木质纤维细胞壁大分子取向研究进展

木质纤维细胞壁主要是由纤维素、半纤维素以及具网络结构的木质素交联形成的高度有序的三维立体结构,是植物最基本的力学承载单元。本文首先概述了国内外有关木质纤维细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素3种结构大分子的模量、强度等微力学特性,其次就纤维素?半纤维素、纤维素?木质素以及半纤维素?木质素大分子间的交联结构、分子间的有序组装规律进行了总结。在此基础上,对比分析了光学显微成像、电子显微成像、原子力显微成像、显微红外光谱、线偏振显微拉曼光谱、和频振动光谱以及同步辐射X射线衍/射技术在细胞壁大分子取向研究过程中的异同点。重点讨论通过分子光谱化学成像技术揭示的木质纤维原料不同类型细胞以及同一类型细胞不同亚层中3种结构大分子取向排列规律。最后,展望了木质纤维原料大分子取向研究可能的发展趋势:系统表征木质纤维细胞壁纤维素超分子结构、三大组分间连接键类型、纤维素构象对半纤维素糖苷键及木质素芳香环有序组装的影响机制;在纳米尺度揭示木质纤维发育过程中,各类细胞壁中纤维素纤丝聚集体结构、取向和微力学变化规律;在细胞壁水平非破坏性地对木质纤维大分子取向进行三维立体成像和定量研究;基于分子结构表征、分子模拟和三维成像研究结果实现针叶、阔叶及禾本科植物纤维细胞壁骨架模型的构建。      

新疆棉花纤维发育过程中可溶性糖和纤维素含量的变化及与气象因子的关系

 采用北疆棉区自育早熟和引进的黄河流域棉区中早熟陆地棉品种 ,在新疆气候生态条件下 ,研究了棉纤维发育过程中可溶性糖和纤维素含量的变化及与气象因子的关系。结果表明 ,无论北疆自育早熟品种还是内地引进中早熟品种 ,棉纤维中可溶性糖含量的变化均在花后 7～ 14d达到最大值 ,随后迅速下降 ;纤维素在花后 14d左右开始大量合成 ,至吐絮期含量达最大值。不同品种类型间表现为 :早熟品种棉纤维可溶性糖转化高峰期较同期的中早熟品种早 ,且纤维可溶性糖转化率及纤维素合成的最大值与纤维素合成速率均比同期开花的中早熟品种高。棉纤维发育过程中可溶性糖和纤维素含量呈极显著的负相关 ;铃期最低温度对纤维可溶性糖的转化和纤维合成影响最大 ;温度对纤维的可溶性糖转化的影响远大于纤维素合成 ,所以后期低温可能是造成新疆棉纤维内糖含量高的原因。铃期日照时数与纤维合成的特征值呈显著正相关。     

陆地棉纤维发育中的生理生化指标研究

以陆地棉(Gossypium hirsutumL.)品种百棉1号、中棉所41(对照)的棉纤维整个发育过程为主要研究对象,对棉纤维细胞发育中的可溶性蛋白质、可溶性糖、纤维素、POD和CAT等进行了研究,探讨其与棉纤维发育之间的关系,结果表明,可溶性蛋白质、CAT和POD抑制纤维伸长,促进纤维加厚发育,而可溶性糖与其作用不同,促进纤维伸长,脱水成熟期可溶性糖含量低则表明纤维强度较好,纤维素均匀沉积有利于高比强度纤维的形成。研究可为棉花优质高产栽培提供理论依据。     

