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《自然?植物》报道威廉体育戴桓青教授团队解开木材细胞壁结构百年难题与非遗古琴千年之谜

时间:2023年06月24日

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木材是人类文明发展的重要能源来源与基础材料,也是重要的可再生资源。木材细胞壁中的纤维素,是地球上最丰富的有机物质,占全球生物质量的四分之一。木材纤维素分子的纳米结构是历经百年仍无法攻克的难题,无法确认每束微纤丝含有多少条葡聚糖链。

由于微纤丝包覆在半纤维素的基质中,两者都是长链多糖,无法以电子显微镜或原子力显微镜加以区分,故无法直接计算微纤丝条链数。戴桓青团队利用TPS第三代同步辐射光源进行小角度X射线散射(SAXS)实验,探测完整木材中微纤丝的内部结构,发现其中心核区为结晶区,壳层则为半结晶区。先前的研究认为高Q值的散射信号来自整束微纤丝,但戴桓青团队与台湾大学曹正熙教授合作发现,散射信号其实来自结晶核区,通过拟合可求出核区的条链数。同时,戴桓青团队与台湾大学陈振中教授合作,开发出新颖的GIFTED (Global Iterative Fitting of T-Edited Decay)固体核磁共振技术,可测出完整木材中核区与壳层的条链比例。借此可推算出整体微纤丝的条链数为24条,推翻了许多教科书上所写的36条链假说。

近期也有专家研究认为纤维素合成酶制造的微纤丝只有18条链,后来经过结晶融合变粗,宽度或许接近24条链。按此假说,木材经过千年老化,半纤维素分解后,融合程度应会增加,晶粒宽度也会增加。戴桓青教授通过对合作者搜集到的一批古琴木材样本进行分析发现,木材经历500-2000年的自然老化,在同步辐射光源探测下,并未发现融合现象,反而发现了聚集现象且晶粒宽度不变。由此推知,新木材的微纤丝并非处于融合状态,每束微纤丝分离独立,具备24条链核壳结构,这一现象在裸子植物与被子植物中皆是如此。此研究成果解答了木材研究百年来的纤维素结构难题,对于木材与纤维素资源的可持续利用,具有重大意义。

唐代斫琴名家雷氏曾提出“选材良,用意深,五百年,有正音”。后人只知唐宋古琴音色圆润清丽,却并不了解为何木材老化如何改进音质。此研究发现古琴木材经过千年老化,微纤丝重新排列形成二聚体,这是新木材不具备的结构特征,因此振动与音响性质也不同,因此,该研究也意外解开了唐宋古琴的千年之谜,彰显出非遗古琴文化是我国古代知识分子的智慧与经验结晶。

该研究以“Wood cellulose microfibrils have a 24-chain core-shell nanostructure in seed plants”为题发表于国际知名期刊Nature Plants。威廉体育戴桓青教授为第一作者和通讯作者,台湾大学材料系曹正熙教授与化学系陈振中教授为共同通讯作者,威廉体育为成果的第一完成单位。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41477-023-01430-z

(神经与衰老相关疾病课题组)

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