C3H和HCT下调转基因杨树木材细胞壁结构与性能研究

摘要

前人研究表明C3H（香豆酰莽草酸/奎宁酸羟化酶）和HCT（莽草酸/奎宁酸羟基肉桂酰转移酶）基因的下调会降低木质素并引起其单体含量的变化，但是化学组分改变对转基因杨木构造和物理力学性能的影响以及两个基因的影响效果差异仍不清晰。本论文以银腺杨无性系84K（Populus alba×P.glandulosa cv'84k'）非转基因、C3H RNAi转基因和HCT RNAi转基因一年生植株为研究对象，利用光学显微镜测量、氮气吸附法(NAD)、X射线衍射法(XRD)、乙酰溴法、二维核磁共振法(2D HSQC NMR)和纳米压痕技术等材料结构与性能表征方法，重点研究转C3H和HCT基因杨木微观构造、化学组分、细胞壁密度和细胞壁力学性能变化规律，揭示C3H基因和HCT基因下调杨木细胞壁结构（包括构造特征和化学组分）变化对其性能的影响机制，并对两个基因对构造和性能的影响效果进行对比分析，为转C3H基因杨木和转HCT基因杨木性质的早期评价提供基础数据。
　　本论文试验条件下得出的主要结论如下:
　　(1)转基因杨木生长特征和单位面积导管数量。转C3H基因和转HCT基因杨木的树木生长均受到了抑制，主要表现为转C3H基因杨木和转HCT基因杨木直径分别减小9.6％和8.3％，差异显著（P＜0.05）。转C3H基因杨木和转HCT基因杨木的单位面积导管数量分别减少了6.5％和5.2％，差异显著（P＜0.05）。
　　(2)转基因杨木胞壁率和孔隙结构。非转基因杨木，转C3H基因杨木和转HCT基因杨木的胞壁率分别为40.27％，45.10％和43.71％，转C3H基因杨木增大12.0％，转HCT基因杨木增大8.5％，差异显著(P＜0.05)。非转基因杨木，转C3H基因杨木和转HCT基因杨木BET比表面积分别为0.6266 m2·g-1，1.7247 m2·g-1和0.7141 m2·g-1，转C3H基因杨木和转HCT基因杨木的BET比表面积较非转基因植株均显著增加(P＜0.05)。
　　(3)转基因杨木纤维素结晶结构。转C3H基因和转HCT基因杨木纤维素结晶度均显著增加(P＜0.05)，分别增加18.5％和16.1％。转C3H基因和转HCT基因杨木纤维素微晶宽也显著增大（P＜0.05），分别增大7.5％和6.4％。
　　(4)转基因杨木化学组分。采用傅立叶红外光谱法初步分析发现转C3H基因杨木和转HCT基因杨木的特征峰高比值I1507/I1382，I1507/I895显著减小(P＜0.05)，表明其木质素含量降低。进一步采用乙酰溴法对转基因杨木木质素含量进行重点分析，得出转C3H基因杨木和转HCT杨木木质素含量均发生了极显著的降低（P＜0.01），其中转C3H基因杨木木质素含量由21.11％降至14.80％，转HCT基因杨木木质素含量则由21.11％降至16.82％。最后采用单糖组分分析法分析主要化学组分含量，除了发现转C3H基因杨木和转HCT基因杨木木质素含量均降低外，转HCT基因杨木的木糖含量增加，转C3H基因杨木和转HCT基因杨木的甘露糖含量均降低了17.2％，转C3H基因杨木的半乳糖含量增加，而转HCT基因杨木其含量降低，转C3H基因杨木的葡萄糖含量下降而纤维素含量增加，以上变化均在P＜0.05水平差异显著。
　　(5)转基因杨木木质素结构和单体比例。在非转基因杨木、转C3H基因杨木和转HCT基因杨木木质素中均包含β-O-4'、β-β'、β-1'、β-5'、对-羟基肉桂醇末端基、紫丁香基单元、愈创木基单元、对-羟苯基单元、对-羟基苯甲酯结构和阿魏酸酯结构。在C3H基因和HCT基因下调的转C3H基因杨木和转HCT基因杨木中与G单元相连的β-O-4相对量减少。转C3H基因杨木S单体和H单体含量增加、G单体含量降低、S/G值增加，而转HCT基因杨木S单体含量降低、G单体含量增加、S/G值减小。
　　(6)转基因杨木细胞壁基本密度和纳米压痕力学性能。非转基因杨木、转C3H基因杨木和转HCT基因杨木细胞壁基本密度分别为0.688 g·cm-3，0.579 g·cm-3和0.650 g·cm-3，转C3H基因杨木和转HCT基因杨木的木材细胞壁基本密度均显著减小(P＜0.05)。未被树脂渗透的非转基因杨木、转C3H基因杨木和转HCT基因杨木木纤维纵向弹性模量分别为16.04 GPa，16.99 GPa和17.18 GPa; C3H基因和HCT基因下调的两种杨木木纤维次生壁纵向弹性模量分别增大5.9％和7.1％，差异显著(P＜0.05)。未被树脂渗透的非转基因杨木、转C3H基因杨木和转HCT基因杨木木纤维次生壁纵向硬度分别为0.528 GPa，0.474 GPa和0.527 GPa，转C3H基因杨木和转HCT基因杨木木材木纤维次生壁纵向硬度均减小，其中转C3H杨木降低较显著(P＜0.05)。
　　(7)杨木细胞壁结构对细胞壁基本密度和力学性能的影响。转C3H基因杨木和转HCT基因杨木细胞壁基本密度减小的主要原因是细胞壁孔隙结构的增加和木质素含量的降低，相关系数分别为-0.9614和0.9295。转C3H基因杨木和转HCT基因杨木细胞壁纵向弹性模量随着纤维素结晶度、微晶宽和综纤维素含量的增加而增加，相关系数分别为0.9624、0.9566和0.9207。一年生杨木细胞壁硬度与BET比表面积密切负相关，相关系数为-0.9714，而与细胞壁基本密度密切正相关，相关系数达到0.9446，转C3H基因和转HCT基因杨木细胞壁硬度的降低主要是由BET比表面积的增大和细胞壁基本密度的减小引起的。
　　(8)转C3H基因杨木和转HCT基因杨木性能对比。转C3H基因杨木较转HCT基因杨木胞壁率大、比表面积可及性大、纤维素含量高、木质素含量降低多、S/G值大，预示着在后期成材的利用中，转C3H转基因杨木较转HCT基因杨木可能更适合用于制取纤维素材料和生物质能源。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 木材形成与基因工程

