前人研究表明C3H(香豆酰莽草酸/奎寧酸羥化酶)和HCT(莽草酸/奎寧酸羥基肉桂酰轉(zhuǎn)移酶)基因的下調(diào)會降低木質(zhì)素并引起其單體含量的變化,但是化學(xué)組分改變對轉(zhuǎn)基因楊木構(gòu)造和物理力學(xué)性能的影響以及兩個基因的影響效果差異仍不清晰。本論文以銀腺楊無性系84K(Populus alba×P.glandulosa cv`84k')非轉(zhuǎn)基因、C3H RNAi轉(zhuǎn)基因和HCT RNAi轉(zhuǎn)基因一年生植株為研究對象,利用光學(xué)顯微鏡測量、氮氣吸附法(NAD)、X射線衍射法(XRD)、乙酰溴法、二維核磁共振法(2D HSQC NMR)和納米壓痕技術(shù)等材料結(jié)構(gòu)與性能表征方法,重點研究轉(zhuǎn)C3H和HCT基因楊木微觀構(gòu)造、化學(xué)組分、細(xì)胞壁密度和細(xì)胞壁力學(xué)性能變化規(guī)律,揭示C3H基因和HCT基因下調(diào)楊木細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)(包括構(gòu)造特征和化學(xué)組分)變化對其性能的影響機制,并對兩個基因?qū)?gòu)造和性能的影響效果進(jìn)行對比分析,為轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木性質(zhì)的早期評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本論文試驗條件下得出的主要結(jié)論如下:(1)轉(zhuǎn)基因楊木生長特征和單位面積導(dǎo)管數(shù)量。轉(zhuǎn)C3H基因和轉(zhuǎn)HCT基因楊木的樹木生長均受到了抑制,主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木直徑分別減小9.6%和8.3%,差異顯著(P0.05)。轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木的單位面積導(dǎo)管數(shù)量分別減少了6.5%和5.2%,差異顯著(P0.05)。(2)轉(zhuǎn)基因楊木胞壁率和孔隙結(jié)構(gòu)。非轉(zhuǎn)基因楊木,轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木的胞壁率分別為40.27%,45.10%和43.71%,轉(zhuǎn)C3H基因楊木增大12.0%,轉(zhuǎn)HCT基因楊木增大8.5%,差異顯著(P0.05)。非轉(zhuǎn)基因楊木,轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木BET比表面積分別為0.6266 m~2·g~(-1),1.7247 m~2·g~(-1)和0.7141 m~2·g~(-1),轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木的BET比表面積較非轉(zhuǎn)基因植株均顯著增加(P0.05)。(3)轉(zhuǎn)基因楊木纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)C3H基因和轉(zhuǎn)HCT基因楊木纖維素結(jié)晶度均顯著增加(P0.05),分別增加18.5%和16.1%。轉(zhuǎn)C3H基因和轉(zhuǎn)HCT基因楊木纖維素微晶寬也顯著增大(P0.05),分別增大7.5%和6.4%。(4)轉(zhuǎn)基因楊木化學(xué)組分。采用傅立葉紅外光譜法初步分析發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木的特征峰高比值I_(1507)/I_(1382),I_(1507)/I_(895)顯著減小(P0.05),表明其木質(zhì)素含量降低。進(jìn)一步采用乙酰溴法對轉(zhuǎn)基因楊木木質(zhì)素含量進(jìn)行重點分析,得出轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT楊木木質(zhì)素含量均發(fā)生了極顯著的降低(P0.01),其中轉(zhuǎn)C3H基因楊木木質(zhì)素含量由21.11%降至14.80%,轉(zhuǎn)HCT基因楊木木質(zhì)素含量則由21.11%降至16.82%。最后采用單糖組分分析法分析主要化學(xué)組分含量,除了發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木木質(zhì)素含量均降低外,轉(zhuǎn)HCT基因楊木的木糖含量增加,轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木的甘露糖含量均降低了17.2%,轉(zhuǎn)C3H基因楊木的半乳糖含量增加,而轉(zhuǎn)HCT基因楊木其含量降低,轉(zhuǎn)C3H基因楊木的葡萄糖含量下降而纖維素含量增加,以上變化均在P0.05水平差異顯著。(5)轉(zhuǎn)基因楊木木質(zhì)素結(jié)構(gòu)和單體比例。在非轉(zhuǎn)基因楊木、轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木木質(zhì)素中均包含β-O-4′、β-β′、β-1′、β-5′、對-羥基肉桂醇末端基、紫丁香基單元、愈創(chuàng)木基單元、對-羥苯基單元、對-羥基苯甲酯結(jié)構(gòu)和阿魏酸酯結(jié)構(gòu)。在C3H基因和HCT基因下調(diào)的轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木中與G單元相連的β-O-4相對量減少。轉(zhuǎn)C3H基因楊木S單體和H單體含量增加、G單體含量降低、S/G值增加,而轉(zhuǎn)HCT基因楊木S單體含量降低、G單體含量增加、S/G值減小。(6)轉(zhuǎn)基因楊木細(xì)胞壁基本密度和納米壓痕力學(xué)性能。非轉(zhuǎn)基因楊木、轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木細(xì)胞壁基本密度分別為0.688 g·cm~(-3),0.579 g·cm~(-3)和0.650 g·cm~(-3),轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木的木材細(xì)胞壁基本密度均顯著減小(P0.05)。未被樹脂滲透的非轉(zhuǎn)基因楊木、轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木木纖維縱向彈性模量分別為16.04 GPa,16.99 GPa和17.18 GPa;C3H基因和HCT基因下調(diào)的兩種楊木木纖維次生壁縱向彈性模量分別增大5.9%和7.1%,差異顯著(P0.05)。未被樹脂滲透的非轉(zhuǎn)基因楊木、轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木木纖維次生壁縱向硬度分別為0.528 GPa,0.474 GPa和0.527 GPa,轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木木材木纖維次生壁縱向硬度均減小,其中轉(zhuǎn)C3H楊木降低較顯著(P0.05)。(7)楊木細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)對細(xì)胞壁基本密度和力學(xué)性能的影響。轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木細(xì)胞壁基本密度減小的主要原因是細(xì)胞壁孔隙結(jié)構(gòu)的增加和木質(zhì)素含量的降低,相關(guān)系數(shù)分別為-0.9614和0.9295。轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木細(xì)胞壁縱向彈性模量隨著纖維素結(jié)晶度、微晶寬和綜纖維素含量的增加而增加,相關(guān)系數(shù)分別為0.9624、0.9566和0.9207。一年生楊木細(xì)胞壁硬度與BET比表面積密切負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.9714,而與細(xì)胞壁基本密度密切正相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9446,轉(zhuǎn)C3H基因和轉(zhuǎn)HCT基因楊木細(xì)胞壁硬度的降低主要是由BET比表面積的增大和細(xì)胞壁基本密度的減小引起的。(8)轉(zhuǎn)C3H基因楊木和轉(zhuǎn)HCT基因楊木性能對比。轉(zhuǎn)C3H基因楊木較轉(zhuǎn)HCT基因楊木胞壁率大、比表面積可及性大、纖維素含量高、木質(zhì)素含量降低多、S/G值大,預(yù)示著在后期成材的利用中,轉(zhuǎn)C3H轉(zhuǎn)基因楊木較轉(zhuǎn)HCT基因楊木可能更適合用于制取纖維素材料和生物質(zhì)能源。
【學(xué)位單位】：中國林業(yè)科學(xué)研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：S792.11
【部分圖文】：

