应拉木胶质层超微结构和化学成分在纤维细胞壁形成过程中变化规律的研究

The study on the mechanism of high tensile stress generation in tension wood is very important not only for understanding its biological function, also for its utilization in high valued products. As the peculiar structure in wood fibre, the gelatinous layer (G-layer) plays an important role in the generation of high tensile stress in tension wood. On the basis of the preliminary studies, this study will focus on Poplar (Populus spp.) tension wood. Along the fibre cell wall maturation, the ultrastructure change of G-layer will be analyzed by the methods of nitrogen adsorption-desorption, scanning electronic microscopy, transmission electron microscope, atomic force microscopy，X-ray diffraction and synchrotron X-ray diffraction with supercritical dried samples. The chemical composition changes will be analyzed by the microscopic spectrophotometer, infrared spectroscopy and nuclear magnetic resonance spectroscopy. The ultrastructure and chemical composition will also be studied on the isolated G-layer. This research will reveal the relationship between the cytological variation of G-fibres and high tensile stress generation during tension wood maturation, and provide important theoretical basis for the mechanism of tensile stress generation in tension wood. Meanwhile, this study will also provide the biology fundamental research for the efficient processing and utilization of tension wood, as well as for the development of high performance bio-mimetic materials and biological templates.

应拉木高拉伸应力形成机理对于认识其生物学功能以及合理利用具有十分重要的意义，而胶质层作为应拉木纤维细胞特有结构，是影响应拉木高拉伸应力产生的主要因素。本项目在前期研究基础上，选取杨树（Populus spp.）应拉木作为研究对象，以其纤维细胞壁形成过程为主线，对超临界干燥试样采用氮气吸附、扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜、X-射线衍射、同步辐射X-射线衍射等分析方法，从细胞形态角度研究胶质层超微结构变化规律；采用显微分光光度计、傅里叶红外光谱、核磁共振波谱等分析方法，探究胶质层化学成分变化规律；并对单独/独立胶质层的超微结构和化学构成进行研究，以期揭示应拉木形成过程中胶质纤维的细胞学变化规律及其与高拉伸应力产生的关系，为应拉木高拉伸应力形成机理提供重要的理论依据，同时也能为应拉木高效加工利用、定向制备高性能仿生新材料和生物模板等应用提供可靠的生物学基础。

胶质层是许多应拉木树种最典型的细胞结构特征。由于具有特殊的形态构造和化学成分，胶质层在应拉木拉伸应力形成时发挥的作用不容忽视，已成为当前的研究热点。本课题以杨树（Populus spp.）应拉木作为研究对象，以其纤维细胞壁形成过程中胶质层胞壁增厚为研究主线，对应拉木胶质层超微结构变化规律和化学成分变化规律展开研究。项目深入剖析应拉木形成过程中纤维细胞壁的“动态”变化规律，因胶质层出现，与之相邻的细胞壁S2层胞壁厚度先上升再下降，并在成熟区逐渐稳定。通过超声波技术成功将胶质层与相邻其它壁层分离，X-射线衍射研究表明，独立胶质层中具有天然纤维素微晶结构，即纤维素超分子结构二相体系，并含有大量的中孔（孔径在2-50nm之间）和微孔（孔径小于2nm）。胶质层不仅具有凝胶的形貌特征，还具有胶体的结构特性。木质素单元在应拉木纤维细胞壁形成过程中依附于纤维素微纤丝排列，且在应拉木中的平行度优于对应木。而无定形碳水化物（半纤维素和果胶类）的分子取向在应拉木与对应木中截然相反，即在应拉木中，这些分子取向仍沿纤维主轴方向排列，反映出应拉木胶质层形成过程中木葡聚糖或木聚糖分子的逐渐沉积。通过本项目研究，揭示杨木应拉木形成过程中胶质纤维细胞壁的超微结构特征，阐明应拉木胶质纤维细胞壁分子结构变化规律，为应拉木高拉伸应力的形成机理提供重要细胞学数据，同时为高效利用应拉木提供可靠生物学基础。