6个抗稻瘟病基因在云南省勐海县水稻主栽品种中的分布

田维逵, 董丽英, 资鸿强, 刘树芳, 刘沛, 杨勤忠

中国农学通报. 2024, 40(20): 130-134

PDF(1248 KB)
PDF(1248 KB)
中国农学通报 ›› 2024, Vol. 40 ›› Issue (20) : 130-134. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2023-0524
植物保护

6个抗稻瘟病基因在云南省勐海县水稻主栽品种中的分布

作者信息 +

Distribution of Six Rice Blast Resistance Genes in Main Rice Varieties in Menghai County of Yunnan Province

Author information +
History +

摘要

为了明确勐海县水稻主栽品种中已克隆的Pi2Pi9Piz-tPi50/PigmPita-2Pib等6抗稻瘟病基因的构成。通过对勐海县18个水稻主栽品种为试验材料,利用6个抗病基因的特异分子标记进行抗瘟基因的分子检测。结果显示:抗性基因Pib分布频率最高,检出率为77.78%,Pi2Pita-2Piz-t的检出率分别为22.22%、22.22%和11.11%;在供试品种中未检测出抗性基因Pi9Pi50/Pigm基因。检测到2个抗性基因和1个抗性基因的品种均为8份(均占44.44%),未检测出抗性基因的品种为2份(占11.11%)。结果表明:勐海县水稻主栽品种的抗性遗传背景较为狭窄,需引入新的有效抗源以拓宽水稻品种的抗病性。

Abstract

The purpose of this study is to clarify the composition of the cloned blast resistance genes Pi2, Pi9, Piz-t, Pi50/Pigm, Pita-2, and Pib among the major cultivated rice cultivars in Menghai County. Eighteen major cultivated rice cultivars grown in Menghai County were selected as experimental materials, and molecular detection was carried out using gene-specific molecular markers for the aforementioned 6 resistance genes. The results showed that the distribution frequency of the resistance gene Pib was the highest, with a detection rate of 77.78% among these tested cultivars. The detection rates of Pi2, Pita-2, and Piz-t were 22.22%, 22.22%, and 11.11%, respectively. Resistance genes Pi9 and Pi50/Pigm were not detected in the tested cultivars. Among the tested cultivars, there were 8 varieties (each accounting for 44.44 %) with 2 resistance genes and 1 resistance gene detected. There was no any one of 6 known resistance genes was detected in 2 cultivars, which was accounting for 11.11% of all tested cultivars. The results indicate that the genetic background of resistance in major rice cultivars cultivated in Menghai County is relatively narrow. It is necessary to introduce new and effective resources of resistance to broaden the resistance spectrum of rice cultivars to rice blast.

关键词

水稻稻瘟病 / 抗性基因 / 分子标记 / 勐海县 / 分子检测 / 遗传背景

Key words

rice blast / resistance genes / molecular markers / Menghai County / molecular detection / genetic background

引用本文

导出引用
田维逵 , 董丽英 , 资鸿强 , 刘树芳 , 刘沛 , 杨勤忠. 6个抗稻瘟病基因在云南省勐海县水稻主栽品种中的分布. 中国农学通报. 2024, 40(20): 130-134 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2023-0524
TIAN Weikui , DONG Liying , ZI Hongqiang , LIU Shufang , LIU Pei , YANG Qinzhong. Distribution of Six Rice Blast Resistance Genes in Main Rice Varieties in Menghai County of Yunnan Province. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2024, 40(20): 130-134 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2023-0524

0 引言

在能源短缺和环境保护的双重压力下,世界能源格局发生了深刻变革,发展可再生清洁能源已经成为各国学者研究的重点。木质纤维素是自然界中储量最丰富的可再生资源,来源广泛且易获取,然而实际利用率却并不高。木质纤维素既可以转化为能源燃料,也可以进一步加工为各种高附加值产品。构成木质纤维素的三大组分分别是纤维素(35%~50%)、半纤维素(20%~35%)及木质素(10%~30%)[1,2],各组分之间通过共价键和非共价键相互链接,构成了极其复杂的网状结构,难以直接利用。预处理是生物精炼过程中的关键步骤,约占整个生物精炼过程总成本的40%[3]。近年来,科学家们围绕木质纤维素原料的组成成分对其进行处理转化,以求实现高值化利用。其中,纤维素和半纤维素经过转化生成糖类,再经过生物转化得到液体燃料,木质素通过转化为化工产品能应用于不同领域。
围绕木质纤维素的预处理问题,国内外研究人员先后对各种预处理方法进行深入研究,并进行广泛评价,如酸处理法、碱处理法、有机溶剂处理法、离子液体处理法、生物处理法等[4-5],都能够有效将纤维素、半纤维素和木质素三组分进行分离。然而这些方法各有利弊:酸碱预处理法提取出的纤维素纯度高,易于酶解,但容易对设备造成一定程度的损坏,其他组分作为废液处理会污染环境且造成资源浪费;湿法氧化处理会造成半纤维素的大量流失,降低工艺的经济性;有机溶剂预处理条件较为温和,但处理步骤繁琐,存在安全隐患,溶剂难回收等问题;由于离子液体处理法成本高、毒性大、不可回收性和不可生物降解性,其工业化应用受到限制;生物法处理周期长且成本高,难以达到工业化的要求[6]。为实现生物质资源的高值化利用,探究一种绿色高效预处理方法是本领域亟待攻克的技术难题[6]
低共熔溶剂(Deep eutectic solvents,DESs)是一种新型的绿色溶剂,与离子液体相比,具有原料来源广泛、容易制备、低毒性及可生物降解等优势[7]。自ABBOTT[8]等首次合成DESs以来,因其选择性溶解多糖和木质素的特点,被广泛应用于木质纤维素原料分离提取[9-10]。ZHANG等[11]使用氯化胆碱和甘油合成DES预处理玉米芯,木质素去除率达到71.3%。CHEN等[12]使用氯化胆碱/乙二醇预处理柳枝稷,木质素去除率可以达到54%。VALLARI[13]用氯化胆碱分别与丙二酸、甘油、乳酸合成DESs,预处理甘蔗渣。研究表明,氯化胆碱/乳酸对甘蔗渣木质素去除率达到81.6%,酶解糖化效率提高至98.5%。
然而,DESs预处理过程是一个复杂的反应体系,预处理的效果受到许多因素的影响,如DESs的性质、预处理温度、预处理时间等。MASSAYEV[14]用PCA和PLS分析方法研究了影响DESs预处理效果的变量。结果显示,最显著的变量是强度因子、溶剂类型、粒度、搅拌强度和氢键供体。目前,DESs在木质纤维素领域的研究范围逐渐扩大,对于其将生物质资源预处理并有效加工成可持续的生物燃料少有报道。基于目前的研究现状,本研究在概述DESs的性质和预处理机理的基础上,从不同预处理的条件和不同氢键供体方面阐明了DESs预处理对木质纤维素酶解及发酵产乙醇的影响,为木质纤维素的高效利用提供研究方向。

