客观日本

东京农工大学解密加工性优异的红桑树

2020年02月25日 农林牧渔

东京农工大学的梶田真也教授带领的研究团队查清了在北海道奥尻岛发现的野生桑树——赤木桑(Morus yoshimurae Hotta)形成鲜艳红色的机制。赤木桑不仅具有颜色鲜红的特点,与普通木材相比还更容易分离成分,适合用来制造化学纸浆、燃料以及化学产品。此次的研究成果将为桑木材开辟新的用途,同时还有望应用于其他树种。

研究背景

大约从5000年前中国开始养蚕,日本约2000年前从中国导入养蚕。之后,日本各地培育出了很多独有的桑树品种。农研机构位于茨城县筑波市的农场等,日本各地仍保存栽培着数百个桑树品种。

赤木桑(图1)是1912年在北海道奥尻岛发现的野生桑树品种,夏季为生长期,树干和树枝会形成鲜艳的红色(图2)。

东京农工大学解密加工性优异的红桑树

图1:农场种植的赤木桑

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图2:剥开表皮后的赤木桑枝(右),左为普通品种

研究成果

研究团队首先从赤木桑中检测出了具有茚骨架的特殊化合物。这种化合物源自桑树木材中约含20%的芳香族高分子木质素,研究团队推测,赤木桑的木质素拥有特殊的结构。研究团队从赤木桑中分离出了这种木质素,并利用核磁共振波谱法调查了其分子结构,发现赤木桑的木质素中有大量的肉桂醛类物质,也就是上述茚骨架的来源。

研究团队利用新一代测序仪对赤木桑和普通桑树品种的基因组DNA进行解码,确定了CAD基因的所有碱基序列。研究发现,在普通品种中正常的CAD基因,在赤木桑中因插入了一个碱基而被完全破坏。普通品种在CAD的作用下会合成肉桂醇类物质,这些物质聚合生成木质素。但在赤木桑中,由于CAD基因被破坏,无法合成足够量的肉桂醇类物质,肉桂醛类物质作为其代替物质聚合,由此木质素的结构发生变化(图3)。

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图3:木质素的合成路径及木质素的构造

木质素获取肉桂醛类物质后能提高碱基条件下的木质素分解性,有助于提高之后通过酶处理从木材中回收单糖的效率(糖化率)。实际上,用纤维素酶对利用碱溶液进行预处理的木粉进行加水分解后发现,赤木桑的糖化率像预期一样显著提高(图4)。

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图4:桑树木材的酶糖化试验
利用碱溶液进行预处理后,赤木桑木材的糖化率显著提高

论文信息
题目:A century-old mystery unveiled: Sekizaisou is a natural lignin mutant
期刊:《Plant Physiology》
URL:http://www.plantphysiol.org/content/early/2020/02/12/pp.19.01467

日文发布全文

文:JST客观日本编辑部编译

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