木质纤维素生物质发酵中生产乙醇是一个可行的选择，不会与粮食供应竞争。由于其低成本和高可用性，从长远来看，木质纤维素生物质为生物乙醇生产提供了相当大比例的原材料。在中国，工业生物质可以从芒草、甜高粱、木薯和甘蔗等植物中生长出来。全国可用于能源作物的可开垦土地约667万公顷。目前研究的潜在生物量物种可以在这些极端土地上生存，包括甜高粱(种植在中国北方)和木薯(种植在中国南方)。在中国，中华桫椤广泛分布于海南至黑龙江一带，分布在北纬18º39′n ~ 45º22′n之间，海拔3 ~ 2109 m之间。 A variety of wild Miscanthus species in China have contributed fundamental information for further breeding and genetic improvements.
芒草作为九大潜力生物能源草之一，已显示出未来可再生第二代生物能源[10]的潜力。芒草的田间试验数据表明，欧洲许多地区的芒草产量很高[11,12]。有3种芒草具有较高的生物量生产潜力，分别是芒×巨芒(M ×巨芒)、芒、芒(M . sacchariflorus)。巨藻已被广泛研究并广泛用于生物质生产。而在欧洲和北美广泛使用的M × giganteus，是由二倍体M. sinensis和异体四倍体M. sacchariflorus[13]自发三倍体杂交的单个无性系衍生而来。因此，M. × giganteus的遗传基础非常狭窄，由于其三倍体不育性，难以扩大。中华m.s n . ensis和糖花m.s n .[13]在很大程度上依赖于m.s n . sinensis的遗传改良。中华羊草是多年生C4光合根茎草，产量潜力大，水分利用效率高，对肥料的需水量低，对极端环境的抵抗力高[14]。与其他C4作物相比，中华羊草具有较高的生长期产量，被认为是一种很有前途的生物质原料和替代性生物燃料作物。
虽然芒草已被中国政府提倡作为潜在的第二代生物燃料原料，但关于芒草的遗传和转化过程的信息有限。本文综述了现有的研究成果，以期更好地了解中国这一前景广阔的生物质作物物种的性质。
地下茎伸出短而粗的根状茎(5-10厘米)，并在活动节点上萌发新的根，形成新的分蘖(图1 c)[16]。地上的茎是刚性的，圆柱形的，不分枝，大部分是中空的(图1 d)[17]。在我们的野外试验中(在中国武汉进行)，m.s anensis的高度可达3.35 m (图1一个而且1 b)，高于日本和欧洲，分别为2 m和2.3 m[18-21]。中华羊草叶片平均长100cm，宽度为2mm ~ 20mm。叶舌从鞘起1-2毫米(图1 d)(23、24)。总的来说，每根茎大约从地面长出12-14片叶子，直到旗叶出现在圆锥花序附近。中华羊草叶面积指数值较高，最高可达3.9±0.6[25,26]。每个分蘖精确地只在旗叶上方的茎顶产生一个穗。武汉地区种植的中华羊草基因型在3月发芽后120 ~ 250天开始抽穗，花期大多在深秋至初冬之间，且花期较长。一朵花包含2个柱头和5个花药。每朵花含有一个芒，在外稃长6-12毫米(图1 e而且1 f)．成熟的种子在收获时仍有外稃和内稃附着在颖果上，颖果长约4毫米(图1 h)．
图1:m . sinensis形态学描述。(a)m . sinensis9月在田间种植;(b)的营养茎m . sinensis；(c)基部的分蘖组m . sinensis植物;(d)刚性、圆柱形、空杆m . sinensis；(e)叶子m . sinensis，平均宽度为15毫米(刻度上的每个刻度为1毫米);(f)种子头(穗)m . sinensis(刻度秤上的每个刻度为1毫米);(g)完美的花m . sinensis，显示柱头和花药以及包围外稃和苞片(刻度刻度上的每个标记为1毫米);(h)成熟的种子m . sinensis收获期(刻度秤上的每个刻度为1毫米)