圖 1-1 木質(zhì)素生物合成途徑（王雪霞等，2008）Fig. 1-1 Lignin biosynthetic pathway已有研究表明 C3H 和 HCT 基因的下調(diào)會降低木質(zhì)素并引起其單體含量的變化，進(jìn)而引起化學(xué)組分的變化，但是化學(xué)組分改變對轉(zhuǎn)基因楊木構(gòu)造和物理力學(xué)性能的影響以及兩個基因的影響效果差異仍不清晰。因此，本研究采用 C3H 和 HCT 基因表達(dá)下調(diào)的銀腺楊無性系 84K 作為實驗材料。研究兩個轉(zhuǎn)基因株系木材細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)特性（包括構(gòu)造特征和化學(xué)組分）及性能，重點研究兩種轉(zhuǎn)基因楊的微觀構(gòu)造、化學(xué)組分、細(xì)胞壁密度和細(xì)胞壁力學(xué)性能的變化規(guī)律。本論文的目的是通過研究以上性質(zhì)，探明轉(zhuǎn)基因楊木化學(xué)組分變化對微觀構(gòu)造、細(xì)胞壁密度和細(xì)胞壁力學(xué)性能的影響，同時比較 C3H 基因HCT 基因分別下調(diào)對楊樹木材構(gòu)造和性能的影響效果。為轉(zhuǎn) C3H 基因楊木和轉(zhuǎn) HCT 基因楊木性質(zhì)的早期評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

H RNAi 和 HCT RNAi 轉(zhuǎn)基因楊木為研究對轉(zhuǎn)基因楊木生長特征、胞壁率、單位面積84K（Populus alba×P.glandulosa cv`84k'）的溫度 22 ℃，每天光照 16 小時，黑暗 8 小時每天澆水，自然生長 6 個月。C3H 和 HCT 54%和 37%。銀腺楊無性系 84K 于上個世材質(zhì)好等優(yōu)良性狀。圖 2-1 為本論文實驗月后，植株高度約為 1.3 m，直徑約為 5.5

對照組和兩種轉(zhuǎn)基因植株各 5 株，共 15 株。植株長出樹葉在莖上形成節(jié)，節(jié)和部分稱為節(jié)間（圖 2-2）。一般來說，楊木生長到 3-4 個節(jié)間的時候，就會產(chǎn)生部（Robischon et al., 2011），本論文所采用材料在第 9 節(jié)間以下的木材已充分木生木質(zhì)部占到主體地位（如圖 2-2），因此本論文從樹梢往下第 9 節(jié)間開始取樣傅立葉紅外光譜（FTIR）樣品（9-10 節(jié)間）、乙酰溴法測木質(zhì)素含量樣品（11-、X 射線光電子能譜分析（XPS）樣品（13-14 節(jié)間）、光學(xué)顯微鏡觀察解剖性質(zhì)5 節(jié)間）、掃描電鏡觀察（SEM）樣品（16 節(jié)間）、納米壓痕樣品（17-18 節(jié)間）、分析法樣品（19-23 節(jié)間）、氮氣吸附法測孔隙結(jié)構(gòu)（NAD）樣品（24-27 節(jié)間衍射法（XRD）樣品（28-31 節(jié)間）、排水法測基本密度樣品（32-36 節(jié)間）和二振法（2D HSQC NMR）與熱解-氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用（Py-GC/MS）樣品（剩余取樣過程如圖 2-2。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2843424