通过单核自旋核磁共振和原子级建模揭示的杨树次生细胞壁的保守大分子结构

《Nature Communications》：Conserved macromolecular architecture of poplar secondary cell walls revealed by ssNMR and atomistic modeling

　　

摘要

植物次生细胞壁的宏观分子结构决定了木材的机械和生化特性，但其种内的自然变异情况至今仍不甚清楚。在本研究中，我们结合了13C固态核磁共振技术、多变量统计分析以及分子建模方法，对在富含13C的大气环境中生长的13个遗传背景不同的杨树基因型的纳米级结构进行了研究。通过固态核磁共振获得的关于成分、结构、移动性以及聚合物间距离等参数的信息表明，这些杨树具有保守的细胞壁结构，同时存在细微但有序的变异，这些变异形成了主要的结构轴和次要的移动性轴。一个代表性的原子级模型能够呈现这些特征，并与实验数据相吻合。分子动力学模拟结果显示，纤维素的含量与类似晶体的有序度之间存在微弱但稳定的正相关关系，其中细胞内部的纤维素链以反式扭转构象为主，且不会导致晶体核心的扩大。实验与模拟结果共同表明，不同基因型之间的纳米级结构在很大程度上是保守的，而纤维素的排列方式及基质填充状况的微调则有助于在保持机械性能的同时实现生物功能。