玉米中發(fā)現(xiàn)新“建筑”

對(duì)美國(guó)經(jīng)濟(jì)中最重要的農(nóng)業(yè)植物——玉米的最新研究表明，這種植物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與以前認(rèn)為的不同，這有助于優(yōu)化玉米轉(zhuǎn)化為乙醇的方式。

“我們的經(jīng)濟(jì)依賴(lài)于乙醇，所以我們還沒(méi)有對(duì)玉米的分子結(jié)構(gòu)有一個(gè)全面和更準(zhǔn)確的了解，這很有趣，”路易斯安那州立大學(xué)化學(xué)助理教授王拓說(shuō)，他將領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究。1月21日發(fā)表在《自然通訊》上。“目前，幾乎所有汽油都含有10%左右的乙醇。美國(guó)玉米總產(chǎn)量的三分之一，即每年約50億蒲式耳，用于乙醇生產(chǎn)。即使我們最終能夠?qū)⒁掖忌a(chǎn)的效率提高1%或2%，也能為社會(huì)帶來(lái)顯著的效益?！?

王和他的同事們第一個(gè)使用高分辨率技術(shù)在原子水平上研究完整的玉米植物莖。LSU團(tuán)隊(duì)包括博士后研究員康雪和兩名研究生，分別是來(lái)自斯里蘭卡科倫坡的Malithadick Wella Widange和來(lái)自肯尼亞納庫(kù)魯?shù)腁lex Kirui。

在過(guò)去，纖維素被認(rèn)為是一種厚而堅(jiān)硬的復(fù)合碳水化合物，它在玉米和其他植物中起著支架的作用，并與一種叫做木質(zhì)素的防水聚合物直接相連。然而，王和他的同事發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素與植物中的纖維素接觸有限。相反，一種叫做木聚糖的強(qiáng)復(fù)合碳水化合物將纖維素和木質(zhì)素連接成膠水。

以前認(rèn)為纖維素、木質(zhì)素和木聚糖分子是混合的，但科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它們各自有獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域，這些結(jié)構(gòu)域具有不同的功能。

“我很驚訝。我們的研究結(jié)果實(shí)際上違反了教科書(shū)，”王說(shuō)。

木質(zhì)素具有防水性能，是植物的重要結(jié)構(gòu)成分。木質(zhì)素也對(duì)乙醇生產(chǎn)提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)樗梢宰柚固窃谥参镏修D(zhuǎn)化為乙醇。關(guān)于如何分解植物結(jié)構(gòu)或培育更易消化的植物來(lái)生產(chǎn)乙醇或其他生物燃料，已經(jīng)做了大量的研究。然而，這項(xiàng)研究并沒(méi)有完全了解植物的分子結(jié)構(gòu)。

“乙醇生產(chǎn)方法的許多任務(wù)可能需要進(jìn)一步優(yōu)化，但它為改進(jìn)我們處理這種有價(jià)值產(chǎn)品的方式提供了新的機(jī)會(huì)，”王說(shuō)。

這意味著可以設(shè)計(jì)更好的酶或化學(xué)物質(zhì)來(lái)更有效地分解植物生物質(zhì)的核心。這些新方法也可以應(yīng)用于其他植物和生物的生物量。

除了玉米，王和他的同事分析了另外三種植物：水稻和柳枝稷，它們也被用于生物燃料生產(chǎn)，以及模式植物擬南芥，這是一種與卷心菜相關(guān)的開(kāi)花植物?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)這四種植物的分子結(jié)構(gòu)相似。

他們通過(guò)使用路易斯安那州立大學(xué)的固態(tài)核磁共振光譜儀和佛羅里達(dá)州塔拉哈西國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)。以前使用顯微鏡或化學(xué)分析的研究沒(méi)有顯示出原始的原子結(jié)構(gòu)和完整的植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)。王和他的同事是第一個(gè)直接測(cè)量這些完整植物分子結(jié)構(gòu)的人。

現(xiàn)在他們正在分析桉樹(shù)、楊樹(shù)和云杉的木材，這將有助于改善造紙生產(chǎn)和材料開(kāi)發(fā)行業(yè)。

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