不同棉花品种纤维比强度形成的温度敏感性差异机理研究

 【目的】研究纤维比强度形成存在温度敏感性差异的2个棉花品种纤维发育生理特性对低温的响应差异。【方法】选用纤维比强度形成存在温度敏感性差异的2个品种（科棉1号：温度弱敏感型品种,苏棉15：温度敏感型品种）,通过分期播种,使相同果枝部位棉铃发育处于不同的温度条件,研究低温对棉花纤维发育相关物质含量和酶活性的影响。【结果】正常播期条件下,棉纤维发育期日均最低温为24.0和25.4℃,棉纤维中蔗糖合成酶活性高,β-1,3-葡聚糖酶活性低,蔗糖转化率和纤维素含量均较高,最终纤维比强度最高;晚播所致的低温（棉纤维发育期日均最低温低于21.1℃）则显著影响棉纤维发育,蔗糖转化率、纤维素含量、β-1,3-葡聚糖含量均下降,纤维发育相关酶活性中蔗糖合成酶活性下降、β-1,3-葡聚糖酶活性上升,导致纤维比强度降低。2个纤维比强度形成存在温度敏感性差异的棉花品种纤维发育生理特性对低温的响应存在差异,温度敏感型品种（苏棉15）的蔗糖转化率、纤维素含量及酶活性（蔗糖合成酶、β-1,3-葡聚糖酶）在因播期形成的不同温度间的变化幅度明显大于温度弱敏感型品种（科棉1号）。【结论】低于21.1℃的日均最低温影响棉纤维发育及纤维比强度形成,不同棉花品种纤维发育相关的物质含量、酶活性对低温的响应存在差异,这可能是导致纤维比强度存在温度敏感性差异的主要原因之一。     

棉铃对位叶氮浓度对纤维糖类物质和纤维比强度的影响

【目的】探明棉铃对位叶氮浓度对棉纤维比强度形成的影响。【方法】以纤维比强度差异较大的3个棉花品种为材料,设置不同施氮量处理以形成不同的棉铃对位叶氮浓度,研究棉纤维加厚发育过程中棉铃对位叶氮浓度的动态变化及其与纤维中糖类物质及纤维比强度间的关系。【结果】棉铃对位叶氮浓度随铃龄的变化符合幂函数曲线YN=αt-β;在棉纤维加厚发育过程中,纤维中蔗糖、β-1,3-葡聚糖和纤维素含量随棉铃对位叶氮浓度的增加呈抛物线型变化,蔗糖、纤维素累积与纤维比强度形成的最佳棉铃对位叶氮浓度变化曲线相吻合,β-1,3-葡聚糖累积与纤维比强度形成的最佳对位叶氮浓度差异较大。【结论】棉铃对位叶氮浓度反映了棉铃发育的氮营养状况,在棉纤维加厚发育过程中,均存在一个有利于蔗糖、β-1,3-葡聚糖、纤维素累积及高强纤维形成的最佳对位叶氮浓度。棉纤维中较高的蔗糖和纤维素含量有利于纤维比强度的形成;棉纤维加厚发育前期较高的β-1,3-葡聚糖含量有利于纤维比强度的形成,后期则对纤维比强度形成的作用降低。不同品种纤维比强度形成的对位叶适宜氮浓度差异较大,进一步说明对位叶氮浓度影响棉花纤维加厚发育和比强度的形成。     

细胞壁微纤丝角和结晶区对木材物理力学性能影响研究进展

木材是由不同种类的细胞组成的天然材料,其实体物质是组成其结构的各类型细胞的细胞壁。细胞壁的超微构造主要包括微纤丝和结晶区,微纤丝角能表征纤维素微纤丝的取向,纤维素大分子链排列的有序程度及排列形态决定其结晶程度和微晶形态等结晶区特征。基于前人的研究,系统概述了细胞壁微纤丝和结晶区对木材物理力学性能影响的研究进展,重点围绕微纤丝角和结晶度2个方面,分别归纳了二者对木材密度、尺寸稳定性、木材声学等物理性质以及弹性模量、强度等力学性质的影响作用,同时阐述了微纤丝角与木材硬度和刚度以及结晶度与冲击韧性等的相互关系,并概述了细胞壁微晶形态对木材润湿性和纤维强度影响方面的研究进展,最后对今后的研究方向进行了展望。     