高生物量产量
m.s chinensis被认为是潜在的生物燃料作物之一，部分原因可能是其相对于其他植物较高的干物质产量，主要得益于C4光合作用的高效[25,26]。日本Kawatabi地区地下干物质平均质量为12.9 t hm -1。根据我们的实地试验，中国地上生物量产量估计在0.1至38.5 t hm -1之间。在不灌溉和施肥的田间条件下，中国广东省地上生物量产量高达38.5 t ha-1，显著高于欧洲种植的22.4 t ha-1和日本阿苏山地区种植的12.7 t ha-1[18,28]。因此，具有较高干物质产量的中华羊草可以作为一种潜在的生物燃料作物在中国本土发挥更好的作用。
中华芒在选育高品质、高性能芒新品种中具有重要作用。芒属多年生草本植物，在芒田建立初期产量逐年增加。第一年，瑞典、丹麦、英国和德国的平均生物量产量为0.4 t hm -1，第三年为10.9 t hm -1，是第二年[29]的3倍。田间试验的回归分析表明，纬度、高度和茎数是决定生物量产量的显著因素，抽穗期和海拔也是影响产量结构的重要因素
对极端环境的高抵抗力/耐受性
中华羊草对自然或人为系统中的极端环境具有很高的耐受性，包括火山和沿海地区的酸性硫酸盐土壤中的营养物质有效性差，特别是磷(P)缺乏[22,30]。吉井澄清了火山中的第一个入侵植物，并报告说，火山地区的恢复植物通常包括中国植物，在酸性土壤火山口周围总是发现高含量的有毒气体和硫酸盐，没有其他必要的草本调查营养物质。与其他芒种相比，中华芒种对极端环境具有较高的耐受性，这表明在培育耐非生物胁迫的新杂交种方面具有很高的潜力。由于PPDK和C4途径Rubisco蛋白的显著改变有助于抗寒性的提高，羊草通过增加Rubisco含量来适应低生长温度[31,32]。在日本寒冷温带地区的开阔地区，在两年之内，中华分枝杆菌就能存活下来，并萌发出[33]。Farell等[34]研究表明，在-2°C、-4°C、-6°C、-8°C和-10°C的霜温环境中暴露3小时，只有中华羊草杂交品种Sin-H9能够耐受-9.3°C致死温度为50%死亡(LT50)的霜，而其他被研究基因型均被杀死。Clifton-Brown对5种芒属植物的LT50值进行了研究，发现在-3.4℃时，M. sinensis的LT50为-6.5℃，远低于M. × giganteus和M. sacchraflorus[35-36]。
中华羊草在生理压力下也表现出良好的表现。在人工模拟的高盐干旱条件下，在NaCl浓度为18 g/L、PEG浓度为25% (W/W)[37]的条件下，中华柽柏仍能存活。Clifton-Brown等人通过调节供水量来研究水胁迫的反应。他们发现中华香属植物对干旱的耐受性较强，对水分和养分的需求较低，因为它具有灵活的节水策略，通过减少叶片在缺水期对土壤干燥的直接反应来维持绿叶面积[38,39]。中华羊草具有较强的抗旱性、耐寒性和边缘土地恶劣的种植环境，是驯化的良好选择。今后，我们还需要在形态学、耐受性等生理方面寻找潜在的连锁标记，以促进中华绒螯蟹的筛选、选育研究。根茎成簇，茎部密度高，对防治水土流失有显著作用。香茅根状茎平均每年分枝3次，半数以上的新分蘖在同年[28]成功地长出地上芽。
香椿具有较高的综纤维素含量(72.5 ODW, over - dry Weight的简称)和α-纤维素含量(42.2 ODW)，低灰分含量(0.7 ODW)和低Klason木质素含量(19.9 ODW)[41,42]。干茎生物量占中华羊草细胞壁的85-89%，细胞壁纤维素含量为32-55%，各样品间差异显著[43]。木质素赋予植物细胞完整性和结构刚性，对纤维素乙醇[44]的预处理表现出最显著的抗性。木质素含量为22 ~ 24%。而m × giganteus中木质素含量高达28%[44]。在有限的未消化分子混合物中，木质素含量相对较低，木质素降解为乙醇所需的能量较低，有利于预处理。含糖量在62%以上，主要为戊糖(22.4%)和己糖(40.2%)[45]。糖的总含量与其他木质纤维素生物质的主要来源类似，如小麦(69%)、玉米秸秆(65%)和水稻(63%)，表明其在生物质作物方面的巨大潜力[46-48]。
