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科学家研究木材的生成过程,开发新的材料运用潜能

2020-07-27


科学家研究木材的生成过程,开发新的材料运用潜能

远古时期,当植物开始从海中走上陆地,就遇上前所未有的问题。在海中不用担心水分运输,但在充满空气的环境里,究竟要怎幺将水运送到叶子呢?为了解决这个问题,植物没有发展出像涡轮泵或打水系统,而是发展出称为木质部(xylem)的细管状构造,利用压力差让水沿着根部经由树干、茎到枝叶被动运送。我们一般所知道的木材,就包含了木质部构造。

现在,因为显微技术与分子生物学的进步,科学家开始即时的观察到木质部以及木材在细胞层次的组成样貌。他们研究对象主要是线性多醣所组成的有机分子纤维素(cellulose),这种分子虽然很小,但却是地球上大量组成木材的主要原料。澳洲墨尔本大学(University of Melbourne)植物细胞生物学家 Staffan Persson 教授表示,这项研究或许能让人们得以了解甚至以此研发新的材料。

每个植物细胞外都有一层含有纤维素的薄膜环绕,也就是我们所知的细胞壁。不同功能植物细胞的细胞壁形成会有些许的不同,位于木质部的细胞需要更加强壮,才不会在向上运输水分的过程中因压力倒塌。因此,植物该处的细胞会生成其他部位的植物细胞都不会有,含有特别厚纤维素的次生细胞壁(secondary cell wall)。

Persson 教授表示,木质部细胞一开始会先生成较薄的初生细胞壁(primary cell wall),这层初生细胞壁的功能就像紧身衣,能主导细胞的生长方向,并控制植物的外型。当与木质部相关的细胞开始生长,次生细胞壁就会开始在初生细胞壁内层生成,当细胞死亡就会留下木质的细胞外层结构以及让水分得以流动的孔洞。也就是说,这种次生细胞壁就是我们所谓的木材材质。

研究团队由墨尔本大学 Persson 教授与加拿大不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia)、德国马克斯普朗克学会(Max Planck Institute)及美国密西根州立大学(Michigan State University)研究者共同合作,将最新研究成果发表于科学期刊《PNAS》。他们透过直接观察记录初生细胞壁与次生细胞壁生成时的过渡期,对于生成过程提供非常重要的细节资讯,对日后相关研究有很高的价值。

植物细胞中製造纤维素的部分称为纤维素合成酶(cellulose synthase,CesA)複合体,主要作用在细胞的表面位置,能将纤维素释放挤出到细胞外层形成细胞壁。CesA 複合体在生成初生与次生细胞壁的过程有些不同,为了要了解植物是如何转换两种细胞壁的製造模式,研究者首先需要将製造两种细胞壁的 CesA 区分出来。团队以不同的萤光标记区分两种 CesA,并以高解析度的共轭交显微镜观察(confocal microscope)。

木材结构通常位于植物组织内部深处,因此很难以显微镜观察。当时在墨尔本大学担任博士后研究员的共同作者 Rene Schneider 博士表示,为了克服难以观察的问题,他们刺激让所有细胞都开始生产次生细胞壁的纤维素。只要刺激植物细胞的主要调控机制或某个特定的基因转录因子,就能在植物细胞开启与製造木材相关的基因。藉由这样的方式就能刺激不同类型的植物细胞都开始製造木材,在植物表面产生木材方便观察成像。

从生产初生细胞壁转换到生产次生细胞壁的过程只需要几个小时,研究团队观察分别以红色和绿色萤光标记的纤维素製造单元,发现次生细胞壁的纤维素製造过程,比起初生细胞壁纤维素製造过程来得更快。对此 Persson 教授表示,这样的现象其实可以理解,因为植物细胞开始产生次生细胞壁之后很快就会死亡,细胞死亡之前产生越多细胞壁才能让整株植物更强壮,因此製造次生细胞壁的过程一定要快。

过去人们运用木材的价值在于耐久度,但这项特性也相对限制了其他运用的可能性,这项研究中研究者也突破了这些限制。Persson 教授表示,木材的糖类成分因为结构太稳定因此很难提取,但研究团队希望能透过调控木材的形成过程改变木材的稳定性,让我们可以比较容易从木材提取生物燃料以及材料所需的原料。这项研究显示木材不仅能运用在建筑或造纸产业,也能在未来有更多不一样的潜能。



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