新疆棉花播期对棉纤维糖类物质及超分子结构的影响

[目的]在新疆气候生态条件下,研究不同播期对棉纤维发育过程中纤维素累积和纤维超分子结构的影响,探讨纤维累积特征、超分子结构变化与纤维强度形成的关系,揭示棉花生育后期低温对棉纤维强度形成的影响.[方法]选用新陆早13号和新陆早33号为材料,采用分期播种的方法,形成棉铃发育的不同温度条件,研究棉纤维素发育过程中纤维素累积特性和纤维超分子结构的变化,分析纤维强度形成与超分子结构变化的关系.[结果]在新疆棉花生产正常播期处理条件下,棉纤维的发育处于较适宜的温度条件,纤维发育过程中纤维素积累速率平缓且经历时期长;在晚播条件下,棉纤维发育后期受到低温的影响,纤维素的快速积累起始时期推迟,纤维快速积累时期缩短,纤维素的理论最大含量下降,晚播处理棉纤维的取向分散角和取向分布角的角度大于正常播期处理,纤维强度下降.[结论]在棉纤维发育过程中,棉纤维发育期后期的低温不仅影响了纤维素的积累特性,导致纤维的超分子结构3个参数大于正常播期处理,不利于高强纤维的形成.     

棉纤维发育相关酶活性的基因型差异与纤维比强度的关系

 【目的】以纤维比强度差异较大的不同基因型棉花为材料，研究它们纤维发育过程中相关酶活性的动态变化与纤维比强度的关系，为探索改善棉纤维比强度的生理调控途径提供理论依据。【方法】选择棉纤维比强度分属高（科棉1号）、中（美棉33B）、低（德夏棉1号和苏棉15号）3种类型，4个不同基因型的品种，在大田栽培条件下，研究棉纤维次生壁加厚过程中相关酶活性的动态变化、纤维素累积和纤维比强度形成的关系。【结果】β-1,3-葡聚糖酶活性在次生壁加厚发育过程中呈下降趋势，蔗糖合成酶、过氧化物酶和IAA氧化酶活性变化均呈单峰曲线，基因型间差异主要表现在酶活性的大小和峰值出现的时间。科棉1号属高强纤维基因型，棉纤维中与纤维发育相关的酶活性在整个次生壁加厚期高于中、低强纤维基因型，前者酶活的动态变化与纤维素累积快速增长期的协调性好，纤维素累积平缓，纤维比强度增强的幅度大；反之，如低强纤维品种德夏棉1号和苏棉15号，其纤维发育相关酶在次生壁加厚期活性低，纤维素累积快速增长期短，纤维比强度增强的幅度小；美棉33B棉纤维发育相关酶活性、纤维素累积和纤维比强度形成特征介于上述两种基因型之间。【结论】不同基因型棉花纤维中与纤维发育相关的酶活性存在显著差异，该差异可能是导致纤维素累积特性及纤维比强度形成基因型间差异的主要生理原因之一。     

高碘酸钠对棉纤维的选择性氧化工艺及性能研究

采用高碘酸盐对棉纤维进行仲羟基选择性氧化,制备了二醛基纤维素。通过正交设计直观分析法对制备工艺进行优化。结果表明,以棉纤维的强力和醛基含量为综合指标,制备的较优工艺条件是高碘酸钠氧化剂浓度为2 g.L-1、氧化温度为40℃,氧化时间为2 h。通过FT-IR和X射线衍射测试可知经高碘酸盐处理后,棉纤维素大分子链中含有新生成的活性基团醛基,但其结晶度有所降低。与原棉纤维相比,经较优工艺氧化的棉纤维弹性变形和吸水性能有所提高,初始模量稍有下降从而纤维略变柔软。     

温度对棉纤维发育的影响

采用春播与夏播方法,研究了棉纤维动态发育变化,结果表明:棉花花铃期20℃以上的日均温有利棉纤维伸长、干物质积累、可溶性糖转化和纤维素沉积.低温使纤维干物质积累速度和纤维素合成速度明显减慢,但对前者影响大于后者.15℃日均温是棉纤维干物质积累趋于停止的临界温度,但不是纤维素合成的临界温度.在15℃以下,虽纤维干重不再增加,但已进入纤维中的可溶性糖仍在向纤维素转化.     

