全球对原油过度依赖和消耗，致使温室气体大量排放，导致气候异常变化，并引发环境污染、资源短缺等问题，生物能源因其绿色清洁、循环再生的特点，可以控制碳排放，减少污染，缓解资源压力，因而受到广泛关注。其中，以纤维乙醇为代表的第二代生物能源，其原料是非粮作物或农林废弃物，具有不与人争粮、废弃物资源化利用的优势。但其原料本质是植物细胞壁，天然具有难降解的特性，致使纤维乙醇生产成本高，难以产业化。遗传改良植物细胞壁，提高生物质的可降解性，选育理想的能源作物，可以从源头上解决生物能源产业化的瓶颈问题。因而鉴定影响生物质酶解效率的主要细胞壁结构因子，对于确定遗传改造的目标物至关重要。

本研究首先利 179 份用生态分布广泛且具有代表性的芒草为材料，在不同化学预处理条件下，研究了果胶对生物质酶解产糖效率的影响和作用机制。同时，利用糖组、免疫荧光抗体标记、高效阴离子交换色谱和核磁共振等手段，鉴定了影响拟南芥果胶同聚半乳糖醛酸去甲酯化的 2 个新基因（PME1 和 PME26），探究了该基因在果胶结构修饰中的功能，并初步探讨了果胶影响生物质酶解产糖效率的分子机理。此外，为了深入研究果胶对生物质酶解产糖的影响，本研究还首次尝试利用原子力显微镜单分子成像技术，初步观察了拟南芥果胶单分子纳米级形貌，为研究细胞壁多糖单分子互作提供了基本方法。

第一部分：采用系统生物学方法，分析了 179 份芒草材料的细胞壁组分，发现草酸铵提取的果胶含量和生物质酶解产糖效率的变异幅度大；相关性分析结果显示，果胶组分中的糖醛酸含量与酸、碱预处理后的生物质酶解效率均呈极显著正相关。利用单因子实验进一步证明了糖醛酸含量是影响酶解效率的主效结构因子。推测其机理为：果胶糖醛酸通过间接负调控木质素含量和正调控半纤维素含量，从而降低了木质纤维素的结晶度，从而大大提高了生物质的酶解产糖效率。该结果为细胞壁果胶的筛选和评价提供了新思路。

第二部分：利用生物信息学、糖组学、组织免疫学、生物化学和分子生物学等手段，以拟南芥 T-DNA 敲除突变体为材料，对拟南芥 PMEs 超大基因家族中的 2 个新基因 PME1 和 PME26 进行了遗传鉴定和表征分析；通过体外提取细胞壁多糖，进行糖组芯片分析，原位免疫荧光标记，单糖成分测定，以及核磁共振检测。结果表明，突变体 pme1 和 pme26 的果胶甲酯度升高；通过抑制 PMEs 介导的果胶去甲酯化作用，可以改变其它细胞壁多聚物的组分和物理特性，可提取多聚物增多，从而降低木质纤维素的结晶度，使生物质酶解产糖效率提高 28% - 62%。首次尝试利用原子力显微镜单分子成像技术，初步观察了拟南芥果胶单分子纳米级形貌。这些研究进一步阐明了 PME1 和 PME26 在调控细胞壁果胶甲酯化程度和细胞壁降解中的作用，为开展该类基因在其他能源作物中的功能研究提供了理论基础。

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