木質纖維素生物質是一種可再生的有機碳資源，將成為可持續生物煉製的主要原料用於生產生物燃料、化學品和材料。這些生物煉製需要滿足全球對提高能源利用率和減少排放的雙重需求。高粱、芒草和柳枝稷等草類由於其較高的光合效率和在一系列環境條件下生長的能力，有望成為專用的生物能源作物。然而，由大部分木質纖維素生物質構成的植物細胞壁通過進化已經為植物提供許多關鍵功能，包括保護植物免受食草動物和病原的侵害。目前研究關於細胞壁成分之間的網絡和相互作用，還有大量的信息有待闡明。對於草類來說，因為細胞壁的可消化性/不可消化性是決定它們在生物能源、動物飼料和人類健康方面應用的一個關鍵特徵。而高度緻密的細胞壁結構阻礙了有效地將植物細胞壁分解成簡單的單體。在分子水平上提高對完整的草類植物細胞壁結構的理解，將為解析草類植物細胞壁結構緻密提供關鍵的見解。
近日，Nature Communications 在線發表了美國聯合生物能源研究所Jenny C. Mortimer團隊題為「A grass-specific cellulose–xylan interaction dominates in sorghum secondary cell walls」的論文，作者通過多維角度利用固體核磁共振分析高粱次生細胞壁發現，由於密集的阿拉伯糖基取代，高粱次生細胞壁木聚糖主要以三重螺旋構象存在，與纖維素非常接近，高粱次生細胞壁呈現出比雙子葉植物高的無定形和結晶纖維素比例。同時作者提出了一個由三重螺旋木聚糖和無定形纖維素相互作用控制的高粱細胞壁結構模型，這項工作將在設計低緻密性生物質作物，達到可持續生物經濟的要求方面提供幫助。
為了探索禾本科植物中木聚糖和纖維素的相互作用，作者對高粱進行了多維固體核磁共振分析，以揭示其次生細胞壁的天然結構。結果表明，高粱中大部分木聚糖呈三重螺旋構象，與先前報導的擬南芥和針葉木相比，這種三重螺旋木聚糖表現出相對較高的剛性，並且與較少有序的無定形纖維素非常接近。作者認為高粱木聚糖與纖維素的相互作用主要由三重螺旋構象的木聚糖和無定形纖維素主導，而針葉植物和雙子葉植物中，雙重螺旋構象的木聚糖與結晶纖維素之間存在相互作用。
作者發現，高粱次生壁細胞中無定形纖維素的含量大約是雙子葉模式植物擬南芥的三倍。與雙子葉植物和針葉木的次生細胞壁不同，由於雙重螺旋木聚糖的比例低，草木聚糖-纖維素的相互作用主要是無定形纖維素和三重螺旋木聚糖之間相對弱的相互作用。因此，木聚糖和木質素之間的共價連接，可能對草的細胞壁強度有更大的貢獻。對倒伏等農藝性狀很重要的草類細胞壁強度/連接性可能通過阿魏酸介導的木聚糖相互作用得到增強，並可在未來的高粱工程研究中進行測試。由於木聚糖-木質素的相互作用極大地促進了細胞壁對酶降解的抗拒，因此調節木聚糖和木質素之間的交聯的能力，例如在特定的細胞類型（如葉子），可能是調整高粱以更有效地生產生物能源的重要策略。
該發現為三重螺旋木聚糖和無定形纖維素之間的相互作用提供了直接證據，揭示了高梁次生細胞壁結構中高度取代的草中木聚糖的功能作用。這項工作，對於未來細胞壁設計的遺傳工程方法在改善生物能源，飼料和糧食作物方面提供了理論指導。
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-19837-z
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