主要生理机制

 笔者结合国内外对于棉纤维发育过程中纤维细胞内部生理生化反应的最新研究成果,依据棉花纤维比强度形成机制,综述了棉纤维比强度形成的关键时期次生壁加厚期,纤维素生物合成的物质变化、参与调控其合成的酶系（纤维素合成酶,蔗糖合成酶,β-1,3-葡聚糖合酶,β-1,3-葡聚糖酶,吲哚乙酸氧化酶和过氧化物酶）及影响合成的主要因素（基因型,温度,激素）等方面的研究进展。为探索改善棉纤维比强度的生理调控途径和培育高纤维强度的棉花品种提供了理论依据。     

次生壁加厚过程中影响棉纤维素合成的主要生理机制

笔者结合国内外对于棉纤维发育过程中纤维细胞内部生理生化反应的最新研究成果,依据棉花纤维比强度形成机制,综述了棉纤维比强度形成的关键时期次生壁加厚期,纤维素生物合成的物质变化、参与调控其合成的酶系(纤维素合成酶,蔗糖合成酶,β-1,3-葡聚糖合酶,β-1,3-葡聚糖酶,吲哚乙酸氧化酶和过氧化物酶)及影响合成的主要因素(基因型,温度,激素)等方面的研究进展.为探索改善棉纤维比强度的生理调控途径和培育高纤维强度的棉花品种提供了理论依据.     

天然有色棉纤维发育特性研究

通过开花后分期取样测定的方法,从栽培生理角度对有色棉棉纤维发育特性进行了初步研究,结果表明,有色棉纤维长度和纤维比强度的动态变化趋势与白色棉相似,但在纤维快速伸长期的纤维日伸长量较低。有色棉纤维素的积累变化规律与白色棉相同,但其纤维素含量(%)显著低于对照。不同开花期下,纤维素含量(%)随铃龄的增加表现出不同的增长规律,第1期纤维素含量(%)的快速增长阶段在开花后35 d之前,而第2期则在30~35 d之后,这可能与铃期内温度条件的差异有关。纤维可溶性糖含量(%)则随铃龄的增加而下降。单铃纤维干重与铃龄呈二次曲线函数增长关系,但有色棉单铃纤维干重一直明显低于白色棉。相关分析表明,有色棉纤维比强度与纤维素含量(%)、单铃纤维干重间均呈显著正相关关系,而与纤维可溶性糖含量(%)呈负相关关系。有色棉纤维伸长速度和纤维素积累速度较慢,积累量较低,单铃纤维干重低等发育特点可能是有色棉纤维短、比强度较低和产量低的主要原因之一。     

新疆产棉区高强棉纤维形成的纤维素累积特征及适宜温度

【目的】新疆是我国主要产棉区,该区棉花生育后期气温下降快。明确生育后期温度对棉纤维发育的影响,对新疆优质棉生产提供指导。【方法】采用分期播种、整段夜间增温(棉纤维发育期)和阶段夜间增温(开花至纤维素快速累积期起始时间、纤维素快速累积期和纤维素快速累积期终止时间至吐絮)的方式,使棉纤维发育处于不同的温度环境下,研究温度对纤维素累积特征的影响及其相互关系。【结果】结果表明,棉纤维比强度受纤维素快速累积期持续时间(T)、开花至纤维素快速累积期起始时间的平均累积速率(V1)和纤维素最大理论含量(Wm)的显著影响,其中棉纤维比强度与V1呈显著二次曲线关系、与Wm呈极显著线性关系。棉纤维发育期≥15℃有效积温是影响纤维比强度的主要温度因子,在开花至纤维素快速累积期起始时间内二者呈显著负相关关系,在纤维素快速累积期则呈显著正相关关系。自棉花开花至纤维素快速累积期起始时间内,较多的有效积温使纤维素在这段时间的平均累积速率(V1)直线降低,这并不利于纤维比强度的提高。在纤维素快速累积期,≥15℃有效积温的增加显著提高了V1,纤维素快速累积期持续时间(T)随有效积温的增加而显著延长,纤维比强度亦呈增加趋势。若获取≥30 cN/tex的纤维比强度,就需要V1维持在1.32%·d-1—1.76%·d-1,纤维素在铃龄6.7—13.3 d进入快速累积期,快速累积期持续20.2—25.6 d,纤维素累积时间经历39.0—46.9 d;在开花至纤维素快速累积期起始时间内需要≥15℃有效积温5.6℃—96.3℃,在纤维素快速累积期则需要181.5℃—262.3℃。【结论】棉纤维不同发育阶段≥15℃有效积温对V1影响的差异性是造成纤维比强度差异的主要原因,适宜V1有利于形成高强纤维。     

