近日，湖北工業(yè)大學生命科學與健康工程學院彭良才教授團隊在自然科學綜合學術期刊《Science Bulletin》（IF=18.8）在線發(fā)表了題為：Insights into contrastive cellulose nanofibrils assembly and nanocrystals catalysis from dual regulations of plant cell walls（植物細胞壁雙重調控納米纖維組裝和催化纖維素納米晶形成）的研究論文。該研究利用基因工程，輔助生化解析、原子力顯微鏡等技術對植物細胞壁納米纖維（Cellulose nanofibrils/CNFs）的原位組裝和纖維素納米晶（Cellulose nanocrystals/CNCs）的化學催化進行了觀察表征，解析了纖維素非結晶區(qū)是生物酶解與化學催化的起始點，不僅決定生物質的降解和納米材料的制備，亦是影響植物生長發(fā)育、機械強度和抗逆性的關鍵因子，如何平衡兩者的矛盾關系對先進生物質的發(fā)展和利用有著重要意義。

該研究篩選了兩類過表達OsCESA5和AtCESA7的轉基因水稻株系OsA5和AtA7，分別編碼水稻和擬南芥中參與初生和次生細胞壁纖維素生物合成的兩類纖維素合酶（CESAs）。大田觀察發(fā)現(xiàn)，兩類轉基因材料生長發(fā)育正常和種子產量未受影響，但其秸稈生物質量和機械強度與野生型（WT）呈相反變化。生化解析和透射電鏡觀察顯示，OsA5和AtA7轉基因株系初生和次生細胞壁的比例呈相反差異，導致OsA5纖維素結晶度和聚合度比WT顯著提高6%-13%，而AtA7則降低15%-20%。采用近期建立的原子力顯微鏡方法，觀察到AtA7微纖維表面非晶體區(qū)的間隔頻率增加，導致細胞壁自組裝的CNFs平均長度顯著變短（98 nm），而OsA5的非晶體的間隔頻率降低，且CNFs長度（296 nm）高于WT（236 nm）。利用傳統(tǒng)的64%硫酸或最佳綠色混合酸（硫酸和乙酸）處理粗纖維，AtA7可制備出目前極小的CNCs材料，而OsA5則制備出更長的CNCs，致使OsA5和AtA7納米晶材料在特定溫度下產生相反的熱穩(wěn)定性能。因此，本研究提出了一個全新假設模型，旨在闡明植物初生細胞壁生物合成調控次生細胞壁形成的分子機理以及纖維素非晶體區(qū)形成細胞壁“溝槽”結構如何決定CNFs體內組裝和體外CNCs化學催化的機制，為生物質綠色、高效、高值、綜合利用提供理論依據(jù)和技術支撐。

植物細胞壁基因工程雙重調控納米纖維組裝的理論模型：AtCesA7和OsCesA5過表達特異調節(jié)初生壁PCW合成與次生壁SCW形成，從而動態(tài)調控體內CNFs的組裝和體外CNCs的制備，即纖維素非結晶區(qū)（amorphous）的頻率反射CNFs平均長度，決定酸性（H+）催化下CNCs的形成。

湖北工業(yè)大學生命科學與健康工程學院彭良才教授、王艷婷教授和華中農業(yè)大學植物科學技術學院豐勝求副教授為本文通訊作者，艾遠航博士和王海浪博士生為共同第一作者，青年教師劉鵬博士、余華博士、云南大學農學院張冉副研究員，以及孫夢丹碩士等參與了部分研究工作。該研究得到國家自然科學基金（32170268、32101701）、湖北省自然科學基金杰出青年基金（2024AFA100）、高等學校學科創(chuàng)新引智計劃（BP0820035、D17009）和湖北工業(yè)大學高層次人才專項資金（GCC20230001）的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.06.013

《Science Bulletin》（《科學通報》英文版）創(chuàng)刊于1966年，是由中國科學院（CAS）主管，中國科學院、國家自然科學基金委員會（NSFC）共同主辦的自然科學綜合性學術期刊，該刊最新影響因子為18.9。《Science Bulletin》以快速發(fā)表自然科學與技術各領域的原創(chuàng)性研究成果、有洞察力的綜述、前瞻性展望以及對熱點科學問題的報道和評論為己任，致力于提升發(fā)文品質，增強國際影響力，使其報道內涵與我國科學發(fā)展態(tài)勢與水平相適應，成為國際同類的知名品牌，促進我國乃至世界科學技術的傳播、交叉與進步。

責任編輯：陳凌

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網址: 我校彭良才團隊揭示細胞壁基因工程 雙重調控植物納米纖維組裝的新機制 http://m.u1s5d6.cn/newsview382818.html