^(13)C同位素示踪法研究木素与纤维素连接键的形成

经润胀处理后的微晶纤维素,在β-葡萄糖甙酶、葡萄糖氧化酶及过氧化物酶存在下,与松柏醇葡萄糖甙发生聚和反应得到木素-纤维素复合体(DHPCC)。用高分辨率CP/MAS13C-NMR分析常规DHPCC和侧链α位被13C标记的DHPCC-13C时发现,DHPCC中木素结构单元以-βO-4、β-β、β-5和β-1方式连接为主,还含有少量的松柏醇结构和肉桂醇结构;DHPCC中木素与纤维素之间以苯甲醚键、苯甲酯键及缩醛键连接,其中,缩醛键与酯键可能为主要的连接方式。

纤维素前驱物6-^(13)C标记示踪研究纤维素与木质素连接方式

从细胞壁多糖的角度分析糖单元与木质素苯丙烷结构单元之间的共价键连接方式,合成了带6-13C标记的纤维素前驱物尿苷二磷酸葡萄糖,并将其与苯丙氨酸解氨酶(PAL)的抑制剂L-2-氨氧基-3-苯基丙酸(AOPP)及外源性木质素前驱物松柏醇-β-D-葡萄糖苷一起投入生长中的银杏植物体内,分析结果证明了(6-13C)尿苷二磷酸葡萄糖是对植物中纤维素进行选择性13C标记的合适的前驱物。从正常生长的银杏新生木质部组织提取木质素-碳水化合物复合体(LCC),并用纤维素酶和半纤维素酶酶解LCC得LCC酶解产物(EDLCC)。红外光谱及13C NMR检测LCC和EDLCC,分析证实了纤维素6位碳与木质素以苯甲醚键方式连接。

用-(13)C示踪研究CO_2浓度倍增对枸杞光合产物积累的影响

CO2作为光合作用的底物,其浓度的高低直接影响植物光合作用能力的大小,为探究近年来大气CO2浓度升高对宁夏枸杞光合产物的影响,应用碳同位素示踪技术与开顶气室法,测定分析2种CO2浓度(倍增浓度(720±20)μmol/mol;对照(360±20)μmol/mol)处理下宁夏枸杞苗木各器官中光合产物积累与分配的差异。结果表明:CO2浓度倍增处理下,宁夏枸杞叶片净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度、水分利用效率均明显高于对照;在速生期,叶片蒸腾速率较对照显著降低,在生长后期没有差异。CO2浓度倍增处理下,未进行标记的宁夏枸杞各个器官的13C自然丰度值相对于对照均有不同程度的下降。13C标记90 d时,对宁夏枸杞各器官在24 h、48 h和7 d的δ13C值进行测定,并与未标记之前的δ13C值比较发现宁夏枸杞叶片δ13C值在24 h最大,根和茎δ13C值在标记结束后48 h最大,之后开始下降,根部δ13C值下降的幅度较小,光合产物总体呈现的是叶向茎,再向根部转移的规律。在CO2浓度倍增处理90和120 d时,宁夏枸杞δ13C值在枸杞根、茎和叶中均有不同程度的升高。处理90 d时δ13C值较对照增加的百分比分别为茎(65.53%)>根(27.39%)>叶(18.05%),120 d时为果实(145.04%)>叶(143.56%)>根(49.96%)>茎(43.26%)。因此大气CO2浓度倍增,增强了宁夏枸杞的光合能力,增加了光合产物在各器官中的积累,在速生期光合产物在茎中的增加比例最大,而生长后期则在果实和叶中的增加比例较大。

^(13)C同位素标记法研究木质素与木聚糖的连接

以带13C标记的松柏醇葡萄糖苷作为木质素的前驱物,在β-葡萄糖苷酶、葡萄糖氧化酶、过氧化物酶的酶体系中,向木聚糖胶体中滴加松柏醇葡萄糖苷的溶液,得到木质素脱氢聚合物(DHP)与木聚糖的复合体,并用FT-IR、13CNMR对DHP-木聚糖复合体(DHPXC)进行分析。结果表明,DHPXC中,木质素结构单元之间主要通过β-O-4、β-β、β-5和β-1方式连接,而木质素与木聚糖之间可能通过苯甲酯键和苯甲醚键相连。