彩色棉抗氧化系统生理特征及纤维素累积对纤维品质的影响

【目的】研究黄河流域棉区不同纤维颜色棉花品种品质差异及棉铃在发育进程中生理活性变化,探索其品质形成的主要时期和相关影响因素,为彩色棉的品质改良提供理论依据。【方法】在大田试验条件下,以彩色棉品种中棉所51号（浅棕,CCRI 51,杂交棉）、中棉所81号（深棕,CCRI 81）、中棉所82号（深绿,CCRI 82）和普通棉（简称白棉,CK）国欣棉3号（GX 3）为试验材料,对各小区棉株中部第5-6果枝的一、二果节当日花进行挂牌,于收获期测定其纤维品质,并在花后10、15、20、30、40 d（days post anthesis,DPA）取挂牌棉铃,分别测定铃壳、棉籽、棉纤维的可溶性蛋白质含量、过氧化物酶（POD）活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）含量以及棉纤维的纤维素含量,研究不同颜色棉花品种纤维品质差异及棉铃发育特点,并对二者进行相关性分析。【结果】纤维上半部平均长度、整齐度指数以及断裂比强度三个指标均以杂交彩色棉（浅棕棉）最高,常规陆地棉三个指标的高低顺序为：白棉＞深棕棉＞深绿棉。白棉铃壳各时期可溶性蛋白质含量均显著高于彩色棉品种,各品种各时期差异均达到显著水平;白棉棉纤维可溶性蛋白质含量最大下降幅度时期为前期（10-20 DPA,降幅66.67%）,而彩色棉品种为后期（20-40 DPA,降幅为23.08%-61.19%）。各品种铃壳POD活性在花后10-20 DPA均有所上升,其中以深绿棉品种上升幅度最高,白棉和浅棕棉铃壳POD活性在10 DPA时显著高于深棕棉和深绿棉。白棉在10 DPA时铃壳和棉籽SOD活性均为最高,两棕色棉铃壳SOD活性在棉铃发育过程中均呈逐渐增加趋势;浅棕棉棉籽SOD活性在30-40 DPA时提高了53.18%,显著高于其他品种;深绿棉棉纤维SOD活性降低时期出现得较其他品种早10 d。白棉棉籽MDA含量在花后20-30 DPA时下降,而彩色棉均升高。浅棕棉纤维素快速累积开始期最早,持续期最长,白棉较深棕棉和深绿棉的纤维素快速累积起始期早3 d,持续期长1-5 d。10 DPA时棉籽MDA含量与棉纤维长度和断裂比强度显著负相关,铃壳POD活性与纤维长度呈显著正相关,纤维素快速累积持续期与纤维长度及强度显著正相关;20 DPA时棉纤维可溶性蛋白质含量、30 DPA时棉籽MDA含量以及纤维素快速累积起始期与整齐度呈显著负相关;20 DPA时棉籽MDA含量、30 DPA时铃壳可溶性蛋白质含量、40 DPA时棉纤维MDA含量与马克隆值呈显著正相关;40 DPA时棉籽可溶性蛋白质含量、20 DPA时棉纤维POD活性与伸长率显著正相关。【结论】彩色棉棉铃相比于白棉,较低的抗氧化酶系统活性在纤维发育前期（0-20 DPA）阻碍了纤维初生壁的形成及生长,在纤维发育后期（20-40 DPA）促进了色素类物质在次生壁沉积,这就降低了纤维素在次生壁的积累。彩色棉较短的纤维素累积持续期以及较晚的纤维素快速累积起始期是造成彩色棉品质低的直接原因。     

