陕西省西安植物园在木质素生物降解、化学转化和环境指代等领域取得系列研究进展

　　木质素作为木质部细胞壁第二大结构性物质，是由三种苯丙烷醇（愈创木基S型木质素、紫丁香基G型木质素和对羟苯基H型木质素）结构单元经醚、碳键交联聚合而成的不定型芳香族聚合物。另外，木质素单体因其化学官能团—甲氧基的甲基化不可逆和间位特异性，使得木质素聚合物具有化学结构稳定、组织支撑稳固、抵御环境胁迫和生物难降解等特性。因此，木质素单体组成（S和G）与比率（G/S）被用于指示植物生长对水热胁迫的响应（New Phytologist, 2018）和植物碳源对土壤碳库的贡献（Nature Communications, 2020）。也有研究表明，在木质素生物合成与甲基化过程中，其甲氧基稳定氢同位素比率（δ²H_LM）具有携带水分扩散和液-气转化的同位素分馏效应（New Phytologist, 2004），从而可用于指示植物生长对水（降水量效应）热（近地表温度）资源利用的属性（Quaternary Science Reviews, 2021）。然而，木质素多指标（G/S和δ²H_LM）耦合用于指示植物凋落物生物降解与化学转化机理还并不十分清楚，以及能否用于响应气候-植被南北过渡带显著的秦岭地区水热气候还存在未知。

　　针对上述技术瓶颈与科学问题，陕西省西安植物园路强强博士联合陕西师范大学、德国海德堡大学、瑞士联邦森林研究所、中科院地球环境研究所等单位科研人员，开展木质素多指标生物降解、化学转化和水热环境指示综合研究。从园林生物质生物降解与化学转化角度发现，木质素单体G/S比率和δ²H_LM比率具有指示降解型微生物的酶解特性，尽管不同木质素单体在生物降解过程中存在位点甲基化差异，但其多指标耦合具有显著表征氧化酶解与化学转化效率作用（图1）。

　　图1 木质素生物降解与化学转化的酶解机理和单体结构变化（图片：文章）

　　基于树木生长与木质素多指标耦合关系，发现尽管树轮木质素总物质含量存在边心材差异，但松柏类裸子植物的木质素单体（只含有G型木质素）含量和δ²H_LM比率不存在甲氧基供体差异，同时树轮δ²H_LM比率具有显著指示生长季5-8月温度和蒸腾效率最高月份饱和水气压差的作用；秦岭南北坡向与海拔梯度地理景观格局树木生长对水热资源利用的响应关系证实，南北坡向树轮δ²H_LM比率具有指示秦岭山体对水汽阻挡的降水量和南坡暖湿北麓暖干的温度效应，而山脊早晚材分辨率树轮δ²H_LM比率具有表征早春温度和夏季风降水的作用（图2）。

　　图2 秦岭南北坡及山脊树轮δ²H_LM比率的水热指示特征（图片：文章）

　　同时发现，太白山海拔梯度树轮早晚材δ²H_LM比率具有显著的水热指示海拔依赖性和季节差异性，而高山林线树轮δ²H_LM比率与树木水热资源利用效率更具时空一致性（图3），这为进一步利用树轮木质素多指标探究秦岭高山林线不同生活型优势树种源水利用策略和种间水热权衡关系提供了科学支撑。

　　图3 太白山海拔梯度树轮δ²H_LM比率指示水热变化的海拔依赖性（图片：文章）

　　上述研究成果分别以“Variations in lignin monomer contents and stable hydrogen isotope ratios in methoxy groups during the biodegradation of garden biomass”（2022, 12, 8734）、“园林生物质中离子液体-复合菌剂共降解体系的构建”（2020, 40(11), 4027-4037）、“Tree-ring δ²H records of lignin methoxy indicate spring temperature changes since 20th century in the Qinling Mountains, China”（2022, 76, 126020）、“Tree-ring lignin proxies in Larix gmelinii forest growing in a permafrost area of northeastern China: Temporal variation and potential for climate reconstructions”（2020, 118, 106750）和“Altitude-specific differences in tree-ring δ²H records of wood lignin methoxy in the Qinling Mountains, central China”（2023, 300, 107895）为题，先后发表于综合期刊《Scientific Reports》（Q2, IF = 4.996）、T1学报《环境科学学报》、树轮学经典期刊《Dendrochronologia》（Q2, IF = 3.071）、环境与生态学期刊《Ecological Indicators》（Q1, IF = 6.263）和地学领域著名期刊《Quaternary Science Reviews》（Q1, IF = 4.456），同时获批授权发明专利“一种离子液体-复合菌剂体系”（授权公告号CN 112063544 B）1件。陕西省西安植物园（陕西省科学院土壤资源与生物技术应用重点实验室）特色农业与环境植物学团队路强强博士均为第一作者或第一发明人，陕西师范大学刘晓宏教授为部分研究成果的通讯作者。该系列工作得到陕西省科学院优秀青年项目（2018k-11）、陕西省自然科学基金青年项目（2021JQ-968）和中央高校基本科研业务专项（2019TS-017）等经费的共同资助，由来自陕西省西安植物园、陕西师范大学、西北大学、西北农林科技大学、陕西省微生物研究所、中科院地球环境研究所、中科院西北生态环境资源研究院、中科院南京土壤研究所、秦岭国家植物园、德国海德堡大学、瑞士联邦森林研究所、加拿大多伦多大学密西沙加分校等单位组成的研究团队合作完成。

　　论文1原文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-022-12689-1

　　论文2原文链接：https://doi.org/10.13671/j.hjkxxb.2020.0248

　　论文3原文链接：https://doi.org/10.1016/j.dendro.2022.126020

　　论文4原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2020.106750

　　论文5原文链接：https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2022.107895