在纤维素和半纤维素转化为乙醇之前，它们需要进行化学和物理预处理，然后用酶分解分子。科学界已经研究并提出了许多纸浆生产的替代系统。与以糖和淀粉为原料生产生物乙醇相比，木质纤维素基生物质需要更复杂的预处理和水解工艺。事实上，木质纤维素的预处理是木质纤维素转化为乙醇的主要经济成本。一旦原料经过预处理，木质纤维素必须被水解以释放出可发酵的糖。
预处理的目的是破坏木质素结构，破坏纤维素的晶体结构，使其易于水解转化为燃料[51,52]。生物质转化为木质纤维素的预处理技术主要包括化学、生物和物理三个过程。由于不同的木质纤维素材料具有不同的物理和化学性质，每种原料应采用合适的预处理技术。目前对羊草的预处理主要有化学预处理、物理-化学预处理和生物预处理。
化学预处理
酸预处理可使植物细胞半纤维素部分溶解，使植物细胞中的纤维素更易被酶[52]吸收。在常压条件下，柽柳地上部茎可发生酸脱木素反应。在含甲酸87.8%、HCl 0.09%的浆液中制浆75 min的条件下，相对于干浆，制浆率为46%，RKL为3%[54]。与1% H2SO4的高化学浓度相比，0.25% H2SO4的校准相关性更好，这使得糖产量[55]的变化更大。
碱基处理是另一种有用的方法，以研究乙醇生产的中华分枝杆菌。Iglesias和同事研究了用NaOH溶液碱法处理中华木犀的去木质素。在溶解木质素/质量损失为0.4的最佳条件下，木质素产量为[56]的60%左右。初步结果表明，在碱法制浆的一步中，木质素可以有效地脱去到较低的水平(kappa值约为25)，制浆率为56%。优化的NaOH预处理和热凝胶酶水解得到77%的脱木质素，纤维素产率大于95%，半纤维素[58]水解率为44%。
此外，还探索了提高羊草纤维素消化率的预处理方法。热、氧化、石灰、液态热水以及氨和二氧化碳组合预处理的结果表明，消化率[50]具有显著的潜力。M. × giganteus的催化蒸汽气化提供了良好的产量，约1.7 m3 kg−1daf的气体，含有50%的H2[59]。Murnen和同事[60]优化了氨纤维膨胀预处理和M. × giganteus酶解为可发酵糖，实现了约96%的葡聚糖和81%的木聚糖转化。事实上，在M. × huge处理方面的所有进展都表明，应该进行进一步的研究，以使M. sinensis预处理能够提高纸浆产量。
物理化学预处理
微波预处理通常涉及热和非热两种影响，因此可以认为是一个物理-化学过程。采用微波辅助氢氧化铵和磷酸处理法从羊草中释放单体糖。通过两阶段预处理，即在120℃用NH4OH处理15分钟，然后在140℃用H3PO4处理30分钟，获得了71.6 g/100 g干燥生物量的总单体糖产量[61]。
热水不需要添加化学物质，减少对昂贵反应堆的需求，避免催化剂循环，克服中和成本。在高压灭菌器中，在121°C的较低温度下进行热水预处理20分钟。与化学预处理[55]相比，其糖产量变化更大。
生物预处理
生物预处理通常采用微生物和酶预处理[51,62]。作为一种独特的微生物，真菌能够从木质纤维素植物凋落物中去除木质素，人们一直在探索将木质纤维素材料升级为饲料和造纸应用。在此之前，许多真菌菌落已被选择用于进一步的生物转化研究。N. sphaerica是田间羊草叶片微真菌组合的优势组分，已被评价为羊草的生物转化[63]。