棉花纤维发育后期纤维素形成过程的研究

1989年～1990年选用陆地棉(G.hirstum L.)北农1号品种(BAU No.1)和海岛棉(G.barbadense L.)海7124品种(Hai—7124)为材料,对棉花纤维发育后期的纤维素形成过程进行了研究。结果表明:随着纤维的发育还原性糖含量逐渐下降,纤维素含量逐渐上升。其含量变化高峰期出现的顺序为:还原性糖——纤维素。开花后45天左右(40 DPA～50 DPA)是棉纤维发育后期的一个重要的生化代谢转折期。温度与还原性糖含量的变化率、纤维素含量的变化率呈极显著正相关(分别为 r=0.837~(**)和 r=0.972~(**))。低温对纤维素合成的抑制作用是通过抑制还原性糖的提供而限制纤维素沉积量的累积的。     

新疆棉区日最低气温对棉纤维次生壁加厚期蔗糖代谢的影响

 【目的】研究日均最低气温对棉纤维中蔗糖代谢、纤维素沉积和纤维比强度形成的影响,揭示棉纤维强力变化的机理。【方法】通过分期播种,使棉铃发育处于不同的低温环境下,研究不同低温水平对新疆棉纤维发育过程中蔗糖代谢中相关物质含量变化、调控蔗糖代谢的关键酶活性变化的影响及与纤维素沉积的关系。【结果】正常播期条件下,棉株中部棉铃纤维中蔗糖合成酶（SS）和蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性高,蔗糖转化彻底,纤维素累积时间长且累积平稳,最终纤维素含量高、纤维强力增加。播期推迟,棉铃发育过程中夜间温度降低,纤维中SPS活性下降、酸性转化酶（AI）和碱性转化酶（NI）活性升高,造成果糖含量明显上升,影响纤维素的沉积。【结论】棉纤维加厚期＜15.3℃的日均最低气温影响了蔗糖代谢关键酶活性的变化,引起蔗糖转化率下降,果糖循环速率减缓并在纤维中大量富集。     

结晶纤维素与棉纤维强度

由纤维素结晶和链长不同引起的棉花纤维束强度差异，在测定中尚未证实，本研究旨在确定从不同棉纤维中提取的结晶微纤维素片段中纤维素链的长度，并找出这些数值与纤维束强度的关系。结晶纤纤维片段是用醋酸／硝酸试剂处理棉纤维提取的，结晶纤维素溶于氯化锂的Ｎ，Ｎ－二甲基乙酰胺溶液。纤维素溶液的１３Ｃ核磁共振波谱可显示葡萄糖碳在１０３．１，１７４，２，７５．８，７８．５及５９．９ｐｐｍ水平上的化学位移，这些化学位移     

苎麻韧皮纤维超微结构的研究

为了寻找苎麻栽培的科学管理依据及提高苎麻纤维产量和品质和途径,采用秀射电子显微地苎麻纤维细胞超微结构进行了观察,结果表明,苎麻纤维细胞壁具有６个层次,其中初生壁１层,次生壁５层,结合光学显微镜观察,发现苎麻纤维次生壁具有３个不同的螺肇层次,即以,中层和内层和内内、外层纤维素微纤维丝近横向排列,中层微纤丝近轴向排列,结节处纤维素纤丝出现断裂、缺损或附加,这些是影响苎麻纤维长度、强力、光泽等品种的主要     

山东不同产棉区棉纤维品质的差异

在鲁西北的临清、鲁北的惠民和鲁西南的成武选择中上等地力棉田种植3个主推抗虫棉品种鲁棉研21、鲁棉研28和K638,研究了不同生态区对棉纤维品质的影响。结果表明,鲁西南和鲁西北棉区的棉纤维长度较好,鲁北棉区棉纤维长度较短,而纤维细度则是鲁北好于鲁西南和鲁西北棉区。纤维比强度的表现与品种类型有关,早发型品种在鲁北棉区表现好,后发型品种则在鲁西南表现较好,稳发型品种鲁棉研28在3个产棉区的表现相对稳定。按照生态区和品种类型合理选择品种、搞好品种布局是提高棉花纤维品质的重要途径。