1 DESs的合成及性质

1.1 DESs的合成

低共熔溶剂(DESs)是氢键供体(Hydrogen Bond Donors, HBDs)与氢键受体(Hydrogen Bond Acceptors, HBAs)以固定摩尔比,在一定的温度和环境压力下,通过分子间氢键作用形成的共晶混合物。合成DESs的方法有加热法、研磨法和旋转蒸发法[15]。DESs的一般表达式为Cat+X-zY,其中Cat+表示阳离子基团包括铵、磷或锍阳离子;X-代表路易斯碱,通常是卤素阴离子;Y表示路易斯酸或布朗斯特酸;z表示与阴离子相互作用的分子数量[16]。DESs中使用的氢键供体HBDs(乳酸、甲酸、甘油等)和氢键受体HBA(氯化胆碱,ChCl),能够提供和接受质子,它们之间能够形成氢键[17]。这类DESs容易制备,且绝大多数可生物降解,价格低廉,与咪唑盐类离子液体有相似的理化性质,可以被用来代替离子液体[16]

1.2 DESs的性质

1.2.1 凝固点和熔点

大多DESs的熔点都低于150℃,并低于其单一组分。ABBOTT等[18]认为凝固点主要取决于胆碱盐与氢键供体的晶格能大小、相互结合方式以及其形成液相过程中的熵变。HBAs和HBDs之间氢键的形成促进电荷离域化使得熔点低于单个组分[19]。胆碱类DESs的熔点为固体组分熔化形成DESs时的特定温度,决定了其适用温度的下限。DESs熔点受到HBAs/HBDs摩尔比、HBDs选择、制备方法等的影响。DESs熔点的降低程度与HBDs和HBAs间形成的氢键键能大小密切相关,通过设计合适的HBAs/HBDs摩尔比,可以得到该DESs的最低共熔点[20]

1.2.2 密度

通常,大多数DESs表现出比水更高的密度,并且受温度及其组分结构、比例等情况的影响。温度升高可以增大分子动能和分子间距,提高分子流动性,进而使DESs体积增大,DESs密度得到降低[21]。ZHAO等[22]制备了20组胆碱类DESs,研究发现HBDs中羧基的存在和溶剂中不同程度的氢键提高了DESs的密度。聂文洁[23]运用分子动力学模拟研究了ChCl/乙二醇、ChCl/丙二醇、ChCl/丁二醇溶剂的性质和结构特性,发现密度随着温度呈现线性变化。

1.2.3 黏度

DESs的黏度是工业应用中的关键参数,与常规离子液体相比,胆碱类DESs的黏度比分子流体和高温熔融盐都要大[24],且受温度的影响较大。升高温度可使DESs分子获得足够的动能来克服分子间作用力,实现运动自由,分子间范德华力和氢键相互作用也随之减弱,DESs黏度可以得到降低。DAI等[25-26]发现,当温度从20℃升高至40℃,ChCl/葡萄糖黏度可降低67%。
DESs的高黏度会阻碍热量以及反应过程中的传质,降低预处理过程的效率。DESs具有吸湿性,可以从空气中和木质纤维素材料中吸收水分。YANG等[27]发现ChCl/尿素可以从空气中吸收水分来降低黏度和电化学窗口,SHAUKAT等[28]发现水分的存在会降低DESs的黏度。ABBOTT等[29]采用空穴理论研究ChCl与羧酸形成的DESs时发现,黏度受离子的流动性和空穴效应的影响。DESs各组分间的氢键网络、范德华力、静电作用等也大大降低了溶剂的流动性。研究还发现,添加适量的水能够显著降低DESs的黏度并增大其溶解度[30]。在实际应用中,可以考虑通过优化流动性来降低DESs黏度,如在制备DESs过程中增加水分进行组分调节,可降低反应体系的黏度,优化反应机制,提高反应速率。

1.2.4 电导率

大多数DESs具有弱导电性(常温下<1 mS/cm),DESs的电导率大小与温度有关。将电导率与温度的关系用Arrhenius方程拟合:lnσ = lnσ0-/RT,lnσ随T-1线性降低,即电导率随温度升高而增大[31]。电导率与DESs黏度同样有关。ABBOTT等[18]对电导率和黏度的活化能进行比较,发现ChCl摩尔比在30%~70%时,电导率与黏度的倒数是呈线性相关[19]

1.2.5 极性与pH

DESs的极性对用作工业有机溶剂的环保替代品非常重要。大多数的DESs是极性溶液,具有高极性和氢键接受能力的DESs可以更容易地分解生物质以去除木质素。研究表明,DESs可以通过提供合适的极性来增强预处理过程中的反应活性[32-33]
DESs的酸碱性是非常重要的物理化学性质。DESs中的HBDs和HBAs决定了溶剂的pH值。HAYYAN等[34]以果糖作为HBD,与ChCl合成DESs,研究了HBD对DESs中pH值的影响,发现HBD摩尔比的增加会导致DESs的pH值升高。ABBOTT等[35]证明,向ChCl/甘油混合物中添加氯离子会降低DESs的酸度,并将混合物的pH值变为碱性。此外,DESs的pH值受温度影响较大。随着温度的升高,DESs的pH值线性降低[36]。SKULCOVA等[36]发现醇基DESs的pH值随温度升高缓慢下降,而羧基DESs的pH值温度升高急剧下降。
部分DESs的物理化学性质总结如表1所示。
表1 部分DESs的物理化学性质
DESs 熔点/℃ 黏度/Pa.S 密度/(g/cm3) 表面张力/(mN/N) 电导率/(S/m) 参考文献
ChCl/尿素(1:2) 12 0.75(25℃) 1.25 52.00 0.075(25℃) [37]
ChCl/丙三醇(1:2) -36.15 0.26(25℃) 1.18 -- 0.105(25℃) [37]
ChCl/乙二醇(1:2) -66.01 0.037(25℃) 1.12 48.91 0.761(25℃) [38]
ChCl/1,4-丁二醇(1:3) -32 0.14(25℃) 1.06 47.17 0.164(25℃) [38]
ChCl/草酸(1:1) 34 -- -- -- -- [16]
ChCl/苹果酸(1:1) -- 3.34(25℃) -- 65.68 0.0036 [39,40]
ChCl/乙酰苯 (1:2) -- -- -- 41.86 -- [40]