通过收集自然界中与芒属植物腐烂有关的真菌，从4560个微孔菌落中随机选择了约950个真菌菌落。Sordariomycetes和Dothideomycetes属被认为是最有前途的生物转化物种[64]。在纯培养条件下，对落叶草落叶分解真菌进行生物预处理，以去除木质素;12种不同的真菌造成的叶片质量损失在原始叶片质量的4.7% ~ 43.1%之间[63]。
近年研究结果表明，白腐真菌对木质素的降解主要依赖于过氧化物酶、漆酶等木质素降解酶的特性[65]。虽然几种白腐真菌在不同的木质纤维素生物量上表现出较高的脱木质素效率，但Phanerochaetechrysosporium, Trametesversicolor被认为在Miscanthus中最有潜力[65]。Trametesversicolor对木质素和总碳水化合物的质量损失分别为43.1%和49.5%[63]。
总的来说，生物预处理具有不需要化学品、成本低、能量投入低等优点[66]。然而，与其他技术相比，生物方法的水解速率较低[67]。为提高中华绒螯蟹生物预处理水解率，应进一步研究分离出更多具有高效去木质素能力的担子真菌菌落。
中华羊草的系统发育和遗传组成
芒草在分类学上属于禾本科糖精科、Andropogoneae和Panicoidae，可分为Triarrhena、Eu Miscanthus、Kariyasua和Diandra四组[68]。M. sinensis属于PACCAD支系，属Eu Miscanthus[69,70]。它与floridulus、m.s chariflorus、m.s chinensis亚种同属一个核心群。凝露菌、寡孢菌、transmorrisonensis[71]。
中华ensis是一种二倍体(自然界中有时是四倍体)，其基础组有19条染色体，基因组大小为5.5 pg[70-73]。从M. × giganteus的起源来看，它被认为是M. sinensis和M. sacchariflorus杂交的结果[13,59,74]。Rayburn用细胞仪和气孔细胞分析了这三个种，并假设M. sinensis为M. × giganteus提供了一个基因组，而M. sacchariflorus提供了两个基因组[72,73]。然而，杂交起源尚不清楚，需要进一步的分子遗传学研究来解析其基因组进化。虽然M. × giganteus产量很高，但作为一种不育草，它在遗传研究中强烈依赖M. chinensis，以提供高品质和性能。因此，中华羊草种质资源是拓宽成功育种研究遗传基础的重要资源[93,94]。
传统育种
中华绒螯虾的遗传改良主要集中在生物量产量和耐环境胁迫方面。不同群体间的传统植物育种技术导致开放杂交品种，并导致更多基因表达变化，这也可能影响农业生产。田间试验对四倍体中华羊草进行了初步研究，结果表明，与对照相比，四倍体中华羊草的干生物量更大，纤维素含量更高，对极端环境的抗性更高[21,22]。例如，M. sinensis和M. lutariooriparius的自交系可以成功地产生几个纤维素含量更高、木质素含量更低的杂种，这对生物燃料的生产产生了巨大的影响。传统的中华羊草育种研究已经培育出了高性能的杂交种。在中国进行了芒属种间杂交。他们构建了24个种间组合、2个回交群体、3个F1兄弟姐妹交配群体和1个重复杂交群体。优良杂种F1的纤维素含量较高，木质素含量较低，分别为48.93%和12.30%[75]。在欧洲，从两个耐温范围更广的中华羊草种群中获得了几个杂交品种。例如，sin-H6和sin-H9对次优温度和晚霜事件[59]表现出更高的耐受性。 Moreover, sin-H9 had higher thermal response rates with a Tb of 6.0°C and frost tolerance with a lethal temperature of -9.3 °C lower than M. × giganteus [34].