果胶-木素复合体化学结构^(13)C同位素示踪法的研究

在果胶存在的条件下,以侧链α位带13C同位素标记的松柏醇葡萄糖甙为木素前驱物,在实验室条件下模拟了植物体内木素在细胞壁的沉积过程中木素-果胶复合体的生物合成过程,得到了带13C同位素标记的果胶-脱氢聚合物复合体(PDHPC)。对果胶-脱氢聚合物复合体在果胶酶的作用下,除去了与木素单体没有化学连接的游离的果胶,得到了果胶-脱氢聚合物复合体水不溶部分和水溶部分,对水溶部分进行了凝胶穿透色谱分离,得到水溶LCC(简称PDHPI-WS),并且对分离产物进行了高分辨率液体13C-NMR测试。上述实验的分析结果表明:在果胶存在下,木素脱氢聚合物(DHP)生成过程中与果胶之间主要以酯键和苯甲醚键的形式连接,此外还有少量以缩醛键的方式结合,生成的木素主要以β-O-4,β-β,β-5,β-1,α-O-4为主,其中松柏醇/醛结构含量也很高,另外还存在少量香草醛结构及α位带亚甲基的苯丙烷结构。

木素脱氢聚合物-葡萄糖复合体形成机理的研究

为阐明植物纤维细胞壁中木素与聚葡萄糖化学键的连接,本研究探讨了在(6-13C)葡萄糖和纤维二糖的存在下,松柏醇葡萄糖苷的过氧化物酶催化脱氢聚合过程中与碳水化合物之间化学键的形成。研究发现,木素脱氢聚合物(DHP)能与(6-13C)葡萄糖形成DHP-(6-13C)葡萄糖的聚合物,核磁共振碳谱(13C NMR)分析结果表明,葡萄糖C6位上的碳与木素结构单元以苯甲醚键连接。此外,研究还发现,木素前驱物与纤维二糖之间发生了共聚,得到了DHP-纤维二糖的复合体,13C NMR分析结果表明,纤维二糖与DHP之间可能存在苯甲醚键、苯甲酯键和α-缩醛键等化学键的连接。

茶树对可溶性有机和无机态氮的吸收与运转特性

【目的】揭示亚热带茶树能否直接吸收利用分子态可溶性有机氮,探讨茶树吸收可溶性有机和无机氮后的运转特性差异。【方法】采用^(13)C、^(15)N双标记甘氨酸、^(15)N标记硫酸铵和^(15)N标记硝酸钾为同位素示踪剂,采用茶树(黄金桂)幼苗为试验材料进行同位素示踪盆栽试验,用同位素质谱仪测定茶树植株地上和地下部的^(13)C、^(15)N丰度。【结果】供试土壤施用^(13)C、^(15)N双标记甘氨酸态有机氮后,2 h和6 h茶苗地下部和整株中的^(13)C增量/^(15)N增量比值均接近于1∶1的理论值;2 h和6 h茶苗地上部未检出^(13)C增量,而72 h地上部^(13)C增量达0.284μmol/(g,DW);施用铵态氮2 h、6 h和72 h茶苗地下部、地上部和整株中的^(15)N增量均极显著高于施用硝态氮和甘氨酸态有机氮;施用铵态氮6 h茶苗地上部^(15)N增量/地下部^(15)N增量比率分别比硝态氮和甘氨酸态有机氮的比率高34.7%和65.0%,72 h茶苗地上部^(15)N增量/地下^(15)N增量比率分别比硝态氮和甘氨酸态有机氮的比率高88.6%和133.0%,差异均达极显著水平。【结论】黄金桂茶苗具有从土壤中直接吸收利用甘氨酸分子态有机氮的能力,但吸收量不及铵态氮和硝态氮;吸收的可溶性分子态有机氮可以从茶树根系运转至地上部;不同形态氮素在茶树植株体内的迁移能力高低表现为:铵态氮>硝态氮>甘氨酸态氮,该研究结果进一步证明陆地生态系统植物直接吸收利用可溶性有机氮是普遍存在的现象。

^(13)C同位素标记法研究硫酸盐木素结构

向生长中的银杏(Ginkgo biloba L.)植物体内投入在侧链α位被13C标记的木素前驱物松柏醇葡萄糖苷,得到13C标记的银杏木素,分别收集13C标记的木素所在的银杏木质部组织,模拟硫酸盐法蒸煮,对蒸煮得到的黑液进行酸化,得到13C标记的硫酸盐木素。用红外光谱和13C-NMR对其结构进行分析,发现硫酸盐木素中含有少量的碳水化合物,并以苯甲醚键的形式与木素连接。木素结构单元之间主要通过β-β、β-O-4、β-1的形式连接,苯丙烷结构单元的侧链含有一定量的双键结构,此外,还含有一定量的香兰素、松柏醇结构,少量的松柏醛、苯基香豆满结构。