1．2．2 基因改良对木材化学组成的影响

1．2．3 基因改良对木材构造的影响

1．2．4 基因改良对木材物理力学性能的影响

1．3 研究内容和重点解决的问题

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究的主要内容

1．3．3 重点解决的问题

1．4 技术路线

第二章 转基因杨木生长和构造特征

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 试验材料

2．2．2 试验方法

2．3 结果与分析

2．3．1 植株高度、地径和节间数

2．3．2 单位面积导管数

2．3．3 横切面胞壁率

2．4 讨论

2．5 小结

第三章 转基因杨木纳米孔隙结构和纤维素结晶结构

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 试验材料

3．2．2 试验方法

3．3 结果与分析

3．3．1 纳米孔隙结构

3．3．2 纤维素结晶结构

3．4 讨论

3．5 小结

第四章 转基因杨木化学组分

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 试验材料

4．2．2 试验方法

4．3 结果与分析

4．3．1 红外光谱法分析木质素含量变化

4．3．2 X射线光电子能谱分析木质素含量变化

4．3．3 乙酰溴法木质素含量

4．3．4 单糖组分分析

4．4 讨论

4．5 小结

第五章 转基因杨木木质素结构和单体比例

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 试验材料

5．2．2 试验方法

5．3 结果与分析

5．3．1 木质素二维核磁共振分析

5．3．2 木质素热解-气相色谱／质谱分析

5．4 讨论

5．5 小结

第六章 转基因杨木木材密度和细胞壁力学性能

6．1 引言

6．2 材料与方法

6．2．1 试验材料

6．2．2 试验方法

6．3 结果与分析

6．3．1 基本密度(BD)和细胞壁基本密度

6．3．2 细胞壁力学性能

6．4 讨论

6．5 小结

第七章 转基因杨木细胞壁结构对性能的影响

7．1 引言

7．2．1 研究材料

7．2．2 研究方法

7．3 结果与分析

7．4 小结

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 展望与建议

参考文献

导师简介

在读期间的学术研究

致谢