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填充于细胞壁构架内
发布日期 : 2019-03-18 浏览次数 : 编辑:admin

  “通过一个小窍门,我们团队可以让杨树直接变成藤蔓。”这句看似耸人听闻的话,科学家们在近日召开的林木分子生物学与生物技术国际研讨会上,对科技日报记者讲解了其中的科学道理。

  多国与会专家学者齐聚黑龙江哈尔滨,围绕林木分子以及生物技术课题展开交流和讨论,其中关于木材材性改良的研究也就是林木分子调控技术最受关注。原来植物体内普遍存在着一种叫做木质素的成分,通过对木质素结构或含量进行分子调控,竟然能使植物的抗旱抗风等重要属性发生翻天覆地的变化。

  在中国知网搜索“木质素”可以得到12000多条结果,但是搜索“木质素材性改良”能查找到的论文就不足十篇,由此可见目前国内对于木质素用途的研究还很局限。那么木质素究竟是什么?它又是如何做到使植物“乖乖听话”的?

  木质素是植物体中主要成分,是三种苯丙烷单元通过醚键和碳碳键相互连接形成的具有三维网状结构的生物高分子,存在于木质组织中。在木本植物中,木质素占25%,是世界上第二位最丰富的有机物,人们相对更熟悉的纤维素则是第一位。

  木质素作为植物生长发育中的一种次生代谢物质,在植物的生长发育和抗性方面具有重要生物学功能。细胞壁木质化过程中,木质素渗入到细胞壁中,填充于细胞壁构架内,加大了细胞壁的硬度,增强了细胞的机械支持力或抗压强度,促进机械组织的形成,有利于巩固和支持植物体及水分疏导等作用。同时木质素的不可溶性和复杂酚类聚合物等化学特性,使得木质部具有细胞壁疏水性,也增强了抗病虫能力。

  台湾大学林木分子调控技术研究助理教授林盈仲为科技日报记者科普道:“通俗来讲,木质素有三个基本功能:首先,木质素的存在是使植物能站起来的主要原因,它为植物提供支撑。举个简单的例子,如果没有木质素,挺拔的杨树就会趴在地上变成藤蔓。第二,木质素可以帮助植物抵抗真菌、病菌的侵害。许多研究表明,植株在受到病菌侵害或诱导抗性中,与木质素合成有关的酶类活性增加,木质素含量增加,从而会提高植物的抗病性。最后,木质素还能降低植株输水管吸水性,帮助植物提高输水效能。拥有诸多优秀生物学功能的木质素,已成为现代工农业科学生产的依据,同时也是林木分子及生物技术研究的重点领域。”

  林盈仲博士多年来从事调控木质素改良木材性能的研究,他们发现,在杨树四万多个基因中有两千多个是“管事”的调控基因,其中部分可以调控木质素。人为地调控植物木质素结构或含量以后,植株的属性会产生变化,从而对其用途也产生影响。

  东北林业大学林木遗传育种国家重点实验室副主任赵曦阳教授向记者进行了更为详细的解释:“木质素升高能增强木材硬度,改变其输水结构,使叶片减少蒸发,从而使植物的抗旱性得以增强。抗风性除了与木材硬度增强直接关联外,也与抗旱性有关。比如原本水分蒸发量多的高大乔木植物的抗旱性增强了,我们就能把它种到半干旱地区,自然比矮小灌木植物防风效果更好。”

  记者了解到,目前林木遗传育种国家重点实验室主任姜立泉教授已经选择了我国东北常见阔叶树种白桦和杨树作为实验模本,并希望以此为开端进行防风林特殊树种的研究。

  调控木质素还可以应用于木材变酒精以及环保造纸领域。酒精本就是重要生物质能源,未来也将成为汽油的主要添加物,木头变酒精是制造生物质能源的可再生方式,值得提倡和推广。而木头造纸需要洗去其中含有的木质素,该提炼过程会使用大量化学药剂,效率低的同时也会造成污染。

  “但是科研人员现已发现纤维细胞的表达基因,并尝试利用木质素来改变其长度,纤维细胞越长,纸张质量就越好。如此我们就能根据木材的实际情况造出不同等级的纸张以作各种用途。”林盈仲博士补充道。

  虽然以分子和生物技术概念研究林木发展,目前已初见成效,但关于木质素的研究科学家们不会满足于就此止步。各领域专家正在积极展开合作,致力于将常规和分子方法结合,希望未来做到对木质素的更精准调控,并扩展到对植物体内木质素、纤维素、半纤维素结构。赵曦阳说:“如果可以做到精确调控木质素,就能高效率低成本利用植株,甚至变废为宝。”

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