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(P0.05)。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(P0.05)。(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(P0.05)。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 m~2·g~(-1),1.7247 m~2·g~(-1)和0.7141 m~2·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(P0.05)。(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(P0.05),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(P0.05),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I_(1507)/I_(1382),I_(1507)/I_(895)显著减小(P0.05),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(P0.01),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P0.05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(P0.05)。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(P0.05)。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(P0.05)。(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。
【学位单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S792.11
【部分图文】：
图 1-1 木质素生物合成途径（王雪霞等，2008）Fig. 1-1 Lignin biosynthetic pathway已有研究表明 C3H 和 HCT 基因的下调会降低木质素并引起其单体含量的变化，进而引起化学组分的变化，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。因此，本研究采用 C3H 和 HCT 基因表达下调的银腺杨无性系 84K 作为实验材料。研究两个转基因株系木材细胞壁的结构特性（包括构造特征和化学组分）及性能，重点研究两种转基因杨的微观构造、化学组分、细胞壁密度和细胞壁力学性能的变化规律。本论文的目的是通过研究以上性质，探明转基因杨木化学组分变化对微观构造、细胞壁密度和细胞壁力学性能的影响，同时比较 C3H 基因HCT 基因分别下调对杨树木材构造和性能的影响效果。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。
H RNAi 和 HCT RNAi 转基因杨木为研究对转基因杨木生长特征、胞壁率、单位面积84K（Populus alba×P.glandulosa cv`84k'）的温度 22 ℃，每天光照 16 小时，黑暗 8 小时每天浇水，自然生长 6 个月。C3H 和 HCT 54%和 37%。银腺杨无性系 84K 于上个世材质好等优良性状。图 2-1 为本论文实验月后，植株高度约为 1.3 m，直径约为 5.5
对照组和两种转基因植株各 5 株，共 15 株。植株长出树叶在茎上形成节，节和部分称为节间（图 2-2）。一般来说，杨木生长到 3-4 个节间的时候，就会产生部（Robischon et al., 2011），本论文所采用材料在第 9 节间以下的木材已充分木生木质部占到主体地位（如图 2-2），因此本论文从树梢往下第 9 节间开始取样傅立叶红外光谱（FTIR）样品（9-10 节间）、乙酰溴法测木质素含量样品（11-、X 射线光电子能谱分析（XPS）样品（13-14 节间）、光学显微镜观察解剖性质5 节间）、扫描电镜观察（SEM）样品（16 节间）、纳米压痕样品（17-18 节间）、分析法样品（19-23 节间）、氮气吸附法测孔隙结构（NAD）样品（24-27 节间衍射法（XRD）样品（28-31 节间）、排水法测基本密度样品（32-36 节间）和二振法（2D HSQC NMR）与热解-气相色谱/质谱联用（Py-GC/MS）样品（剩余取样过程如图 2-2。
【参考文献】
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本文编号：
2843424
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