慈竹半纤维素在细胞壁中的分布规律和结构变化解析

Hemicelluloses are the major components of plant cell walls. They are thought to regulate the plant cell growth and inducing the phytoalexins. Therefore, the composition, distribution, and structural characterization of cell-wall hemicelluloses are very important in the elucidation of mechanisms of plant cell-wall growth. Compared to other gramineous plants such as rice, bamboo contains internodes at various stages of development in the culm, and has certain advantages in investigating the progression of young to mature tissues. In this project, the composition, distribution, and structural characterization of cell-wall hemicelluloses in bamboo internodes will be studied by immunolocation, microscopes, and chemical characterization at various stages of development. The changes of degree of branching of xylan, xyloglcan, and the molar ratio between (1→3)-bond and (1→4)-bond of β-(1→3)(1→4)-glucan will be studied in bamboo internodes at different stage of development. In addition, the linkages between hemicelluloses and p-coumaric acid, ferulic acid will also be investigated. Combing the results of the distribution and structural features of the xylan, xyloglcan and β-(1→3)(1→4)-glucan, their function and involvement in the cell wall at different stages of development of bamboo culm will be elucidated. This project will provide the theoretical basis about the location and function of hemicelluloses in cell walls of the gramineous plants.

半纤维素是植物细胞壁的主要成分之一，它不仅参与了细胞壁结构的构建，而且具有调节细胞生长过程的功能。研究半纤维素在细胞壁中的组成、分布、结构对于阐明植物细胞生长机制具有十分重要的意义。竹子作为禾本科类植物典型代表，具有明显的节和节间。因此，本项目以不同生长期的慈竹为研究对象，利用免疫标记技术、现代显微技术和化学分析技术研究慈竹细胞壁半纤维素组成和分布；研究半纤维素组分中木聚糖、木葡聚糖的分枝度以及β-(1→3)(1→4)-葡聚糖中(1→3)、(1→4)连接键比例在慈竹细胞壁生长过程中的变化规律；进一步研究慈竹半纤维素与阿魏酸、对香豆酸的键合机制。通过对半纤维素的超微结构和化学结构的研究结果进行分析，揭示木葡聚糖、木聚糖和β-(1→3)(1→4)-葡聚糖之间交互作用和其参与细胞壁形成的机理，奠定禾本科植物半纤维素参与细胞生长机制的研究基础，为竹子合理开发利用提供科学依据。

本项目以不同农林生物质（慈竹）为原料，项目完成了 2 月、4 月、8 月和 12 月、1 年、2 年和 3 年生慈竹半纤维素的细胞壁分布、结构以及 LCC 结构的区别，还采用了拉曼光谱揭示了三大组分在不同竹龄竹材细胞壁中的分布和浓度变化，并对比了嫩竹和老竹中半纤维素和木素-碳水化合物复合体（LCC ）的结构变化。在 2 月的竹材中发现了 β-(1→3)(1→4)-葡聚糖，揭示了不同竹龄慈竹半纤维素组分的化学结构以及与阿魏酸、对香豆酸的键合机制。研究发现，随随着竹龄的增加，慈竹细胞壁主要成分总含量呈增加趋势；纤维素和半纤维素含量先增加后基本不变；酸溶木质素和酸不溶木质素含量呈相反的变化规律，酸不溶木质素呈增加趋势。随着竹子年龄的增长从2月到12月，碳水化合物和木质素的浓度在次生壁（S）和复合胞间层（CML），都是逐渐增加的。嫩竹的半纤维素分支度高，乙酰化程度低。2个月的嫩竹中半纤维素主要由高取代的木聚糖和β-(1→3)(1→4)-葡聚糖，葡聚糖组成，表明β-(1→3)(1→4)-葡聚糖与纤维素结合，具有提高嫩竹的机械强度。随着竹龄的增加，半纤维素的乙酰化程度高，组成和结构趋于稳定。LCC结构研究发现苯基糖苷键的相对含量和S/G的比值随竹龄的增加而增加。.通过以上研究，发表论文 8 篇，其中被 SCI 收录论文 6 篇，1 篇论文作为封面论文发表在一区 top 期刊上，参与编写中英专著各 1 部，申请发明专利 2 项。在该项目的资助下，项目主持人获得了“万人计划”中组部青年拔尖人才支持计划、教育部青年长江学者奖励计划、北京市自然科学基金面上项目的资助，获得了国家林业局第十三届中国林业青年科技奖，还参加国内外学术会议 10 余次，并做大会报告 8 次；培养科技骨干 2 名，其中 1 人成为破格教授，1人职称由讲师升级为副教授；培养博士研究生 1 名，硕士研究生 4 名，其中有 2 名研究生获得国家奖学金、1 名研究生获得北京林业大学优秀硕士学位论文。