竹子细胞壁的高分子组成、分级有序结构及相互作用机制

The oriented utilization based on the distinct structure and performance of different cells in bamboo is one of the most important direction of bamboo value-added utilization in the future. The present project is concentrated on the basic building units of bamboo- pachypleurous fibers and parenchyma cells. Firstly, the key structural and chemical parameters of the two types of cells will be quantitatively determined at tissue level. Furthermore, the fine distribution of the key polymers (cellulose, hemicellulose and lignin) in the cell walls will be revealed through the incorporated application of various spectral chemical imaging with high spatial resolution and monoclonal antibodies immunogold labeling. At the molecular scale, the orientation arrangement and interaction among cellulose, lignin and hemicellulose polymers will be investigated with polarized FTIR and dynamic FT-IR spectroscopy. Our final target is to propose up to date the finest cell wall structural model of bamboo fibers and parenchyma cells respectively based on the multiple scale information obtained, which will be very helpful in understanding the design mechanism of bamboo cell walls, as well as providing significant insights into biological formation and fast growth mechanism of bamboo, development of low energy consumption bioconversion process and advanced materials by mimicking the structure of bamboo cell walls.

针对不同细胞单元的结构性能差异开展精准利用，是未来竹材增值加工的重要方向。本项目以竹子的基本构成单元—厚壁纤维和薄壁细胞为研究对象，首先在组织水平分别对这两种细胞的关键结构和化学参数进行定量测定；在此基础上集成应用各种高分辨光谱化学成像技术、多糖单克隆抗体免疫金标记技术揭示主要高分子组分在细胞壁不同区域的精细分布规律；在分子尺度，研究重点是应用偏振红外光谱以及动态二维红外光谱揭示纤维素、木质素、木聚糖高分子在两种细胞细胞壁内的空间取向规律和分子间的作用机制。最终目标是通过对以上不同尺度信息的综合分析，提出至今为止最为精细的竹纤维、薄璧细胞细胞壁结构模型。该模型的建立有助于我们在分子水平理解竹子细胞壁的设计机制，对于推动竹子细胞壁生物形成、快速生长机制研究、开发低能耗生物质转化技术，以及仿细胞壁结构先进材料设计具有重要的科学价值。

竹纤维与薄壁组织细胞是竹材主要构成单元，占其总质量的90-95%。有研究表明，薄壁细胞比竹纤维在生物炼制中更易转化，但内在科学机制尚不清楚。过去4年，课题组按照任务书要求系统研究了竹纤维、薄壁组织细胞细胞壁高分子组成、分子结构、空间取向、相互作用的差异性，构建了精细的竹纤维与薄壁细胞结构模型，阐明了两者生物质抗降解屏障（碱抽提效率、纳米纤维化效率、糖转化效率）差异性的关键机制。项目取得的科学创新成果如下：. 1、全面系统阐明了竹纤维、薄壁细胞细胞壁重要结构和化学参数的差异性。研究发现竹纤维的纤维素含量显著高于薄壁细胞，木聚糖含量显著低于后者，但两者的木质素含量差异很小；竹纤维木聚糖葡萄糖醛酸单元含量显著低于薄壁细胞，但阿拉伯糖单元含量显著高于后者；竹纤维木质素G/S单元比例显著高于薄壁细胞；竹纤维细胞壁的孔隙率显著低于薄壁细胞，后者具有明显更加丰富的微孔和中孔结构。. 2、全面系统阐明了竹纤维和薄壁细胞纤维素超分子结构的差异性。发现竹纤维纤维素基本纤丝晶区直径大于薄壁细胞，但晶区长度显著小于后者；此外，竹纤维纤维素晶体的晶面间距显著小于薄壁细胞，并且相对稳定的纤维素Iβ晶型的比例显著高于后者。. 3、从分子水平阐明薄壁细胞“抗降解屏障”显著低于竹纤维的关键机制。从高分子结构看，薄壁细胞木质素存在更多的β-0-4醚键，缩合程度更低，易被碱抽提；薄壁细胞木聚糖含有更多的葡萄糖醛酸，易形成碱耐受性差的酯键型LCC，而竹纤维LCC中存在更多稳定的苯基糖苷键。从高分子空间取向看，薄壁细胞中高分子整体取向度较低，分子间相互作用较弱，细胞壁结构更加疏松。从纤维素超分子结构角度看，薄壁细胞纤维素结晶区分子链排列相对松散，结晶区具有更高的可及度，并且不稳定晶型纤维素Iα的比例更高。. 项目已经在国内外核心期刊上发表论文12篇，其中SCI收录9篇（中科院一区top期刊论文6篇），累计影响因子41.803。培养博士生1名，硕士生2名。