2 DESs对木质纤维素预处理机理

2012年,FRANCISCO等[41]合成出多种DESs用于加工木质纤维素,首次证实了DESs对木质纤维素类生物质的增溶能力[42]
由于具有较强的氢键形成能力,DESs对木质纤维原料中各组分具有选择性或者优先溶解性,过程相对简单温和[43]。除了破坏连接木质素半纤维素的共价键和连接木质素纤维素的氢键外,DESs对木质素的生物质分馏主要依赖于木质素中芳基醚(C-O键)和碳-碳键(C-C键)的裂解[40]。DESs对木质素有着较强的溶解能力,并且在溶解过程中几乎不破坏木质素的骨架结构,只是在一定程度上使木质素发生降解,生成部分甲氧基[44]。LYNAM等[45]制备了5种DESs(ChCl/甲酸、ChCl/乳酸、ChCl/乙酸、甜菜碱/乳酸、脯氨酸/乳酸)用于溶解碱木质素、木聚糖和纤维素的混合物模拟生物材料,通过测定溶解度(见表2)发现在60℃时就能够溶解木质素,对纤维素和木聚糖几乎不溶解。DESs预处理木质纤维素的效果与预处理时间、预处理温度、HBDs类型的不同而有显著差异,下面对各因素进行讨论。
表2 木质纤维素不同组分在部分DESs中的溶解度
DESs 摩尔比 木质素溶解度/% 木聚糖溶解度/% 纤维素溶解度/% 参考文献
ChCl/甲酸 1:2 14 <1 <1 [45]
ChCl/乳酸 1:10 13 <5 <3
ChCl/乙酸 1:2 12 <1 <1
甜菜碱/乳酸 1:2 9 <1 <1
脯氨酸/乳酸 1:3.3 9 <1 <1

2.1 时间对DESs预处理效果的影响

木质纤维素的预处理效果与预处理时间密切相关。熊龙[46]以构树木粉为原料,在140℃下,采用ChCl/乳酸(摩尔比为1:2)分别经过1、2、3、4 h预处理,处理后纤维素含量明显增加。与未处理组相比,4个时间下的残余物回收率随着处理时间的增加而逐渐降低。可能的原因是乳酸是中强酸,随着处理时间的延长和羧酸基团的剧烈作用,原料发生焦化[11]。解先利[47]等用ChCl/乙醇胺对甘草渣进行预处理,经过不同时间预处理后(1、2、3、4 h),发现半纤维素和木质素在预处理4 h后去除率相对较高。

2.2 温度对DESs预处理效果的影响

根据范特霍夫定律和阿伦尼乌斯(Arrhenius)公式,化学反应的速率会随着温度的变化而变化,进而影响到预处理的效果。酸性和碱性的DESs预处理木质纤维素原料还受到温度的影响。杨宇辰等[48]分别合成了ChCl/草酸、ChCl/甲酸、ChCl/乳酸、ChCl/乙二醇、ChCl/甘油5种DESs体系,对玉米芯进行预处理,研究发现预处理后的固体物质回收率随着反应温度的升高而下降。对于碱性DESs也同样存在这样的现象。Procentese等[49]制备ChCl/尿素(80℃和115℃)和ChCl/咪唑(80、115℃和150℃)两种碱性DESs对玉米芯进行预处理,研究发现木质素去除率随着温度的升高而增加。
熊龙[46]发现随着DESs预处理温度的上升,残余物中纤维素含量由36.31%增加到73.20%,木聚糖含量先降低然后保持在3.83%,而木质素含量降低幅度不大。这是因为在预处理过程中,随着温度升高,反应的速率加快,促进了木质素的去除,加之半纤维素和非结晶区纤维素大分子部分转化为低分子量可溶性产物,导致残渣回收率降低,与LI等[50]的报道结果一致。因此,纤维素纯度越高、残余物的回收率越低成为了一个预处理的普遍现象。
同时,温度升高会影响DESs体系中氢键网路,导致体系中部分分子脱离氢键束缚,进行自由扩散,从而降低DESs体系的黏度,增强DESs溶剂的渗透性[23],从而破坏木质素、半纤维素和纤维素之间形成的复杂氢键网络,溶解生物质的部分木质素、半纤维素和纤维素。GUO等[51]制备了ChCl/甲酸、ChCl/1,4-丁二醇、甜菜碱/乳酸三种DESs,分别在80℃、100℃、120℃进行预处理,研究发现木质素去除率均随温度的升高而增大[52]。但是预处理温度升高,纤维素损失率也会增加。熊龙[46]的研究中发现新随着预处理温度从140 ℃升至180℃,残余物回收率由78.40%下降到30.10%,纤维素损失率由1.36%提高39.32%,木聚糖去除率高达95.18%,当温度为170℃和180℃时,木质素去除率和酶解消化率几乎没有变化,这可能是原料在DESs预处理中多糖的大量损失,反而影响到酶解作用[48]。多名学者的研究也证实了当木质素去除率达到较高程度后,进一步的木质素脱除并不会促进后续酶解作用,并且木质素的全部去除并非是提高酶解消化率的最优途径[53]。此外,也有研究发现随着预处理温度升高,木质素的去除率反而降低。YU等[54]制备的ChCl/甲酸(摩尔比为1:6)用于草药残留物预处理,预处理温度为从100℃增加至120℃时,木质素去除率反而降低。由此可知,木质素的去除效果受DESs的组成成分及其摩尔比、反应条件等多种因素的影响[52]。因此,木质素去除率、酶解效率与预处理温度之间的关系是进一步研究的重点。

