同位素示踪法研究植物细胞壁多糖与木素间化学键的连接及其生物降解机理

植物细胞壁多糖与木素之间通过化学键连接而形成木素-碳水化合物复合体(LCC),LCC结构阻碍了制浆和漂白过程中木素的脱除。但人们对LCC中多糖结构了解得比较少，目前用于纸浆漂白的多糖水解酶尚不能对LCC连接键进行选择性的降解。本研究采用带13C同位素标记的多糖生物合成的前驱物对植物细胞壁中的多糖进行同位素示踪，阐明LCC的形成机理,并分离得到糖单元上特定碳原子被13C标记的LCC，用13C-NMR等方法分析LCC中各种连接键的形式及其所占比例，同时证明LCC中哪种糖单元、哪个碳原子与木素大分子之间存在化学键连接，从而阐明LCC大分子的整体化学结构。在此基础上，深入研究使用多糖水解酶的漂白过程中LCC结构的变化规律，尤其是LCC 中木素和多糖之间的连接键的断裂机理，从而清晰地说明酶对LCC的作用规律，筛选出对LCC连接键有选择性降解作用的酶,为建立生物漂白新技术提供新理论和新方法。

植物细胞壁多糖与木素之间通过化学键连接而形成木素-碳水化合物复合体(LCC)。但人们对LCC中多糖结构了解得比较少。本研究重点研究4种具有代表性的细胞壁多糖与木素之间的连接方式。（1）从纤维素的角度分析葡萄糖结构单元与木素之间的连接方式，将6-13C标记的纤维素前驱物尿苷二磷酸葡萄糖与PAL酶的抑制剂AOPP及外源性木素前驱物松柏醇葡萄糖苷一起投入生长中的银杏植物体内。碳-13丰度检测得知纤维素在细胞壁的沉积主要是从初生壁开始。从银杏新生木质部组织提取木素-碳水化合物复合体（LCC）,并用纤维素酶和半纤维素酶酶解LCC得EDLCC，分析证实了纤维素葡萄糖单元6位碳与木素以苯甲醚键方式连接。（2）从木聚糖的角度分析木糖结构单元与木素之间的连接方式，将带碳-13 标记的木聚糖前驱物注入到生长中的植物体内，使得植物原料中的木聚糖被同位素所标记，结构分析发现木素与碳水化合物的之间主要以缩醛键和酯键连接为主，另外还有少量的苯甲醚键，与木素相连的碳水化合物主要为C2和C3发生部分乙酰化的4-O-甲基葡萄糖醛酸木聚糖；其中，木素结构主要为β-O-4（占93%）、β-1（占5%）、β-β（占1.7%）、β-5（占0.3%）结构。（3）从果胶角度分析半乳糖醛酸结构单元与木素之间的连接方式，以α-D-半乳糖醛酸和松柏醇葡萄糖苷为起始物，在复合酶的协同作用下，合成出半乳糖醛酸-DHP复合体(GDHPC)，并分别用酶解和碱法对GDHPC 进行处理。结果表明DHP的主要结构单元为β-O-4、β-β、β-5、β-1、松柏醇/醛和少量的香草醛结构，以及Ar-CaH2-和醚化5-5’结构。木素结构单元主要通过α碳与α-D-半乳糖醛酸主要以酯键、缩醛键和苯甲醚键的方式结合。将果胶前驱物α-D-葡萄糖醛酸-13C6注射到水稻中，得到植物体内合成的13C标记的果胶-木质素复合体。13C-NMR结果表明果胶6位碳与木素以酯键的形式连接。（4）从从甘露糖单元的角度分糖与木素之间的连接方式。将带D- 13C6-甘露糖、松伯醇葡萄糖苷以及AOPP一起投入到银杏植株中。通过碳-13丰度检测得知银杏中半纤维素被碳-13同位素成功标记，外源性的D- 13C6-甘露糖聚合沉积主要发生在P层和S1层，没有影响银杏植株的正常生长，甘露糖单元的C1位置和C6位置可能与木素上的α-C以缩醛键和酯键的连接。