近日，湖北工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與健康工程學(xué)院彭良才教授團(tuán)隊(duì)在自然科學(xué)綜合學(xué)術(shù)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(xì)胞壁雙重調(diào)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(shù)對(duì)植物細(xì)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(xué)催化進(jìn)行了觀察表征，解析了纖維素非結(jié)晶區(qū)是生物酶解與化學(xué)催化的起始點(diǎn)，不僅決定生物質(zhì)的降解和納米材料的制備，亦是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育、機(jī)械強(qiáng)度和抗逆性的關(guān)鍵因子，如何平衡兩者的矛盾關(guān)系對(duì)先進(jìn)生物質(zhì)的發(fā)展和利用有著重要意義。

該研究篩選了兩類過表達(dá)OsCESA5和AtCESA7的轉(zhuǎn)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(xì)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(zhuǎn)基因材料生長(zhǎng)發(fā)育正常和種子產(chǎn)量未受影響，但其秸稈生物質(zhì)量和機(jī)械強(qiáng)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(zhuǎn)基因株系初生和次生細(xì)胞壁的比例呈相反差異，導(dǎo)致OsA5纖維素結(jié)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(dǎo)致細(xì)胞壁自組裝的CNFs平均長(zhǎng)度顯著變短（98 nm），而OsA5的非晶體的間隔頻率降低，且CNFs長(zhǎng)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(zhǎng)的CNCs，致使OsA5和AtA7納米晶材料在特定溫度下產(chǎn)生相反的熱穩(wěn)定性能。因此，本研究提出了一個(gè)全新假設(shè)模型，旨在闡明植物初生細(xì)胞壁生物合成調(diào)控次生細(xì)胞壁形成的分子機(jī)理以及纖維素非晶體區(qū)形成細(xì)胞壁“溝槽”結(jié)構(gòu)如何決定CNFs體內(nèi)組裝和體外CNCs化學(xué)催化的機(jī)制，為生物質(zhì)綠色、高效、高值、綜合利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

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

湖北工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與健康工程學(xué)院彭良才教授、王艷婷教授和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院豐勝求副教授為本文通訊作者，艾遠(yuǎn)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(xué)農(nóng)學(xué)院張冉副研究員，以及孫夢(mèng)丹碩士等參與了部分研究工作。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（32170268、32101701）、湖北省自然科學(xué)基金杰出青年基金（2024AFA100）、高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃（BP0820035、D17009）和湖北工業(yè)大學(xué)高層次人才專項(xiàng)資金（GCC20230001）的支持。

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

《Science Bulletin》（《科學(xué)通報(bào)》英文版）創(chuàng)刊于1966年，是由中國(guó)科學(xué)院（CAS）主管，中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（NSFC）共同主辦的自然科學(xué)綜合性學(xué)術(shù)期刊，該刊最新影響因子為18.9?！禨cience Bulletin》以快速發(fā)表自然科學(xué)與技術(shù)各領(lǐng)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(duì)熱點(diǎn)科學(xué)問題的報(bào)道和評(píng)論為己任，致力于提升發(fā)文品質(zhì)，增強(qiáng)國(guó)際影響力，使其報(bào)道內(nèi)涵與我國(guó)科學(xué)發(fā)展態(tài)勢(shì)與水平相適應(yīng)，成為國(guó)際同類的知名品牌，促進(jìn)我國(guó)乃至世界科學(xué)技術(shù)的傳播、交叉與進(jìn)步。

責(zé)任編輯：陳凌

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