2.3 HBDs的选择对预处理效果的影响

在胆碱类DESs中,预处理的效果很大程度上与HBDs的选择有关(见表3)。基于多元醇组成的DESs体系,羟基的数量与木质素去除能力有关。HBDs中羟基越多,DESs木质素去除率就越低。HOU[55]制备不同醇基的DESs对稻草秸秆进行预处理时发现,预处理效率和纤维素酶消化率由高到低依次为:ChCl/乙二醇>ChCl/甘油>ChCl/木糖醇。原因在于更多羟基的存在会形成更强的分子间氢键,其稳定性更强,黏度更高,这需要更多的能量来弱化氢键结构,降低其黏度,从而有利于渗透到木质纤维素中并与之相互作用[25]
表3 不同种类DESs对木质素的分离效果
原料 DESs 摩尔比 预处理条件 木质素去除率/% 参考文献
小麦秸秆 ChCl/单乙醇胺 1:2 90 ℃,12 h 81.0 [59]
小麦秸秆 ChCl/二乙醇胺 1:8 90 ℃,12 h 73.5
小麦秸秆 ChCl/甲基二乙醇胺 1:10 90 ℃,12 h 44.6
小麦秸秆 ChCl/乙酰胺 1:2 90 ℃,12 h 3.4
小麦秸秆 ChCl/尿素 1:2 70 ℃,12 h 76.4
小麦秸秆 ChCl/单乙醇胺 1:6 110 ℃,12 h 87.7
玉米芯 ChCl/尿素 1:2 80 ℃,15 h 40.0 [50]
玉米芯 ChCl/咪唑 3:7 115 ℃,15 h 70.0
玉米芯 ChCl/咪唑 3:7 150 ℃,15 h 88.0
玉米芯 ChCl/咪唑 3:7 120 ℃,4 h 11.1
核桃壳 ChCl/乳酸 1:2 145 ℃,6 h 64.3 [60]
桃核 ChCl/乳酸 1:2 145 ℃,6 h 70.2
油棕空果壳 ChCl/苹果酸 1:1 120 ℃,8 h 22.9 [58]
油棕空果壳 ChCl/柠檬酸 1:1 120 ℃,8 h 20.6
油棕空果壳 ChCl/甲酸 1:2 120 ℃,8 h 61.9
油棕空果壳 ChCl/甲酸 1:5 120 ℃,8 h 25.0
油棕空果壳 ChCl/乙酸 1:2 120 ℃,8 h 28.0
油棕空果壳 ChCl/乙酸 1:5 120 ℃,8 h 40.0
油棕空果壳 ChCl/丙酸 1:2 120 ℃,8 h 20.4
油棕空果壳 ChCl/丁酸 1:2 120 ℃,8 h 14.3
油棕空果壳 ChCl/琥珀酸 2:1 120 ℃,8 h 10.7
玉米芯 ChCl/乙二醇 1:2 90 ℃,24 h 87.6 [11]
玉米芯 ChCl/丙三醇 1:2 90 ℃,24 h 71.3
玉米芯 ChCl/丙三醇/聚乙二醇 1:2:1 60 ℃,2 h 62.9 [61]
稻草 ChCl/乙二醇 1:1 120 ℃,3 h 28.7 [55]
稻草 ChCl/1,2-丙二醇 1:1 120 ℃,3 h 32.9
稻草 ChCl/1,3-丙二醇 1:1 120 ℃,3 h 34.2
杨木 ChCl/乳酸 1:2 170 ℃,4 h 49.2 [62]
ChCl与羧酸组成的DESs体系,木质素去除能力与溶剂pKa值密切相关。DESs组分的pKa值与解离原子的电子位置和质子溶剂化自由能相关,即溶剂中的pKa值代表给出质子能力和溶剂体系内氢键强弱情况[56]。pKa值越低,溶剂的酸性就越强。FRANCISCO[57]的研究发现,由于半纤维素对酸较为敏感,pKa值增大,体系酸度减弱,木聚糖的去除率降低[55]。酸性的DESs体系在去除木聚糖和木质素方面表现出显著的效果,同时还能保证大部分纤维素的完整性[53]。酸性HBDs官能团的选择对于DESs体系也是至关重要的。在酸的官能团方面,TAN[58]研究了官能团类型对木质素提取效果的影响,HBDs中存在的羟基、双键、短烷基链和单羧酸结构有利于木质素的提取。值得探究的是,烷基或吸电子基团的存在也会影响酸基DESs体系的性能。较长烷基链酸构成的DESs体系,由于酸的空间位阻较大,显著减少了生物质与DESs之间的相互作用。
碱基DESs体系主要含有胺和酰胺基团,以此作为HBDs,对木质素的去除率较为显著。同时,木质素去除效果与DESs的碱性强弱也有关,DESs的碱性越强,木质素去除率就越高。赵峥等[59]选用几种不同碱性DESs对小麦秸秆进行预处理,研究发现三种乙醇胺基DESs木质素去除率依次为:ChCl/乙醇胺、ChCl/二乙醇胺、ChCl/甲基二乙醇胺。木质素去除效果与其pH值相对应,当pH值大于10时,木质素的去除效率显著增加。碱性DESs中HBDs中氨基数量也与木质素去除能力有关。HOU等[55]制备不同的酰胺基DESs对稻草秸秆进行预处理,发现DESs的预处理效率和纤维素酶消化率由高到低依次为:ChCl/甲酰胺>ChCl/尿素>ChCl/盐酸胍。可能是由于HBDs中氨基数量越多,在溶剂体系中形成的氢键越多,因此没有足够量的游离和活性基团与生物质各组分相互作用,导致预处理的效果不佳。