先进的育种
作为满足未来发电和生物燃料生产的生物质需求的新的主要候选者之一，中华分枝杆菌需要利用传统育种和现代生物技术方法进一步进行遗传改良。先进的育种强化了遗传瓶颈。
分子标记可用于遗传指纹鉴定中华绒螯虾的遗传变异，为育种提供依据[76,94,95]。基于RFLP和SSR标记，初步构建了中华分枝杆菌图谱[77-78]。目前已鉴定ISSR多态性标记26个，AFLP标记998个，SSR标记14个[59,79,80]。开发新的相关标记
从相关作物，如玉米、高粱和甘蔗，拥有丰富的基因组数据库，可以加速育种程序。Zhao等利用短柄草(Brachypodium disachyon)的57个SSR标记，将21个基因型聚类为3个不同的类群[81]。分子标记在连接标记[59]中提供高效的渐渗性状。这一过程在m.s anensis中尤其重要，因为许多期望的性状在2-3年后才表达[82]。一旦建立了这些分子标记和表型之间的紧密联系，就可以方便地在进一步的研究中从杂交中选择理想的后代。
QTL策略可用于研究数量性状与位点之间的关系，其连锁图通常由RAPD、SNP和SSR等分子标记构建。已在单个中华香椿杂交中鉴定了株高、茎粗、产量和燃烧质量参数的QTL图谱[82- 85,87]。虽然缺乏足够的中华分枝杆菌序列数据，但QTL分析可能是对已知功能的候选基因目标区域进行测序的替代工具[87,88]。从初步研究来看，可以推广到其他种群、环境和性状。在其他禾草中定位的qtl可以在中华草中定位候选位点。例如，在其他模式生物中检测控制碎裂的基因座，在小米中作为脱落层，在高粱和玉米中作为种子传播，在水稻中作为种子脱落的基因座，可以促进M. sinensis中相关性状的标记鉴定[89]。
未来战略
在田间试验原始数据中筛选中华柽柳基因型，可优化生物量产量和品质。由于某一特定基因型一年生长的生物量产量和质量并不总是与下一年的测量结果相关，因此确定最合适的基因型至少需要两年时间。抽穗期/开花时间和衰老率等特征对于繁殖成功和优化产量和质量至关重要。通过测定株高、梢密度、茎粗、花期等，确定基因型生长特征是十分必要的。为筛选高产、优质、适应性广、有价值的新基因型，应开展昂贵而密集的农艺观察。
可利用的作物基因组序列对中华羊草育种的理论和应用都有很大的促进作用。包括水稻、玉米和高粱在内的几种作物的全基因组测序已被鉴定。这些序列为大规模的转录组学和蛋白质组学研究打开了大门，这已被证明在芒属育种研究中是有用的[87,90,91]。序列数据可用于研究基因和基因家族的起源，追踪序列随时间的分化率，并为基因如何进化和生成具有新生物学特性的产物提供线索[92]。然而，由于芒草基因组庞大且高度杂合，其基因组测序仍处于起步阶段。尽管如此，一些研究机构已经对中华分枝杆菌基因组进行了物理测绘和测序。基于基因分型测序技术(GBS)构建了高分辨率的基因图谱。这一遗传图谱可以有效利用其他物种现有的基因组资源，对芒草这种高生物质能源作物进行改良[86]。所有这些努力为芒草二倍体基因组测序提供了必要的背景和工具，并为开展芒草进化研究和优化育种实践提供了极好的工具。这是一项以里程碑为基础的长期战略，在提供产品和工具的同时，致力于从质量和数量上改善作物。
中华香薷是世界上重要的生物燃料作物之一。农学和分类学研究揭示了其作为高产生物质的潜在用途。作为草生物燃料的鼻祖，M. sinensis是芒属育种改进的核心，并为M. ×giganteus贡献了两个基因组。中国对中华分枝杆菌的研究还处于早期阶段，主要集中在几年的野外试验，积累了其基本生物学知识。此外，种质资源收集对于加速育种过程中保护生物多样性至关重要，而没有强大的遗传多样性。
作为香薷转化乙醇的主要经济成本，未来需要改进成本更低、效率更高的预处理方法，特别是生物转化工艺。能有效解构细胞壁的酶有助于提高羊草的预处理性能。
作为芒草的祖先，中国芒草应该进行深入的研究，以评估其适应环境胁迫的结构、功能和调控多态性。应进一步从中华羊草基因型[38]的杂交中选育出抗叶片衰老和干旱、根系生物量不显著减少的中华羊草新品种。一旦建立了基因组和表观基因组多样性之间的联系，它可能会显著加速物种形成和对压力和变化环境的适应过程的研究。利用转基因技术对中华羊草进行改良，可提高其生物量干物质产量和在极端环境下的定殖能力。必须优先考虑高产，尽量减少劳动力投入和土地需求。先进的技术可以针对重要的适应性基因，使其主动渐渗进行遗传强化，从而保质保量培育中华羊草。
