植物木质素合成调控与生物质能源利用_李桢.pdf

植物学报Chinese Bulletin of Botany 2009, 44 (3): 262272, www .chinbullbotany .com doi: 10.3969/j .issn.1674-3466.2009.03.002 .特邀综述. 植物木质素合成调控与生物质能源利用 1, 2 2 2 2* 李桢 , 王宏芝 , 李瑞芬 , 魏建华 1 首都师范大学, 北京100037; 2 北京市农业生物技术研究中心, 北京100097 摘要 植物木质素生物合成调控研究已在造纸树种与饲草品质的改良中取得了许多进展。随着对木质纤维原料乙醇发酵研 究的兴起, 植物木质素合成调控再次成为研究热点。该文总结了目前生物质能源利用的现状, 同时针对木质素在木质纤维乙 醇发酵中的限制作用, 综述了近年来植物木质素合成调控的研究进展, 提出了今后的研究方向和内容, 并展望了木质素合成调 控在木质纤维乙醇发酵中的应用。 关键词 生物质能源, 乙醇发酵, 木质素, 木质纤维, 合成调控 李桢, 王宏芝, 李瑞芬, 魏建华 (2009 ). 植物木质素合成调控与生物质能源利用. 植物学报 44 , 262 2 72 . 木质素(lignin)是蕨类植物、裸子植物和被子植物 目的(Baucher et al., 2003) 。木质素的存在还影响反 等维管植物细胞壁的重要组分, 主要沉积在输导组织(如 刍动物对饲草的消化和营养的吸收, 减少饲草植物细胞 导管或管胞)、机械组织(如纤维、厚壁组织等)和保护 壁中木质素的含量可改良牧草的营养品质(Marita et al., 组织(如表皮)的细胞次生壁中, 在陆生维管植物的进化演 2003) 。随着对植物木质素合成途径研究的深入, 利用 变过程中起关键作用, 具有十分重要的生物学功能。木 木质素合成调控进行植物改良已取得了一些非常重要 质素分子与细胞壁中的纤维素、半纤维素等多糖分子 的进展。近年来, 生物质能源的研究与应用越来越受 相互交连, 增加植物细胞和组织的机械耐受强度; 其疏水 到全球的瞩目, 其中利用木质纤维生产燃料乙醇就是 性使植物细胞不易透水, 利于水分、矿物质和有机物在 未来发展的一个重要方向。这项技术中木质素同样 植物体内的长距离运输; 木质素与纤维素共同形成一个 是阻碍纤维素水解的重要因素之一, 需要通过预处理 物理屏障, 能有效阻止各种植物病原物的侵入, 赋予植物 进行脱除。因此木质素的存在是限制木质纤维应用 对生物及非生物逆境的防御能力(Lewis and Yamamoto, 的主要屏障(Y a ng a nd Wy ma n, 2004 ) 。如何使木 1990) 。木质素在自然界中十分丰富, 含量仅次于纤维 质纤维中的木质素更易于脱除是开发新型生物质能源 素, 其直接经济用途主要是作为黏合剂和各种添加剂应 植物的重要内容之一。本文将结合生物质能源的开 用于化学工业。 发总结植物木质素合成调控的研究进展, 并展望本领 木质素对于植物体本身很重要, 然而它不利于人类 域的发展方向和趋势。 对某些资源植物的利用。制浆造纸主要利用木材中的 纤维素, 而木质素则需要在化学制浆过程中用强酸、强 1 生物质能源研发进展 碱和高温等极端手段予以降解脱除。脱除木质素的过 程需消耗大量能源, 且产生大量造纸废液, 可能对环境造 近年来, 世界范围内的能源短缺加剧, 而传统能源煤炭、 成污染。降低植物中的木质素含量, 或改变木质素的组 石油和天然气的全球储备量日益减少, 并伴随着生态环 成结构, 均能使木质素更易于脱除, 达到改良造纸材性的 境的不断恶化。能源问题日益成为影响国计民生、国 收稿日期: 2008-05-27; 接受日期: 2008-08- 19 基金项目: 国家自然科学基金( No .3067 1699) 、北京市自然科学基金