3 DESs预处理对纤维素素酶解效果的影响

木质素、半纤维素的存在以及纤维素的结晶情况对酶水解过程有着紧密联系[63]。在酶解过程中,木质素作为阻止纤维素酶水解纤维素的物理屏障。通常,满意的水解性能取决于半纤维素和木质素的有效去除。ZHOU等[64]指出纤维素转化率与木聚糖和木质素的去除率呈正相关(R2>0.77)。通常,含有酸基的DESs在糖化方面比醇解和酰胺基DESs更有优势,能有效提高酶解效率。TIAN等[65]指出,具有双键、羟基、短烷基链和单羧酸结构的DESs在生物质馏分上表现更佳。杨宇辰[48]等发现草酸和甲酸与ChCl组成的DESs溶剂在100℃预处理玉米芯后能获得最高的酶水解率,分别为55.87%和47.54%,乳酸与ChCl组成的DESs预处理玉米芯后酶水解率由80℃的36.90%提高至140℃时的94.11%,葡萄糖回收率也由34.35%提高至85.00%。ZULKEFLI等[66]将氯化物-乙二醇(EAC:EG)用于油棕树干(OPT)纤维预处理,葡萄糖产量为74%。HOU等[55]将ChCl/草酸和ChCl/尿素用于水稻秸秆纤维预处理,葡萄糖产量达到90.2%。杨露敏[67]以甘蔗渣为原料进行DESs预处理,发现ChCl和草酸的组合木聚糖去除率最高,达到93.9%;ChCl和乳酸组合的DES木质素去除效果最好达到83.6%。
由于酶在多元醇基DESs中显示出优异的稳定性,具有多元醇基DESs在生物质回收糖能力方面具有较好潜力。PROCENTESE等[68]使用ChCl/甘油和ChCl/乙二醇预处理农业食品废物,结果表明,从食品废物中可获得大约217kt/年的总可发酵糖。虽然多元醇基DESs在糖化方面表现优异,然而由于缺乏酸度,在木质素和木聚糖去除效果上低于酸基DESs。因此,部分研究学者采取将醇基的DESs与酸结合后来提高其性能。GUO等[69]使用ChCl/甘油与硅钨酸辅助预处理奇岗,其中酶解效率可达到97.3%,在12 h内葡萄糖产率为80%。值得注意的是,单独使用ChCl/甘油时仅去除1.6%的木质素和5.3%的木聚糖,而引入杂多酸后,木质素和木聚糖的去除率显著提高,分别上升至89.5%和58.5%。CHEN等[70]通过酸化含水DES(ChCl/甘油,含0.9%H2SO4)将柳枝稷分馏成木质素、富含木糖的预处理水解物和富含纤维素的纸浆,其中富含纤维素的纸浆酶水解可实现89%的葡萄糖产率。
为降低生产成本,在工业化生产中若采用预处理后直接进行酶解,需要评估纤维素酶对DESs溶剂的适应性。GUNNY等[71]合成了ChCl/甘油、ChCl/乙二醇、ChCl/丙二酸三种DESs用于评价纤维素酶的稳定性,结果显示在10%(v/v)的ChCl/甘油和ChCl/乙二醇酶解体系中,纤维素酶活能够保持其90%以上的活性,而在含有丙二酸的DES的24 h内,活性降低了60%。WAHLSTROM等[72]比较了三种里氏木霉纤维素酶(纤维素二糖水解酶Cel7A、纤维素内切酶Cel5A和Cel7B)以及一种里氏木霉木聚糖酶Xyn11在3种高浓度DESs溶液中的稳定性,发现ChCl/甘油(1:1)对纤维素酶具有高度稳定性,酶的活性变化较小,但预处理效率有限。王冬梅[73]观察了ChCl/甲酸残留量对纤维素酶活性的影响,当残留量低于2%时,糖化6 h纤维素酶活性不受影响。KUMAR等[74]研究了ChCl/甘油、ChCl/1,2-丙二醇、ChCl/乙二醇等DESs对纤维素酶活性影响,发现在高浓度下(DESs添加量为30%),对纤维素酶活性无明显抑制。在ChCl/甘油、ChCl/1,2-丙二醇添加量为10%的浓度体系中,对克拉维孢菌NRRL Y-50464的生长速率、糖消耗和乙醇生产没有影响,而10%(v/v)的ChCl/乙二醇抑制并延迟了微生物的细胞生长。
这些研究表明一些DESs对纤维素酶活性的影响较小,且与纤维素酶具有良好的相容性,生物质预处理糖化一步法工艺是可行的,可在一定程度上控制生产成本。为了更好地利用DESs,还需进行纤维素酶对DESs的耐受限度、抑制机理方面开展进一步深入研究。

4 DESs预处理对乙醇产量的影响

利用木质纤维素原料生产乙醇最早是1910年由Heinerch等[75]通过酸水解木材和发酵得到的,至今已有上百年的时间。目前,常规的木质纤维素生产乙醇的工艺包括原料预处理、酶水解、乙醇发酵和分离提纯等步骤。经 DESs预处理后的木质纤维素对生物发酵过程并无明显的抑制作用,然而利用DESs预处理后的木质纤维素为原料进行乙醇生产的研究并不多。
GUO等[69]利用ChCl/甘油预处理的奇岗进行半同步糖化发酵,获得了81.8%的乙醇产率,发酵效率高达97.3%,是未预处理的8倍。KUMAR等[74]使用ChCl/甘油预处理后的稻草进行水解发酵,可获得226.7 g/L的最大还原糖,并且还原糖可以有效的发酵成乙醇。
近年来,也有研究人员将利用预处理后的木质纤维素生产丁醇,也获得较好的成果。CHEN等[76]利用乙二醇/ChCl体系在酸性条件下预处理柳枝稷,葡萄糖产率达到86.2%,经过芽孢杆菌发酵后2,3-丁二醇产量为90.2 g/L。XU[77]等利用ChCl/甲酸体系对玉米秸秆进行预处理,半纤维素和木质素的脱除率分别为66. 2%、23.8%,酶解后葡萄糖产率达到99%,发酵所得丁醇浓度为5.63 g/L。这些研究成果证明了从木质素纤维素原料制备生物燃料过程中,DESs预处理木质纤素是一种有前景的工艺技术。

