科學家研究木材的生成過程,開發新的材料運用潛能

作者 | 發布日期 2018 年 07 月 14 日 12:00 | 分類 材料 , 自然科學 follow us in feedly

遠古時期,當植物開始從海中走上陸地,就遇上前所未有的問題。在海中不用擔心水分運輸,但在充滿空氣的環境裡,究竟要怎麼將水運送到葉子呢?為了解決這個問題,植物沒有發展出像渦輪泵或打水系統,而是發展出稱為木質部(xylem)的細管狀構造,利用壓力差讓水沿著根部經由樹幹、莖到枝葉被動運送。我們一般所知道的木材,就包含了木質部構造。



現在,因為顯微技術與分子生物學的進步,科學家開始即時的觀察到木質部以及木材在細胞層次的組成樣貌。他們研究對象主要是線性多醣所組成的有機分子纖維素(cellulose),這種分子雖然很小,但卻是地球上大量組成木材的主要原料。澳洲墨爾本大學(University of Melbourne)植物細胞生物學家 Staffan Persson 教授表示,這項研究或許能讓人們得以了解甚至以此研發新的材料。

每個植物細胞外都有一層含有纖維素的薄膜環繞,也就是我們所知的細胞壁。不同功能植物細胞的細胞壁形成會有些許的不同,位於木質部的細胞需要更加強壯,才不會在向上運輸水分的過程中因壓力倒塌。因此,植物該處的細胞會生成其他部位的植物細胞都不會有,含有特別厚纖維素的次生細胞壁(secondary cell wall)。

Persson 教授表示,木質部細胞一開始會先生成較薄的初生細胞壁(primary cell wall),這層初生細胞壁的功能就像緊身衣,能主導細胞的生長方向,並控制植物的外型。當與木質部相關的細胞開始生長,次生細胞壁就會開始在初生細胞壁內層生成,當細胞死亡就會留下木質的細胞外層結構以及讓水分得以流動的孔洞。也就是說,這種次生細胞壁就是我們所謂的木材材質。

研究團隊由墨爾本大學 Persson 教授與加拿大不列顛哥倫比亞大學(University of British Columbia)、德國馬克斯普朗克學會(Max Planck Institute)及美國密西根州立大學(Michigan State University)研究者共同合作,將最新研究成果發表於科學期刊《PNAS》。他們透過直接觀察記錄初生細胞壁與次生細胞壁生成時的過渡期,對於生成過程提供非常重要的細節資訊,對日後相關研究有很高的價值。

植物細胞中製造纖維素的部分稱為纖維素合成酶(cellulose synthase,CesA)複合體,主要作用在細胞的表面位置,能將纖維素釋放擠出到細胞外層形成細胞壁。CesA 複合體在生成初生與次生細胞壁的過程有些不同,為了要了解植物是如何轉換兩種細胞壁的製造模式,研究者首先需要將製造兩種細胞壁的 CesA 區分出來。團隊以不同的螢光標記區分兩種 CesA,並以高解析度的共軛交顯微鏡觀察(confocal microscope)。

木材結構通常位於植物組織內部深處,因此很難以顯微鏡觀察。當時在墨爾本大學擔任博士後研究員的共同作者 Rene Schneider 博士表示,為了克服難以觀察的問題,他們刺激讓所有細胞都開始生產次生細胞壁的纖維素。只要刺激植物細胞的主要調控機制或某個特定的基因轉錄因子,就能在植物細胞開啟與製造木材相關的基因。藉由這樣的方式就能刺激不同類型的植物細胞都開始製造木材,在植物表面產生木材方便觀察成像。

從生產初生細胞壁轉換到生產次生細胞壁的過程只需要幾個小時,研究團隊觀察分別以紅色和綠色螢光標記的纖維素製造單元,發現次生細胞壁的纖維素製造過程,比起初生細胞壁纖維素製造過程來得更快。對此 Persson 教授表示,這樣的現象其實可以理解,因為植物細胞開始產生次生細胞壁之後很快就會死亡,細胞死亡之前產生越多細胞壁才能讓整株植物更強壯,因此製造次生細胞壁的過程一定要快。

過去人們運用木材的價值在於耐久度,但這項特性也相對限制了其他運用的可能性,這項研究中研究者也突破了這些限制。Persson 教授表示,木材的糖類成分因為結構太穩定因此很難提取,但研究團隊希望能透過調控木材的形成過程改變木材的穩定性,讓我們可以比較容易從木材提取生物燃料以及材料所需的原料。這項研究顯示木材不僅能運用在建築或造紙產業,也能在未來有更多不一樣的潛能。

(首圖來源:pixabay