优秀！研究成果登上Science、Mol Plant、Nat Plants等权威期刊，这个实验室总结正在改写作物抗倒伏育种的木质素H/G/S“三兄弟”

一、GC-MS法在木质素单体分析中的应用与前景

木质素单体是构成植物细胞壁中复杂木质素高分子的基本结构单元，主要包括对香豆醇（H型）、松柏醇（G型）和芥子醇（S型）三种苯丙烷类醇化合物。由于其化学结构复杂且稳定性差，对木质素单体的精准检测对于理解木质素生物合成机制及推动其在材料科学、生物能源等领域的转化应用具有重要意 义 [1] 。其中，气相色谱-质谱联用（GC-MS）作为主流的木质素单体检测技术之一，因其高灵敏度和高分离效率而得到广泛应用。

GC-MS检测木质素单体的基本原理是通过保留时间和质谱特征离子实现化合物的定性分析，并采用内标法或外标法进行定量计算。由于木质素单体本身极性较强且挥发性较差，检测前必须对其进行衍生化处理——通常采用甲基化、三甲基硅烷化等方式将单体转化为易挥发的衍生物，以便进入气相色谱柱进行有效分离。目前常用的样品前处理方法包括硝基氧化法和硫代酸解法（Thioacidolysis），其中后者能更高效地断裂木质素中的烷基芳基醚键，释放H/G/S单体并通过GC-MS进行准确定量[2-3]。

随着多反应监测模式（MRM）等技术的引入，检测灵敏度得到进一步提升，GC-MS技术在木质素单体分析中优势明显，为木质素单体的高通量分析提供了更可靠的技术支撑。未来，该技术的优化与改进将在木质素功能评价和生物质资源高值化利用中发挥更加重要的作用。

二、木质素单体在农业领域的应用潜力

木质素是陆生植物中仅次于纤维素的高分子化合物，广泛存在于木质部导管分子、厚壁组织和韧皮部纤维中。作为植物细胞壁的关键组分，木质素不仅为植物提供机械强度和抗逆性保护，更因其独特的化学结构与生物活性而在现代农业中展现出广阔的应用潜力。木质素单体在农业领域展现出的应用潜力主要体现在以下几个方面[4-5]。首先，木质素单体中的酚羟基、羧基等活性官能团能够刺激植物根系发育，对作物生长产生积极影响。其次，木质素单体通过氧化聚合可形成三维网络结构，增强植物细胞壁的厚度和硬度，使植物能够抵御风雨等机械应力，提升抗逆性。这一特性对于增强作物对干旱、盐碱、低温等环境胁迫的适应能力具有重要意义。

在具体功能物质方面，某些木质素单体已显示出药用和工业价值。例如，松柏醇具有抗氧化和抗炎作用，也是合成抗肝炎药水飞蓟宾的重要中间体。芥子醇则是重要的化工中间体，可以合成工程纤维单体，同时也是优良的抗炎、抗感染药物原料。对香豆醇作为一种天然存在的酚类化合物，常用于食品防腐剂和香料工业[6]。此外，木质素中的酚类成分因其结构复杂、难分解的特性，是土壤有机碳的重要组成部分，与陆地生态系统的碳循环密切相关[7]。

三、土壤木质素单体检测在农学领域的应用研究相关文献分享

两种抗倒伏能力不同的玉米自交系在干旱适应中采用的不同细胞壁策略

英文标题:Diverging cellwall strategies for drought adaptation in two maize inbreds with contrasting lodging resistance

期刊名字：Plant,Cell & Environment

影响因子：6.3

DOI：https://doi.org/ 10.1111/pce.14822

1.研究内容

本研究以抗倒伏玉米 B73、易倒伏 EA2024 为材料，探究干旱下细胞壁重塑机制及抗倒伏与抗旱性状的关联。

结果表明二者存在显著性状拮抗：B73 抗倒伏、耐旱性弱，干旱复水后死亡；EA2024 易倒伏、抗旱性强，复水可恢复生长。EA2024 本底保水物质含量更高，干旱下通过降低木质素、积累亲水多糖重塑细胞壁；B73 维持木质素总量、改变单体配比，细胞壁刚性更强、重塑模式更特殊。

转录组与理化检测证实，木质素合成关键基因差异表达，结合 MYB、WRKY、ABI 等转录因子的特异性调控，造成两品系细胞壁可塑性差异。

研究明确：高刚性细胞壁适配抗倒伏、牺牲抗旱性，高可塑性细胞壁利于抗旱、不利于抗倒伏，证实二者拮抗关系，为选育多抗玉米品种提供理论依据与基因资源。

2.样本处理

本研究设置多组样本培养与检测：B73、EA2024 玉米自交系分环境种植。转录组样本在气候箱培育至三叶期，分别干旱 7、9、10 d；生理及细胞壁样本于温室干旱 10 d；另设置 25 d 重度干旱复水处理。各组均取 5 株地上组织混合，设 2 个生物学重复。

叶片测定相对含水量与光合参数；茎秆制备细胞壁醇不溶残渣，分步提取果胶、半纤维素，借助 GC、HPLC、免疫斑点检测木质素、多糖与酚类，每项 3 次技术重复。

提取不同干旱时间点植株总 RNA，建库测序，比对玉米参考基因组；DESeq2 筛选差异基因，maSigPro 分析时序表达，qRT-PCR 验证（LUG 为内参）。对细胞壁相关差异基因开展转录因子富集，构建基因型特异性调控网络，形成整套多维度样品前处理与分子检测方案。