5 展望

DESs凭借其独特的物化性质,在处理木质纤维素方面展现了独特的优势,不仅被成功应用于生物质组分分离,还推动木质纤维素转化为生物燃料[78]。但目前DESs的研究与应用尚处于初级阶段,其工业化利用还需突破以下几个方面的问题。
(1)DESs研究机理方面,前期的研究主要集中在DESs组成成分对预处理机理及效果的影响,还需对DESs理化性质方面(如黏度、电导率、密度、表面张力等)进行探究,为DESs的实际应用提供理论指导。
(2)基于DESs的可设计性理念,辅助分子模拟手段,设计针对不同来源的木质纤维素DESs,以提高目标产物得率。
(3)进一步研究DESs的可回收性和再利用性。开发DESs回收新技术工艺,提高回收利用率,降低产业化成本。溶剂的可回收性和重复使用性决定了DESs预处理生物质的工艺可行性。
(4)预处理条件进一步优化。通过探究预处理条件(如DESs用量、时间、温度)与纤维素酶的协同效应,减少纤维素酶的使用,降低生产成本。在生物质精炼工艺中,预处理阶段约占总成本的40%,其中水解阶段为整个工艺带来较大成本,如果纤维素酶可以实现回收或者再利用,可以大大降低生产成本。
随着研究的不断深入,DESs在木质纤维素原料预处理方面会逐步实现高效化、低能耗。通过充分利用DESs预处理技术的优势,探索生物质原料可持续转化为生物燃料或更多种类的高附加值产品,降低成本,提高生产工艺的经济可行性,减少对化石燃料的依赖。

