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齐鲁师范学院能源植物研究中心简介

2015年08月31日 00:00  点击:[]

    生物质能源研究是我国的重要战略研究方向,是国家应对未来化石能源短缺与全球气候变化的重要战略组成部分。国家《“十二五”生物技术发展规划》把生物能源技术列为重点研发的关键技术。本中心将根据国家《农业生物质能产业发展规划》要求,结合山东省气候土壤条件,研究选育适合山东地区发展的能源植物种质资源,同时研究植物光合产物(细胞壁物质、细胞内可溶性糖与脂肪酸)的合成、转运与积累机理,并在此基础上对能源植物进行遗传改良,最终通过与栽培与生产技术的集成研究,实现生物质能源利用的产业化。        该中心现有固定研究人员14人,其中教授3人、副教授6人,具有博士学位的研究人员7人。近五年来中心研究人员作为主持人主持国家基金面上项目2项、省自然基金3项;作为主要参与人参与国家“973”项目1项、“863”项目2项、国家自然基金面上项目4项、省自然基金6项。

   中心现有科研实验室559.4平米(10间实验室),其中包括一个植物组织培养室、两间气候室、一间共聚焦显微镜室、一间遗传分析室、一间细胞及免疫组化室、一间蛋白工作室、一间分子生物学实验室、一间学术交流室。在校区内设有作物常规育种试验田12亩,并在东营广饶和潍坊滨海区建有滨海盐土与盐化土环境试验田200亩。中心科研仪器设备资产总值957万元,含共聚焦显微镜(OLYMPUS FV1200-TIRFM)、微分干涉显微镜(LEICA DM2500)、超薄切片机(LEICA UC7)、近红外分析仪(PERTEN)、高压液相色谱仪、气相色谱仪、大容量低温高速离心机(Eppendorf)、梯度降温PCR扩增仪(Eppendorf)等大型科研仪器,具备开展植物分子、细胞、遗传学研究的硬件条件。

根据研究需要,中心目前主要有四个研究方向:

1. 能源植物种质资源与选育研究

以各类具有潜在利用价值的生物质能源植物为研究对象,分析植物能量转换效率与有机质累积量、周转率,建立能源植物种质库和数据库,从中筛选出适应华北地区气候土壤条件的高产、高效能源植物种类,并通过现代育种手段进行诱变、筛选与培育,提高能源植物的光合产物积累量。重点结合山东黄河三角洲地区滨海盐土与盐化土环境,选育耐盐碱、耐咸水灌溉的高产能源植物和海水、卤水环境中的产油微藻,以实现“不与人争粮,不与粮争地”的能源植物发展目标,为第二代、第三代生物质液体燃料的产业化研发提供重要生物质原料。

以高光效C4植物玉米已经公布DNA序列的自交系为研究材料,构建大规模的EMS突变体库,同时利用高抗性的玉米野生种大刍草为供体,构建以现代玉米自交系为受体材料的大刍草渗入系,重点观察分析每一个突变体在各个生长发育阶段及逆境条件下的光合产物合成、转运、积累方面的表型差异,将每一个观察到表型的突变体重测序,获得较大规模的玉米的基因型和表型库,为本中心其它研究方面深入研究植物光合产物转运与积累机理提供研究材料。

2. 植物细胞壁沉积机理研究

陆生植物光合作用每年产生170-200×109吨的生物量,其中细胞壁占总生物量的70%。细胞壁主要成分是纤维素、半纤维素与木质素,其中纤维素、半纤维素是细胞壁的主要组成部分,约占69.1-88.4%,是通过纤维素糖化制取乙醇的原料。作为第二代生物质能源材料,纤维素乙醇生产还没有市场化,主要技术瓶颈是生产成本太高。本方向将在分子水平上研究细胞壁物质在细胞壁中的沉积机理,克隆与细胞壁物质沉积有关的基因。在植物中通过对这些基因的操作,达到优化细胞壁的结构和成分的目的,进而降低材料预处理的成本。本方向利用模式植物-拟南芥为研究材料,已经克隆鉴定了与细胞壁木质素沉积相关的基因,获得了拟南芥细胞壁结构组成改变的转基因植物。未来将在已有的研究基础上,利用能源植物玉米为材料,结合玉米EMS突变体表型,筛选得到细胞壁木质素含量降低的品系,并利用该突变体进一步深入研究玉米细胞壁成分的沉积机理;同时该品系植株的秸秆可以进一步开发为纤维素乙醇的生产原料。

3. 植物细胞可溶性糖、淀粉、脂肪酸脂代谢机理与遗传改良

细胞可溶性糖与脂肪酸是燃料乙醇与生物柴油的主要来源,是最容易转化为生物燃料的生物质能源。本方向将利用秸秆含糖量显著不同的玉米突变体与甜高粱株系,通过比较基因组研究,克隆鉴定与光合产物转运相关的基因,为培育高含糖量能源植物奠定基础。目前,该方向已经构建了以玉米自交系为受体材料的大刍草的渗入系,发现杂交后代显现出很强的杂种优势,株高在4-5米,茎秆粗4-5厘米,且茎秆的甜度很高,是很好的饲用玉米及发展能源作物的材料。

另外,利用盐地碱蓬、蒿等含油盐生植物,研究油脂合成与积累的分子机理,获得高油耐盐植物新种质。目前该方向已经收集整理百余份样本材料,下一步将对这些植物品种进行系统的生理及生化指标的分析。本方向还将研究各类能源植物的栽培技术体系,针对黄河三角洲地区淡水资源严重不足的现状,重点研究盐碱地区咸水与半咸水灌溉条件下的能源植物大田栽培技术体系,并通过产学研结合,研究能源植物机械化收获、加工转化技术,实现能源植物研究技术集成与创新。  

4.生物质材料生产乙醇某些关键技术的研究

为降低第二代乙醇的生产成本,本研究组将研究利用微生物选择性降解生物质材料中的木质素,以提高纤维素的糖化效率;研究细菌纤维素酶的作用机理并通过遗传工程手段提高细菌纤维素酶活性和产酶量;通过诱变育种筛选耐乙醇的大肠杆菌,在此基础上改造大肠杆菌的代谢途径使之适合于以生物质材料糖化产物为底物的乙醇发酵,并在大肠杆菌表面表达高活性细菌纤维素酶复合体。


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