黄藤细胞壁木质素区域化学分子光谱成像研究
木质素是总量仅次于纤维素的第二大天然高分子材料,是自然界惟一能提供可再生芳基化合物的非石化资源,因而木质素及其分子结构的研究备受关注.在植物细胞壁中,木质素被认为是细胞胶黏剂,为植物细胞壁乃至单根纤维提供抗压强度,使木质部维持极高的硬度以承载整株植物的重量.木质素的存在不仅增强了细胞壁力学性质,同时其疏水的特性有利于水分在导管中的高效输送.在生物质炼制过程中,木质素在微纤丝周围的包裹限制了化学药品、酶以及微生物对植物细胞壁多糖的降解,制约了生物质高效转化.因此,在原位状态下研究植物细胞壁木质素分子结构、微区分布以及细胞壁水平的溶解规律均具有重要的意义.作为分子光谱家族最重要的两类光谱技术,分子荧光和拉曼光谱广泛应用于植物生理,分子生物学等学科.不同的分子结构受到激发后在荧光光谱和拉曼光谱中会产生相应的特征峰,这些特征峰可以用于鉴别分子结构和官能团,通过结合显微镜技术,能够在原位状态下同时获取样品微观形貌及分子结构信息.本文整合共聚焦显微荧光和拉曼光谱成像技术,系统研究了黄藤藤茎组织中不同类型细胞、以及同一细胞不同形态区域的木质素区域化学特点.共聚焦荧光成像表明黄藤藤茎组织中木质素主要汇聚于初生木质部导管、次生木质部导管、维管束间的薄壁组织细胞以及纤维细胞角隅区.基于荧光光谱差异的光谱成像线性拆分结果显示纤维细胞次生壁由宽、窄层交替的同心层状结构组成,且窄层具有更高的木质化程度.比较黄藤、毛竹、芒草、毛白杨和虎皮松拉曼光谱发现黄藤材细胞壁拉曼光谱与阔叶木毛白杨类似,证实了黄藤材的化学组成更加趋近于阔叶木毛白杨.对拉曼光谱中木质素特征峰成像进一步揭示出纤维细胞中木质素不均一的分布规律：其中细胞角隅胞间层和复合胞间层的拉曼信号强度最高,表明较高的木质化程度,其次是次生壁中的窄层,而次生壁宽层中拉曼特征峰强度最低,这一分布规律与竹材纤维细胞中木质素分布规律类似.宽、窄层中木质素不仅存在浓度上的差异,而且木质素基本结构单元的比例也不同.采取光谱去卷积的方法排除了碳水化合物的影响,发现窄层中愈创木基(G型)木质素与紫丁香基(S型)木质素比例为0.19,而在宽层中这一比值为0.14,这一结果也解释了宽、窄层中荧光光谱的差异.该研究结果对探索黄藤细胞壁生物合成及力学响应机制研究具有重要理论指导意义.
木质素 微区分布 共聚焦显微荧光成像 共聚焦显微拉曼光谱成像
金克霞 刘杏娥 江泽慧 尚莉莉 杨淑敏 田根林 马建锋
国际竹藤中心竹藤科学与技术重点实验室 北京 100102
国内会议
首届中国竹藤产业创新发展大会暨第三届中国竹藤资源利用学术研讨会
北京
中文
60-66
2018-03-16（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）