参考文献

[1]
刘树芳, 董丽英, 李迅东, 等. 持有Pi9 基因的水稻单基因系IRBL9-W对稻瘟病菌苗期和成株期抗性差异[J]. 中国水稻科学, 2021, 35(3):303-310.
【目的】Pi9是一个广谱稻瘟病抗性基因,田间病圃监测发现持有Pi9的水稻单基因系IRBL9-W在苗期高抗稻瘟病,但却感穗瘟。探明水稻单基因系IRBL9-W在苗期抗病而孕穗末期感染穗颈瘟的原因,为Pi9基因在水稻抗病育种中的有效利用提供参考。【方法】利用从IRBL9-W穗颈瘟病斑上分离的8个单孢菌株以及实验室保存的单孢菌株Y363,在温室分别对单基因系IRBL9-W苗期和孕穗末期进行接种鉴定;并利用病原菌AvrPi9基因的特异引物对9个单孢菌株进行PCR扩增及产物测序;提取水稻单基因系IRBL9-W苗期叶片和抽穗期穗部的总RNA,通过半定量RT-PCR以及实时qRT-PCR分析Pi9基因在苗期和穗期的表达。【结果】在温室人工喷雾接种条件下,IRBL9-W在苗期对从穗颈瘟上分离的8个单孢及对照菌株Y363均表现为抗病;随机选取的2个从IRBL9-W穗颈瘟病样分离的单孢菌株(YX2-7-1和YX2-15-1)及对照菌株Y363对孕穗末期IRBL9-W注射接种,接种的植株表现出典型的穗颈瘟症状;AvrPi9的等位基因分析结果表明,与AvrPi9相比,Y363中的等位基因与AvrPi9完全相同,而从IRBL9-W穗瘟分离的8个单孢菌株中编码区与AvrPi9基因完全相同,但在编码起始位置上游-264 bp处缺失16 bp的一段序列。由于IRBL9-W苗期对这些菌株均表现抗病,推测这段序列的缺失并不影响AvrPi9基因的功能;实时qRT-PCR分析结果表明,Pi9基因在穗部的表达量为苗期叶片表达量的47.3%。【结论】在水稻单基因系IRBL9-W中,与苗期叶片中Pi9基因的表达量相比,Pi9基因在穗部表达量的明显降低可能是造成IRBL9-W穗期感稻瘟病的原因。
[2]
陈晴晴, 杨雪, 张爱芳. 长江中下游区试水稻品种稻瘟病抗性评价及抗性基因检测[J]. 南方农业学报, 2022, 53(1):21-28.
[3]
DEAN R A, TALBOT N J, EBBOLE D J, et al. The genome sequence of the rice blast fungus Magnaporthe grisea[J]. Nature, 2005, 434:980-986.
[4]
DENG Y W, ZHAI K R, XIE Z, et al. Epigenetic regulation of antagonistic receptors confers rice blast resistance with yield balance[J]. Science, 2017, 355: 962-965.
Crop breeding aims to balance disease resistance with yield; however, single resistance (R) genes can lead to resistance breakdown, and R gene pyramiding may affect growth fitness. Here we report that the rice locus contains a cluster of genes encoding nucleotide-binding leucine-rich repeat (NLR) receptors that confer durable resistance to the fungus without yield penalty. Among these NLR receptors, PigmR confers broad-spectrum resistance, whereas PigmS competitively attenuates PigmR homodimerization to suppress resistance. expression, and thus -mediated resistance, are subjected to tight epigenetic regulation. increases seed production to counteract the yield cost induced by Therefore, our study reveals a mechanism balancing high disease resistance and yield through epigenetic regulation of paired antagonistic NLR receptors, providing a tool to develop elite crop varieties.Copyright © 2017, American Association for the Advancement of Science.
[5]
刘世江, 赵琪君, 丁怡, 等. 稻瘟病菌对咪鲜胺和三环唑的敏感性及两者的协同作用[J]. 河南农业科学, 2020, 49(9):81-87.
为明确稻瘟病菌对咪鲜胺和三环唑的敏感性及两者的协同作用,从贵州、湖北、河南、湖南省稻区采集分离得到103株稻瘟病菌菌株,采用菌丝生长速率法测定稻瘟病菌菌株对咪鲜胺的敏感性,采用水稻苗活体法测定稻瘟病菌对三环唑的敏感性及咪鲜胺和三环唑的协同作用。结果表明,咪鲜胺、三环唑对供试稻瘟病菌菌株的有效抑制中浓度(EC<sub>50</sub>)值分别为0.004 2~0.056、0.35~9.67 &mu;g/mL,且菌株的敏感性频率分布均近似于正态分布,可将EC<sub>50</sub>均值0.027、5.24 &mu;g/mL分别作为南方稻区稻瘟病菌对咪鲜胺、三环唑的敏感基线。协同组合筛选结果表明,咪鲜胺与三环唑以有效成分比为4∶20时,增效作用明显,其共毒系数为177.10,EC<sub>50</sub>值为1.10 &mu;g/mL;该组合在有效成分180 g/hm<sup>2</sup>剂量下,药后21 d对稻瘟病的田间防效达到86.41%。因此,咪鲜胺、三环唑(有效成分比为4∶20)组合可用于田间防治水稻稻瘟病,推荐剂量为有效成分180 g/hm<sup>2</sup>。
[6]
刘树芳, 张先闻, 董丽英, 等. 云南不同稻区稻瘟病菌群体遗传结构的SSR分析[J]. 中国农学通报, 2023, 39(12):123-130.
为了解稻瘟病菌的群体遗传结构,选用13对SSR标记对2007—2013年分离自云南省陆稻区、籼稻区和粳稻区(共计13个州)的125个稻瘟病菌单孢菌株的全基因组DNA进行PCR扩增及分析,结果13对引物共检测出128个等位基因;聚类分析表明,在相似系数为0.57时,125个供试菌株可划分为29个遗传宗谱,优势宗谱YN02包含了39个菌株,占总菌株数的31.20%,次优势宗谱YN08包含了15个菌株,占总菌株数的12.00%,其余71个菌株分属27个宗谱;表明云南省既有优势宗谱,又有较多遗传多样性的小宗谱,菌株群体遗传多样性丰富;比较不同稻区菌株群体的宗谱频率发现,陆稻区菌株的宗谱频率为65.52%,粳稻区和籼稻区菌株的宗谱频率分别为27.59%和13.79%,表明陆稻区菌株群体的遗传结构比粳稻区、籼稻区菌株复杂。因此,针对菌株群体宗谱较少,且优势宗谱突出的地方,应加强品种多样化种植,有利于稻瘟病菌群体的稳定化选择,降低病害流行风险。
[7]
韩雪琴, 沈文娟, 张振海, 等. 水稻稻瘟病抗性基因在抗性育种中的研究进展[J]. 新疆农业科学, 2021, 58(30):483-492.
[8]
杨德卫, 王莫, 韩利波, 等. 水稻稻瘟病抗性基因的克隆、育种利用及稻瘟菌无毒基因研究进展[J]. 植物学报, 2019, 54(2):265-276.
稻瘟病是世界上影响水稻(Oryza sativa)粮食生产的主要病害之一, 抗病基因的发掘与利用是抗病育种的基础和核心。随着寄主水稻和病原菌稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)基因组测序和基因注释的完成, 水稻和稻瘟病菌的互作体系成为研究植物与真菌互作的模式系统。该文对稻瘟病抗病基因的遗传、定位、克隆及育种利用进行概述, 并通过生物信息学分析方法, 探讨了水稻全基因组中NBS-LRR类抗病基因在水稻12条染色体上的分布情况, 同时对稻瘟病菌无毒基因的鉴定及无毒蛋白与抗病蛋白的互作进行初步分析。最后对稻瘟病抗病基因研究存在的问题进行分析并展望了未来的研究方向, 以期为水稻抗稻瘟病育种发展和抗病机制的深入理解提供参考。
[9]
汪文娟, 周继勇, 汪聪颖, 等. 八个抗稻瘟病基因在华南籼型杂交水稻中的分布[J]. 中国水稻科学, 2017, 31(3):299-306.
