每日科学（ScienceDaily）2021年1月28日消息：由哥本哈根大学和其他机构共同开展的有关木材形成的研究取得新进展，研究人员采用基因工程方法，首次实现在显微镜下观察木材细胞壁形成过程，为开发更加坚固的建筑材料以及培育更适应气候变化的树木创造了可能性。该研究的科学论文发表在《自然通讯》杂志上。

      某些树种能够长到100 m以上得益于其复杂的生物构造。除了需要适量的水分和光照外，坚固的细胞壁也提供了必要保障，它不仅足以支撑树木保持直立，并且能够承受将水分从根部吸入并输送到叶子所需要的巨大压力。植物的次生细胞壁发挥了上述功能，它是根据一些独特且精妙的模式而形成的，既能保持细胞壁的强度，又能将水分从一个细胞输送到另一个细胞。

      为了了解次生细胞壁形成模式，哥本哈根大学植物与环境科学系的斯塔凡?佩尔松教授及其国际研究团队发现了一种在显微镜下实时监测这一生物过程的方法。由于显微镜仅在物体表面的显示效果最好，因此很难观察到植物内部组织中的木材形成。为此，研究人员通过改变植物体中的一种基因开关，能够在植物的所有细胞（包括表面细胞）中启动木材的形成过程，实现在显微镜下实时详细地观察木材形成。这为干预细胞壁形成，甚至让植物木质部变得更加坚固提供了可能。

      细胞壁主要由纤维素组成，纤维素是由位于所有植物细胞表面的酶产生的。一般而言，细胞壁形成过程涉及蛋白质管（称为微管）在细胞表面的有序排列。微管充当轨道，将酶产生的“建筑材料”??纤维素沉积到细胞壁上。佩尔松教授解释说：“我们可以将建造过程想象成一个火车网络，其中火车代表生产纤维素的酶，它们在生产纤维素过程中，同时向前移动。微管像火车轨道一样引导蛋白质的方向。有趣的是，在木质细胞壁的形成过程中，这些‘轨道’需要完全改变它们的组织结构，从而形成按照规则图案排列的细胞壁，我们现在可以在显微镜下直接追踪这一过程。”他还建议：“我们现在对导致微管重新排列并形成模式的机制有了更好的了解。此外，还可以在计算机上模拟细胞壁模式的形成。下一步的研究方向是确定采用何种方法改变这一生长系统，例如，改变细胞壁模式。”

      从长远来看，这种技术可直接应用于干预生物过程，以开发更强韧或不同用途的木质建筑材料。佩尔松教授表示：“如果既可以改变细胞壁的化学组成，又可以改变细胞壁的生长模式，我们可能会改变木材的强度和孔隙率。更坚固的木质建筑材料不仅有利于建筑业，也有益于环境和气候。而且它们的碳排放量较小，使用寿命较长，可以用于多种用途。在某些情况下，它们甚至可以取代能源密集型材料，例如混凝土。”同时，他还指出了纳米纤维素材料开发的潜在应用领域。在医学相关研究中，纳米纤维素材料可用于高效地将药物输送到全身。

      此外，佩尔松教授强调，由于目前大部分研究都是在模式植物（如拟南芥）中进行的，还需要进一步了解如何干预次生细胞壁，以及如何将这一技术应用到树木或其他可用的农作物中。