能源作物细胞壁遗传改良是提高生物质酶解效率和生物乙醇产量的有效途径。能源作物遗传改良需要解决三个主要科学问题:(1)鉴定影响生物质酶解效率的主要细胞壁结构因子;(2)揭示细胞壁结构因子的分子遗传基础;(3)探索细胞壁遗传改良的方法与途径。迄今,影响生物质酶解效率的细胞壁结构因子尚未完全鉴定,且极少通过数量遗传学的方法进行研究;另外,能源作物的遗传改良主要侧重于木质素或半纤维素生物合成的调控,而调控纤维素合成的较少。故本研究在遗传群体水平上全面分析了纤维素、木质素和以半纤维为主的单糖对生物质酶解效率的影响,利用近红外技术实现了水稻生物质酶解效率和细胞壁结构因子的高通量快速测定和数量性状位点定位,通过精细编辑水稻次生细胞壁纤维素合酶基因复合体,创建了纤维素结晶度和聚合度下降、生物质酶解效率和乙醇发酵产率显著升高且重要农艺性状未受影响的优质水稻突变体材料,为能源作物纤维素的定向精细改良提供了方法与手段。主要结果如下:1.选用100份水稻重组自交系群体,全面分析了晶体纤维素含量、纤维素结晶度、木质素总量、酸溶或酸不溶木质素含量、木质素单体组成、半纤维素单糖组成和两种预处理条件下的生物质酶解效率,发现酸不溶木质素和甘露糖是水稻生物质酶解效率主要促进(正效)因子,而纤维素结晶度、酸溶木质素、三种木质素单体和半乳糖是主要抑制(负向)因子;2.利用偏最小二乘法,建立了水稻细胞壁三种木质素单体、甘露糖、半乳糖和生物质酶解效率的近红外模型,6个近红外模型的建模决定系数、交互验证决定系数和外部验证决定系数分别达到0.85-0.92、0.75-0.87和0.82-0.89,比性能偏差均大于2.0,故所建模型具有良好的预测性;3.进一步利用近红外模型,对三种木质素单体、酸溶和酸不溶木质素、甘露糖、半乳糖和生物质酶解效率进行了QTL定位,共鉴定到22个控制上述细胞壁结构因子和10个控制生物质酶解效率的数量性状位点。控制生物质酶解效率和细胞壁结构因子的QTL形成5个QTL簇,成簇QTL的加性效应方向与性状之间的相关性一致,显示三种木质素单体、酸溶木质素和半乳糖可能共同抑制生物质酶解产糖,而酸不溶木质素和甘露糖则有助于生物质酶解;4.利用与QTL簇紧密连锁的分子标记,筛选到6株生物质酶解效率升高、酸不溶木质素和甘露糖含量升高以及木质素单体、酸溶木质素和半乳糖含量下降的水稻株系,并且这些株系的抗倒伏能力、种子产量和稻米品质均未受影响,表明鉴定的QTL能用于优质能源水稻材料的选育;5.水稻遗传群体中的研究显示纤维素结晶度是生物质酶解效率的主要抑制因子,为实现纤维素结晶度的遗传改良,利用三种CRISPR基因编辑技术对水稻次生细胞壁纤维素合酶基因进行编辑。从突变体库中筛选出11株酶解效率显著升高且生长发育正常的点突变体,其中Os CESA7 P-CR区点突变体(A7P2-ec29和A7P2-ec31)的纤维素结晶度和聚合度显著下降10%和17%,酶解效率和发酵乙醇产率在0.5%Na OH、5%Ca O、热水和绿色液体四种预处理条件下均显著高于野生型。更重要的是,A7P2-ec29和A7P2-ec31的单株生物质产量和单株种子产量均未降低,且抗倒伏能力有所升高,符合能源作物选育要求,上述结果表明纤维素合酶基因的精细编辑是降低纤维素结晶度、培育优质能源作物的有效途径。因此,本研究全面鉴定了影响水稻生物质酶解效率的细胞壁结构因子,探索了细胞壁结构因子影响生物质酶解效率的遗传基础,并通过次生细胞壁纤维素合酶基因的精细编辑,选育出了生物质酶解效率高、且重要农艺性状未受影响的优质水稻株系,为优质能源作物的选育提供了可行方法与途径。