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彭良才教授与Green Carbon | 植物细胞壁工程双重调控纤维素纳米原纤维组装与纳米碳催化

已有 300 次阅读 2025-8-7 15:49 |个人分类:2024全国绿碳科学会议|系统分类:科研笔记

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2024年10月17日-19日，2024全国绿碳科学会议在青岛召开。Green Carbon副主编、湖北工业大学彭良才教授应邀出席，并作题为“Dual regulations of plant cell walls for cellulose nanofibrils assembly and nanocarbon catalysis”（植物细胞壁工程双重调控纤维素纳米原纤维组装与纳米碳催化）的特邀报告。

Dual regulations of plant cell walls for cellulose nanofibrils assembly and nanocarbon catalysis

（植物细胞壁工程双重调控纤维素纳米原纤维组装与纳米碳催化）

背景介绍

能源危机和环境变化等问题引起了人们对可持续资源的关注。由于植物通过光合作用可产生地球上最丰富的木质纤维素资源，因此将其转化为生物燃料和生物材料是实现可持续发展的解决方案。在本次邀请报告中，彭良才教授介绍了课题组选育优质植物原料，结合绿色的生物质加工工艺，生产低成本生物燃料以及制备高价值生物材料的研究进展。

彭良才教授应邀在2024全国绿碳科学会议“绿色生物制造专场”作特邀报告

报告内容介绍

石油是不可再生的能源，发展可持续的生物质资源势在必行。木质纤维素可以转化为生物燃料和生物材料，以减少净碳释放。作为地球上最丰富的生物质资源，木质纤维素主要来源于农作物、林木和草本植物。除了粮食供应外，农作物还可以提供大量富含木质纤维素的秸秆；林木生长快、占地少、抗病性强、管理成本低；草本植物生物量高、适应性好、水肥需求量低，也是主要的木质纤维素原料。纤维素是由β-1,4糖苷键连接葡萄糖形成葡聚糖链，葡聚糖链聚合形成微纤丝，微纤丝之间通过氢键作用形成结晶区。基于植物细胞壁结构，彭良才教授课题组提出了用于提高生物质产量和生物燃料生产的细胞壁修饰模型，遗传调控纤维素的结晶度、聚合度和非结晶区分布密度可以提高植物抗倒伏性以及生物质转化效率。

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用于生产可持续生物燃料和高价值生物产品的三种主要生物质资源（Green Carbon. 2024, 2, 164-175）

选育优质植物生物质资源除了可以生产生物燃料，还可以制备纳米纤维素材料，实现生物质的高效高值利用。通过增加三个纤维素合酶AtCesAs基因（AtCesA2、AtCesA5、AtCesA6）的表达水平，可以促进模式植物拟南芥初生壁CesAs基因的表达，从而影响拟南芥的细胞扩张和分裂，得到纤维素结晶度增加，机械强度和生物质产量提高的拟南芥材料（Plant Biotechnology Journal. 2018, 16, 1467-7644）。将AtCesA6基因转化到水稻并进行过表达得到的材料，其乙醇产率可达到20%。基于上述研究，彭良才教授课题组提出了一个机制模型来阐明AtCesA7外源过表达和OsCesA5内源过表达水稻株系如何形成不同的植物细胞壁，从而生产不同的纤维素纳米原纤维和纤维素纳米晶。AtCesA7和OsCesA5过表达特异调节初生壁合成与次生壁形成，从而动态调控体内纳米原纤维的组装和体外纤维素纳米晶的制备，即纤维素非结晶区频率影响体内纳米原纤维的平均长度，决定酸催化下纤维素纳米晶的形成。

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植物细胞壁基因工程双重调控纳米原纤维组装的理论模型（Science Bulletin. 2024, 2095-9273）

筛选并鉴定水稻纤维素合酶OsCESA9天然突变体Osfc16，其生物质产量提高25%-41%，结晶度和聚合度显著降低，乙醇转化效率提高34%-42%（Plant Biotechnology Journal, 2017, 16, 1467-7644）。使用原子力显微镜单分子识别技术，表征Osfc16突变体中纤维素无定形区域，实时观察到各种纤维素酶的催化模式，发现纤维素纳米纤丝转化为小尺寸纳米晶的有效化学催化模式。

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突变体Osfc16纤维素纳米晶表征及酸性催化模式（Nature Communications. 2023, 14, 2041-1723）

纤维素合酶OsCESA7特定位点基因编辑得到水稻突变体Oscesa7，其纤维素结晶度、聚合度和纳米原纤维长度降低，秸秆糖转化效率提高58%−71%。同时将Oscesa7突变体经过超声处理和化学改性可得到蜂窝状纤维结构的气凝胶，孔隙率高，比表面积大，吸油能力显著提高55%。

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水稻突变体Oscesa7用于生产生物乙醇和制备气凝胶（Industrial Crops and Products. 2023, 202, 0926-6690）

专家介绍

彭良才教授

彭良才，2006年教育部“长江学者”特聘教授，湖北工业大学生命科学与健康工程学院特聘教授，生物质与生物能源团队负责人，Green Carbon副主编。彭良才教授长期致力于植物纤维素生物合成和纳米纤维解构改性，细胞壁代谢调控网络与生物质纳米原料选育，生物质绿色预处理与酶工程，纤维素燃料乙醇与生物质液体燃油，生物质纳米增强复合材料和元件，生物质纳米电化学储存与催化材料和元件，生物碳与纳米碳纤维等方面的研究。主持国家重点研发计划、农业部转基因重大专项、973前期计划、国家高等学校学科创新引智基地、国家自然科学基金等国家级科研项目20余项，在Science, Science Bulletin, Nature Communications, Biotechnology Advances, Bioresource Technology, Green Chemistry, Carbohydrate Polymers, Plant Biotechnology Journal, Journal of Integrative Plant Biology等国际权威期刊发表SCI论文130余篇，被引用次数7600余次，H指数47；著作2部；授权国家发明专利10项；特邀国内外学术报告80余场。