【目的】已克隆的稻瘟病抗性基因Pi1、Pik-p、Pik-h、Pi2、Pi9、Piz-t、Pita、Pii对不同稻区的稻瘟病菌表现较广谱的抗性,被广泛应用于水稻抗瘟性育种。为了明确上述抗性基因在华南稻区杂交稻组合中的分布及其组合的抗病有效性,【方法】利用上述8个抗病基因的功能标记,对华南328个杂交稻组合进行了抗瘟基因型分子检测。【结果】抗性基因Pita和Pii分布频率最高,在测试组合中检出率分别为84.76%与67.68%;其次是Pi2与Pik-p,分别为22.87%与13.72%;检出频率较低的是Pi1、Piz-t和Pik-h,分别为5.18%、3.35%与2.13%,检测的品种都不携带抗性基因Pi9。在单个杂交稻组合中,检出的抗瘟基因数量最多是4个。抗病性评价结果表明,杂交稻组合中检出的抗病基因数量越多,其表现为抗病品种的频率就越高;含4个抗病基因的杂交稻组合中,抗病品种所占比率达91.67%。含有不同抗瘟基因的组合表现出不同水平的抗瘟性,其中Pi2与Pi1对华南稻区稻瘟病的抗病性贡献最大,其他抗病基因的贡献大小依次是Pik-h、Pik-p、Pita、Pii与Piz-t。【结论】本研究为华南稻区杂交稻抗病品种基因型的合理布局以及抗瘟基因的应用提供了科学依据。
[10]
张银霞, 沈文娟, 韩雪琴, 等. 宁夏水稻种质资源主要抗稻瘟病基因的鉴定和评价[J]. 西北农业学报, 2020, 29(7):1009-1019.
[11]
周伍民, 董丽英, 刘树芳, 等. 抗稻瘟病基因特异分子标记开发及在云南粳稻中的应用[J/OL]. 分子植物育种,1-25 [2024-07-05]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/46.1068.s.20210928.0151.008.html
[12]
李文灿. 勐海县优质稻产业发展现状及对策[J]. 云南农业科技, 2017(1):16-17.
[13]
王春荣, 玉罕的, 玉艳珊, 等. 勐海县勐遮镇水稻发展现状、问题及对策建议[J]. 安徽农学通报, 2020, 26(14):53-54.
[14]
董丽英, 王群, 刘树芳, 等. 云南省稻瘟病菌群体对稻瘟病抗性单基因系的致病性分析[J]. 西南农业学报, 2012, 25(2):467-473.
[15]
SU J, WANG W J, HAN J L, et al. Functional divergence of duplicated genes results in a novel blast resistance gene Pi50 at the Pi2/9locus[J]. Theoretical and applied genetics, 2015, 128(11):2213-2225.
[16]
董丽英, 刘树芳, 田维奎, 等. 云南省稻瘟病菌群体的致病性分析及交配型分布[J]. 植物保护学报, 2023, 50(2):316-324.
[17]
WARUDE D, CHAVAN P, JOSHI K, et al. DNA isolation from fresh, dry plant samples with highly acidic tissue extracts[J]. Plant molecular biology reporter, 2003, 21(4):467.
[18]
FJELLSTROM R, CONCETTA A, CONAWAY B, et al. Development of DNA markers suitable for marker assisted selection of three Pi genes conferring resistance to multiple Pyricularia grisea pathotypes[J]. Crop science, 2004, 44(5):1790-1798.
[19]
KHUSH G S, JENA K K. Current Status and Future Prospects for Research on Blast Resistance in Rice (Oryza sativa L.). In: Wang G L, Valent B (eds). Advances in genetics, genomics and control of rice blast disease[M]. Springer, 2009,p1-10
[20]
杨勤忠, 林菲, 冯淑杰, 等. 水稻稻瘟病抗性基因的分子定位及克隆研究进展[J]. 中国农业科学, 2009, 42(5):1601-1615.
[21]
杨德卫, 王莫, 韩利波, 等. 水稻稻瘟病抗性基因的克隆、育种利用及稻瘟菌无毒基因研究进展[J]. 植物学报, 2019, 54(2):265-276.
稻瘟病是世界上影响水稻(Oryza sativa)粮食生产的主要病害之一, 抗病基因的发掘与利用是抗病育种的基础和核心。随着寄主水稻和病原菌稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)基因组测序和基因注释的完成, 水稻和稻瘟病菌的互作体系成为研究植物与真菌互作的模式系统。该文对稻瘟病抗病基因的遗传、定位、克隆及育种利用进行概述, 并通过生物信息学分析方法, 探讨了水稻全基因组中NBS-LRR类抗病基因在水稻12条染色体上的分布情况, 同时对稻瘟病菌无毒基因的鉴定及无毒蛋白与抗病蛋白的互作进行初步分析。最后对稻瘟病抗病基因研究存在的问题进行分析并展望了未来的研究方向, 以期为水稻抗稻瘟病育种发展和抗病机制的深入理解提供参考。
[22]
李成云, 李家瑞, 岩野正敬, 等. 云南省稻瘟病菌生理小种的组成和分布[J]. 西南农业学报, 1990, 3(2):57-62.
[23]
LIU G, LU G, ZENG L, et al. Two broad-spectrum blast resistance genes, Pi9(t)and Pi2(t),are physically linked on rice chromosome 6[J]. Molecular genetic and genomics, 2002, 267(4):472-480.
[24]
张亚玲, 高清, 赵羽涵, 等. 黑龙江省水稻种质稻瘟病抗性评价及抗瘟基因结构分析[J]. 中国农业科学, 2022, 55(4):625-640.
【目的】稻瘟病严重威胁黑龙江省水稻的生产,选育和利用抗瘟品种是最经济、安全和有效的措施。了解黑龙江省水稻主栽品种的稻瘟病抗性,明确稻瘟病抗性基因的有效性,为黑龙江省稻瘟病抗病种质资源的选育和利用提供依据。【方法】2018年秋季在黑龙江省水稻主产区采集134株水稻单孢菌株,采用病原物接种鉴定方法对黑龙江省50个水稻主栽品种进行抗性分析;针对已报道的35个稻瘟病抗病基因,利用基因特异性引物对参试品种及阳性对照品种进行抗瘟基因检测,对部分无阳性对照品种抗性基因扩增后测序,与NCBI中公布的参考序列比对,分析稻瘟病抗性基因在相应品种中的存在情况;通过基因聚合类型与品种抗性表现相关性分析,明确与黑龙江省水稻品种抗性表现相关的基因型。【结果】根据抗性频率评价,参试的黑龙江省50份水稻品种中,龙粳20表现为抗,龙粳67、龙垦202、龙粳40、龙粳31、龙粳57和龙粳43表现为中抗,其余43个品种均表现感病。通过品种组合抗性分析发现龙粳20与龙粳67等33对品种组合的联合抗性系数(resistance association coefficients,RAC)较高,联合致病性系数(virulence association coefficients,VAC)较低,联合抗病性较好,该类搭配结构具有良好的应用前景。通过特异性引物对品种携带的抗瘟基因鉴定结果显示,抗瘟基因Pish、Pi36、Pi33和Pi-CO39在供试品种中均被检测到,Pi63、Ptr、Pi37、Pi64、pi21、Pi9、Pi54、Pi-kh、Pia、Pikp、Pi35、Pikm和Pik的被检出率为50%&#x02014;100%,说明这类基因在黑龙江省水稻育种中应用较广泛;Pita、Pib、Pii、Pi5、Piz-t、Pi50和Pi2的被检出率为10%&#x02014;50%,Pid2仅在2个品种中被检测到,Pigm仅在吉粳88中被检测到,而Pit、Pid3、Bsr-d1、Pi25、Pid3-A4、Pi56、Pi1、Pike和Pb1在供试品种中均未被检测到,说明这类基因在黑龙江省水稻品种中分布较少。通过品种基因型分析发现,供试品种携带抗瘟基因12&#x02014;19个不等,共58种抗瘟基因型,说明供试品种的抗瘟基因组合类型较丰富。单基因及多基因聚合与抗病相关性分析结果显示,Pi2、Piz-t、Pi50、Pi5和Pii的分布频率与携带该基因且表现抗病的百分率相当;研究发现品种携带抗瘟基因越多,其表现为抗病品种的概率越高,携带Pi2+Piz-t+Pi50+&#x003b1;聚合类型的6份品种均表现为抗病。【结论】参试的黑龙江省水稻种质资源抗性偏低,部分品种组合种植有较高应用价值,抗瘟基因在参试品种中分布不等,Pi2、Piz-t、Pi50、Pi5和Pii在品种抗病方面起主导作用,Pi2+Piz-t+Pi50+&#x003b1;基因聚合类型可以提高水稻抗瘟性。
[25]
王丽丽, 赵家铭, 马作斌, 等. 辽宁地区水稻资源抗稻瘟病基因的检测分析[J]. 植物遗传资源学报, 2017, 18(2):325-339.

基金

云南省科技计划项目“云南特色稻麦豆作物重要性状鉴定技术研发与应用”(202302AE090011)
云南省农业联合专项“利用2个广谱抗稻瘟病新基因创制水稻抗病新种质”(202301BD070001-115)
云南省人力资源与社会保障厅专家基层工作站项目(云人社通[2022]17号)
PDF(1248 KB)

文章所在专题

热点综述

Accesses

Citation

Detail

段落导航
相关文章

/