植物细胞壁中甘露糖单元与木质素间化学键连接的研究

从甘露糖单元的角度分析半纤维素中糖单元与木质素苯丙烷结构单元之间的连接方式,从而阐明裸子植物中木质素-碳水化合物复合体(LCC)的木质素与半纤维素之间的相互关系。为了使生长中的植物细胞壁甘露糖单元上的碳原子被13C同位素示踪并抑制甘露糖向木质素转化,将带D-13C6-甘露糖、外源性木质素前驱物松伯醇-β-D-葡萄糖苷以及苯丙氨酸解氨酶的抑制剂AOPP一起投入到银杏(Ginkgo biloba L.)植株中。结果表明,新生木质部的LCC中甘露糖单元被13C同位素标记,而且对银杏的正常代谢没有明显的影响。从带13C标记的新生木质部组织提取LCC,并用纤维素酶和半纤维素酶酶解LCC得酶解LCC(EDLCC)。用FT-IR及13C NMR分析LCC和EDLCC,结果证明半纤维素中的甘露糖C-6位与木质素侧链的α-C以苯甲醚键方式连接。

适宜套作玉米品种的物质积累与分配特性

为明确适宜套作玉米品种的干物质积累分配特性,以套作减产率较高的玉米品种(珍禾玉1号、众望玉18)、套作减产率较低的玉米品种(荣玉1210)为试验材料,设置套作和单作两种种植模式,利用13C同位素示踪法,研究适宜套作玉米品种在套作模式下的产量及产量构成、干物质积累与分配特点。结果表明,套作减产率较高的玉米品种在套作与单作条件下的产量差异达显著水平,两年平均减产率为20.40%,而套作减产率较低的玉米品种产量在两种模式下产量差异不显著。套作减产率较高的玉米品种在套作条件下的花后干物质同化量和收获指数与单作相比分别下降了21.18%、11.24%,而套作减产率较低的玉米品种在套作模式下的花后干物质同化量和收获指数较单作分别提高了48.14%、2.42%。两类品种在套作条件下宽行穗位叶13C向穗分配比例较窄行高5.96%,向茎秆和穗位叶的分配分别减少5.01%、0.13%,套作减产率较低的玉米品种窄行穗位叶13C向穗的转移率比套作减产率较高的玉米高10.90%,但向茎秆的转移率降低了8.98%。因此,与单作相比,两类品种在套作条件下,套作减产率较低的玉米品种能够维持较高的花后干物质积累量,光合产物向籽粒的分配比例提高,收获指数增加,且套作大豆产量显著提高,实现了套作双高产的目标。本研究结果为筛选与培育适宜套作玉米品种提供了理论依据。

干湿交替灌溉对水稻花后同化物转运和籽粒灌浆的影响

为阐明干湿交替灌溉对水稻花后同化物转运和籽粒灌浆的影响及其生理原因,大田种植扬两优6号、武运粳24和旱优8号3个水稻品种,自移栽后10 d起,设置常规灌溉(CI)、轻干-湿交替灌溉(WMD)和重干-湿交替灌溉(WSD)3种灌溉模式,观察产量及构成因素、强弱势粒灌浆动态、籽粒中酶活性变化、剑叶光合性能、茎鞘非结构性碳水化合物(NSC)运转及其淀粉水解酶活性变化,并利用^(13)C同位素示踪茎鞘物质运转动态。结果表明,与CI相比,WMD显著增加了3个水稻品种的每穗粒数、千粒重和结实率,进而提高籽粒产量。WMD显著提高千粒重和结实率的主要原因是促进了弱势粒的灌浆。WMD和WSD显著增强了茎鞘α-淀粉酶和β-淀粉酶活性,促进同化物质再运转与分配,提高茎鞘储藏物质对粒重的贡献率。其中WMD提高了剑叶光合性能以及增强了水稻弱势粒中蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性,WSD的作用相反。表明较好的叶片性能、花后茎中较多的同化物向籽粒转运、较高的茎鞘淀粉水解酶活性以及弱势粒中较高的糖代谢酶活性是WMD促进弱势粒灌浆的重要生理原因。

^(13)C标记法用于硫酸盐法蒸煮浆中残余木素结构的研究

向生长中的银杏(Ginkgo biloba L.)植物体内投入在侧链α位被13C标记的木素前驱物松柏醇葡萄糖甙,得到13C标记的银杏木素,收集13C标记木素所在银杏木质部组织,模拟硫酸盐法蒸煮,对蒸煮得到的浆料进行酶降解处理得到13C标记浆中残余木素,用红外光谱和13C-NMR对其结构进行分析,发现浆料残余木素结构单元之间主要通过β-5方式连接,还有一定量以β-O-4的形式连接;此外,还含有大量的阿魏酸和松柏醇结构,含有少量的香草醛结构。