全球首次发布芦竹高质量基因组 我国植物能源创新获重大突破

2023-03-09 17:17   来源: 互联网

      近日,武汉兰多生物科技有限公司(以下简称“兰多”)超级芦竹基因组科研团队,发布了两份芦竹(绿煤102、翠绿101)高质量基因组。这两份基因组为全球首次发表的芦竹基因组,填补了相关研究的空白,也为芦竹基因组学的研究和遗传改良提供了新方向。这项研究成果,也标志着我国植物能源创新研究取得重大突破。


芦竹基因组研究“0”的突破

      芦竹,禾本科芦竹属,之前并不是一种关注度高的植物。随着气候危机的加剧,绿色能源转型势在必行,芦竹作为一种零碳能源植物受到越来越多的重视。

超级芦竹

      芦竹是无性繁殖植物,遗传基础狭窄,只能通过现代生物技术进行改良。此前芦竹在遗传改良方面的研究鲜有突破,主要原因是芦竹没有可用的参考基因组。芦竹基因组十分复杂,其倍性尚不清楚,而且染色体体型较小、条数多变,已发现芦竹的染色体条数有62、72、84、108、110、112不等。芦竹基因组组装难度大,至今国内外没有公开报道的参考基因组可用,严重限制了芦竹基因组学的研究和遗传改良。

      兰多公司利用二代测序、HiFi测序、Hi-C测序等多种测序手段,在国际上率先组装了绿煤102和翠绿101两份芦竹基因组,两份材料的基因组大小分别为1.41G和2.95G,各项指标为:ContigN50 > 35Mb、染色体挂载率>98%、基因组完整度>99%。经BUSCO等专业软件评估,两份基因组各项质量指标均达到较高水平,是高质量的基因组。

超级芦竹种苗繁育

      十年来,兰多收集了近700份国内外野生芦竹种质资源,已经利用系统选育、物理化学诱变等手段,培育出多种耐水涝、耐盐碱、耐低温、耐干旱、富集重金属、牲畜饲料、花叶观赏等“超级芦竹”新品种,可以满足不同气候、不同土壤、不同地况、不同用途的种植需求。目前,兰多正在利用芦竹的参考基因组,结合转基因和基因编辑等现代分子育种技术,开发生物量更高、抗逆性更强的新一代“超级芦竹”新品种。


超级芦竹,高效能源植物

      所谓能源植物,是指通过光合作用能把二氧化碳和水快速转化成有机物,并产生高生物量的植物。目前,国际公认的碳中和四大可行性技术路径——能源转型、碳捕捉与利用、植物碳汇、低碳生活,其中前三个都与植物尤其是能源植物密切相关。

      从碳捕捉、植物碳汇的效率上看,“超级芦竹”的优势十分明显。根据兰多2021-2022年测产报告,超级芦竹生长过程中产生的干生物量约5-10吨/亩,据此测算出其吸收的二氧化碳量8.5-17吨/亩、释放的氧气量6-12吨/亩,约为热带森林的5倍、玉米秸杆的7倍、水稻秸杆的15倍。大规模种植超级芦竹可助力国家快速实现碳中和。

超级芦竹具有生长快、生物量巨大的特点

      从能源转型上来说,超级芦竹的热值为 4200-4600 大卡,可以直接替代燃煤;还可以通过先进的生物发酵、热转化等技术生产氢气、天然气、一氧化碳、生物油、乙醇、生物炭、聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)等,并且能进一步深加工生产几乎所有的高端能源与高端化学品,如甲醇、乙醇、汽柴油、航空煤油(SAF)、液氨、乙二醇、烯烃、芳烃等,从而全面替代煤炭、石油、天然气及其下游产品。

      此外,“超级芦竹”还具有土壤及水体修复效率高、吸附重金属能力强、变异率低、田间管理少、病虫害少、气候及土壤适应性强等优势。超级芦竹一次种植可连续收割15-20 年,可以在盐碱地、滩涂地、废弃矿区、湿地等边际土地生长,降雨量>500毫米的区域可自然生长。

      作为一家长期专注于植物能源全产业链创新研发的国家高新科技企业,兰多不仅在最前端的芦竹基因组研究上先人一步,在中端组培快繁、GAP驯化、机械化种植及收储运上已全部打通,在后端深加工高端能源及化学品上更有前瞻布局,以硬核原创自主科技形成核心竞争力。

“超级芦竹”收割之后打捆堆垛

      比如,兰多全球首创的蓄热式辐射热解工艺,采用这种工艺深加工超级芦竹,在生产氢气、天然气、一氧化碳等零碳能源及零碳化工产品的同时,其副产的生物炭还可用来生产炭基肥、炭基土壤改良剂、炭基建材、活性炭 、炭基导电材料。“零碳”排放是碳中和的终极目标,而兰多这一技术路线生产的超级芦竹相关能源、化工产品已经实现了负碳排放,对于实现“3060”双碳目标意义重大。

      截止目前,兰多已在国内外申请专利150余项、植物新品种保护权10余项,正在制定植物能源全产业链技术、工艺及产品标准5项,为加速建设中国清洁低碳、安全高效的新能源体系提供务实路径。


全球能源转型新路线

      从全球来看,兰多在植物能源上的颠覆式创新,为全球能源转型提供了新路线。

      中国工程院院士、清华大学原副校长倪维斗说:“人类的力量很有限,但大自然的力量是无穷的。如果能用大自然的力量来减少二氧化碳排放是最好的办法,开发植物能源就是一个很好的方向。”

超级芦竹种植基地

      2022年以来,“实施可再生能源替代行动”频繁出现在政府文件中。在目前的可再生能源中,超级芦竹最接近化石能源,它们都是碳氢化合物,唯一的差别在于其形成所需要的时间不同,化石能源需要上亿年,而超级芦竹只需要半年到1年,超级芦竹是化石能源完美的替代品。

      超级芦竹的优势之一,是成本相对低廉。据测算,兰多“超级芦竹”全产业链(从种植到深加工)的制氢成本不超过10元/公斤,1万吨绿氢/年的超级芦竹全产业链项目投资不超过4亿元;全产业链制绿色甲醇的成本不超过1600元/吨,10万吨绿色甲醇/年的超级芦竹全产业链项目投资不超过9亿元。对比目前国内外正在快速推广的风电光伏产电、产氢、产甲醇、产液氨路径,超级芦竹全产业链的单位产品投资强度可分别下降60%、75%、70%、68%以上,单位产品生产成本可分别下降19%、54%、65%、61%以上。

超级芦竹,化石能源完美替代品

      根据预测,要实现2030年碳达峰目标,我国氢气的年需求量将达到3715万吨,只需0.74亿亩非耕地种植超级芦竹,就能解决全部的绿氢供应;2060年要实现碳中和,我国氢气的年需求量将达到1.3亿吨,也只需2.6亿亩非耕地种植超级芦竹,就能解决我国的全部绿氢供应。

      “3060”双碳目标的提出,要求快速实现能源清洁低碳转型,同时还要保障能源安全。我国能源对外依存度高,地缘政治博弈使中国能源安全面临越来越大的挑战。而我国地域辽阔,有边际土地24亿亩、森林面积34.6亿亩,在确保18亿亩粮食耕地红线基础上,我国完全有潜力发展植物能源来全面替代化石能源,实现能源自主供应,保障国家能源、经济、社会发展安全。


责任编辑:prsky
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