木材细胞壁关键组分的力学贡献及其相互作用

The study of structure/property relations of wood has been a hot research topic in biomass materials science. However, domestic scholars at the macro level have carried out a lot of research work in this area which is still very few at the cellular level. On the basis of wood cell wall mechanical characterization preliminarily, we will apply single-fiber-test and nano-indentation technologies in combination with targeted microbial/enzyme modification methods that are used for degradation of different key components, to explore the contribution of cellulose, hemicellulose (xylan and glucomannan) and lignin to the mechanical properties of wood cell wall at cellular level. And we will use wet chemical analysis and spectroscopy to monitor the changes of key components in the cell wall. At the same, we will use X-ray diffraction, SEM and AFM to study the influence of key components on the cell wall structure. Subsequently, we will attempt to establish the quantitative relationship between key components and mechanical properties of wood cell wall, to clarify the mechanism behind. The results of this study will be crucial for insighting into the origin of the nature of wood physical and mechanical properties, for improving the structural model of the wood cell wall, for guiding the genetic improvement of trees, as well as for the design of lignocellulosic plant cell wall as bioenergy.

木材结构和功能的研究一直是生物质材料科学研究的热点问题，但国内现有的研究多停留在宏观水平，细胞水平上的研究还鲜见报道。项目申请人在前期大量细胞壁力学研究工作的基础上，利用单根纤维拉伸技术和纳米压痕技术，采用不同微生物/酶选择性降解细胞壁关键组分的处理方法，在细胞水平上探讨关键组分纤维素、半纤维素（木聚糖、葡甘露聚糖）和木质素对细胞壁的力学贡献，并通过湿化学分析、光谱技术、X射线衍射技术、扫描电镜和原子力显微镜等观察细胞壁关键组分变化对细胞壁形态、结构的影响，进而揭示细胞壁各组分相互作用机制，对了解木材物理力学性质的本质，完善木材细胞壁精细结构模型，指导木材性质基因改良，以及木质纤维素类生物能源植物细胞壁的设计都具有重要的现实和理论意义。

木材结构和功能研究一直是生物质材料学科研究的热点问题。但国内现有的研究多停留在宏观水平，细胞水平甚至分子水平上的研究还很少。本课题选取我国特有树种杉木为研究对象，采用不同微生物和化学方法选择性降解细胞壁关键组分的处理方法，利用多种现代测试技术和表征手段,细胞壁关键组分变化对细胞壁形态、结构的影响，进而揭示细胞壁各组分相互作用机制，对了解木材物理力学性质本质起源，指导木材性质基因改良，以及开发木质纤维材料生物转化新途径都具有重要的现实和理论意义。研究结果表明：纤维素是细胞壁的主要结构成分，在细胞壁中充当骨架物质，是细胞壁强度的主要来源。半纤维素（葡甘露聚糖、木聚糖）连接纤维素微纤丝和木质素，其中大部分木聚糖连接着葡甘露聚糖和木质素，葡甘露聚糖与纤维素微纤丝结合紧密，木聚糖与葡甘露聚糖之间的作用力小于纤维素微纤丝与葡甘露聚糖之间的作用力。木聚糖在细胞壁中充当连接纤维素和木质素的界面偶联剂，其存在对维持细胞壁力学的完整性具有重要作用。木质素与木聚糖相连，但这种连接很容易破坏，其存在在一定程度上增强了细胞壁的力学性能。