应用笔记 - 磁共振

新型固态成像技术揭示植物细胞壁结构

“本项研究提供了迄今未曾获得的可阐明次级细胞壁3D结构的分子证据。”

“本项研究提供了迄今未曾获得的可阐明次级细胞壁3D结构的分子证据。”

次级细胞壁对于植物生命十分重要,并且占植物生物量的绝大部分。它由纤维素、半纤维素和木质素组成。研究人员在现有关于次级细胞壁组织的有限分子信息的基础上提出,成束的纤维素微纤维是被木聚糖-木质素复合物包裹,并由葡甘聚糖交联而成的。

木质素是一种复合芳香族生物聚合物,承担植物次生细胞壁的加固和防水功能。因此,它提供了机械稳定性,并有利于树木中水分的长距离运输。然而,植物的这一重要组成部分却在植物材料应用于制造和工业时成为障碍,这是因为木质素使纤维素与生俱来地难以接受化学和酶处理。因此,木质素脱除是造纸和生物质转化为生物燃料的关键步骤。

为了改变细胞壁结构以提高其消化率,人们对基因工程植物进行了大量研究。但以往由于对细胞壁聚合物结构、木质素与细胞壁多糖相互作用的物理特性的了解有限,以上努力遭遇了严重阻碍。

凭借一种新的成像技术,最新的研究对木质纤维素结构的认识做出了有价值的贡献。研究人员利用依靠动态核极化(DNP)增强灵敏度的Bruker Avance波谱仪,对玉米茎进行了固态NMR分析。应用DNP技术的ssNMR具备超常的分辨率和灵敏度,因而能获得远大于从前的数据集。此外,所需的样品制备量也降低到最低程度,细胞壁结构也因此不会受到干扰而产生伪影。

所获得的图像揭示出木质素与木聚糖极性结构基元、而非与之前认为的纤维素发生了大量的静电相互作用。木质素和纤维束这两个疏水核以构象依赖的方式由木聚糖桥接。因此,木质素是自聚集形成独特的、高度疏水的动态纳米域,而非包裹在纤维素束上。这些木质素域与木聚糖具有广泛的表面接触,不同相之间仅存在有限的相互渗透。研究还表明,扭曲的木聚糖结构有利于木质素的结合。这与以前发现的扁平木聚糖整合体结合纤维素形成了对比。因此,ssNMR研究中显现的细胞壁结构与现有的观点有很大差异。

本研究所发现的新的分子特性使人们在分子水平组织上对木质纤维素生物质有了更深入的了解。这些知识将有助于进一步优化对生物燃料和生物材料用植物材料采后加工的研究。

更多信息,请联系Bruker公司。

参考文献:

Kang X等;“固态NMR揭示植物次级细胞壁中的木质素-多糖相互作用”;Nature Communications 2019;Volume 10:Article number 347

https://www.nature.com/articles/s41467-018-08252-0#Sec9