3.研究结果

①干旱表型与生理响应

对 B73、EA2024 玉米三叶期幼苗进行干旱处理。干旱 10d，B73 受损伤更重；无论正常供水还是干旱，EA2024 叶片相对含水量更高、保水性更好。正常供水时二者光合参数大多无显著差异，仅 EA2024 蒸腾速率更低。干旱后 EA2024 胞间 CO₂浓度上升，B73 无明显变化。停水 25d 复水，B73 全部死亡，EA2024 一周内恢复生长。说明抗倒伏材料 B73 干旱敏感，易倒伏材料 EA2024 耐旱性更强。

②干旱诱导细胞壁重塑

干旱 10d 测定茎秆细胞壁组分：干旱不改变 B73 木质素总量，EA2024 木质素下降 20%；B73 木质素 H 单体减少、S 单体与 S/G 比值升高，EA2024 单体组成不变。干旱降低两株系木质素聚合度。

干旱下二者纤维素均提升 10%；EA2024 葡萄糖含量上升 60%，B73 糖醛酸上升 60%。正常供水时 EA2024 酯化对香豆酸含量更高，干旱仅小幅提升其阿魏酸 / 对香豆酸比值。

细胞壁分级提取结果显示，B73 干旱后强交联半纤维素糖含量升高；EA2024 仅果胶小幅下降。二者糖醛酸分布对干旱响应差异明显。免疫斑点检测表明干旱改变两类材料果胶、半纤维素精细结构，EA2024 多糖重塑幅度更大。

③干旱改变细胞壁相关基因表达

选取干旱 7、9、10d 样品做转录组测序。主成分分析显示材料基因型、干旱是主要变异来源。干旱调控 B73 中 29%、EA2024 中 21% 全基因组基因；细胞壁相关基因（CWG）受影响比例更高，B73 为 44%，EA2024 为 31%。两系共有大量同步上调 / 下调的细胞壁基因，还有 8 个基因响应趋势完全相反，包含木质素合成、果胶降解相关基因。

④不同功能细胞壁基因对干旱的响应差异

将细胞壁基因分为 5 大类，木质素合成基因受干旱影响比例最高。纤维素、半纤维素与木质素通路多为品系特异性响应，果胶、膜 / 细胞壁蛋白相关差异基因多为两系共有。木质素通路差异最突出：B73 的 PAL 受抑制、C4Hb 等被诱导；EA2024 的 PAL 被诱导，过氧化物酶在两系中表达趋势相反。

⑤细胞壁基因时序表达特征

用 maSigPro 分析 7、9、10d 干旱时序表达，1000 个细胞壁基因划分为 9 个表达簇。簇 1、2 在两个材料中变化一致；簇 3–9 存在自交系特异性。木质素基因的自交依赖型比例最高。

⑥鉴定特异性转录因子及其调控网络

基于细胞壁差异基因富集转录因子，构建调控网络，筛选得到 28 个自交系特异性转录因子（B73 有 12 个，EA2024 有 16 个）。其中 MYB、WRKY、ABI 等家族可特异性调控苯丙烷通路、ABA 信号通路，介导干旱下细胞壁基因的差异化表达。

4.结论

本研究揭示玉米抗倒伏与抗旱性状存在显著拮抗关系。抗倒伏材料 B73 细胞壁刚性强、可塑性低，干旱下基因扰动剧烈、重构代价大，耐旱性弱；而易倒伏材料 EA2024 细胞壁结构灵活，通过富集亲水性组分适配干旱胁迫，抗旱性更强。研究筛选得到的特异性细胞壁基因与转录因子，可为培育抗倒伏、抗旱双抗玉米提供理论依据与基因资源。

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参考文献：

[1]Souza R E, Gomes F J B, Brito E O, et al. A review on lignin sources and uses[J]. J Appl Biotechnol Bioeng, 2020, 7(3): 100-105.

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[3]Ho T T, Salm O S, Lukk T, et al. Utilization of phenolic lignin dimer models for the quantification of monolignols in biomass and in its derived organosolv lignins via thioacidolysis and GC-MS analysis[J]. Analytical Methods, 2025, 17(16): 3283-3289.

[4]Sun M, Zhu Z P, Yu J X, et al. Transcriptomic and physiological analysis reveal phytohormone and phenylpropanoid biosynthesis in root of Cynanchum auriculatum[J]. Plant Growth Regulation, 2023, 101(1): 67-85.

[5]Shu F, Jiang B, Yuan Y, et al. Biological activities and emerging roles of lignin and lignin-based products─ A review[J]. Biomacromolecules, 2021, 22(12): 4905-4918.

[6]Jansen F, Gillessen B, Mueller F, et al. Metabolic engineering for p‐coumaryl alcohol production in Escherichia coli by introducing an artificial phenylpropanoid pathway[J]. Biotechnology and applied biochemistry, 2014, 61(6): 646-654.

[7]Casieri L, Anastasi A, Prigione V, et al. Survey of ectomycorrhizal, litter-degrading, and wood-degrading Basidiomycetes for dye decolorization and ligninolytic enzyme activity[J]. Antonie van Leeuwenhoek, 2010, 98(4): 483-504.

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（实验室部分拍摄）