木质素单体的特定位点氧同位素分析

木质素是植物细胞壁中丰度仅次于纤维素的大分子。不同木质素单体结构单元中含有数目不等的甲氧基(−OCH3)和羟基(−OH)。木质素结构的高度复杂性对可靠提取并解读其氧同位素组成(18O/16O)信号中的植物生理与习性、气候与环境、大气化学、木质素合成与代谢信息等形成巨大挑战。木质素是由多种木质素单体形成的具有3D结构的非均质杂聚物。最基本的木质素单体有三种：对羟基苯基(p-hydroxyphenyl，H)、愈创木基(guaiacyl，G)和丁香基(syringyl，S)(图一)。
图一 木质素的三种常见单体

虽然木质素里只有碳氢氧三种元素，但这三种元素分别占据了结构中的多个位置。每个元素在结构中不同的位置都有特异性的同位素特征(Position-Specific Isotope Composition，PSIC)。这里我们只讨论氧元素的PSIC。木质素中，羟基氧(−OH，图一红色)很容易与细胞水进行交换，可能记录了细胞水的同位素信号。甲氧基(−OCH3，图一蓝色)极有可能携带着参与了芳环羟基化的分子O2同位素组成的信息。因此，木质素的PSIC可恢复植物生长过程中环境水和大气氧的同位素信号。

但是，由于分析手段的限制，木质素的PSIC中蕴藏的信息并没有得到充分开发和利用。对木质素进行特定位点氧同位素分析(position-specific isotope analysis for oxygen, PSIA-O)存在着巨大的挑战：如何从植物中可靠稳定地提取木质素并保留其原始化学结构?如何对这一非均质杂聚物进行解聚，得到木质素单体，且尽量不引入或丢失O?如何实现木质素单体中PSIA-O分析?

陕西科技大学的周友平博士领导的天然产物稳定同位素组学团队(ICB, Isotopomics in Chemical Biology)开发了木质素单体中PSIA-O分析方法。

首先，ICB团队通过磨木木质素法，即将干燥样品在液氮环境下冷冻后研磨成粉，与溶剂提取相结合的方法，实现了从不同类型的植物中提取木质素。

然后，利用活性炭负载碳化钨(W2C/AC)作为催化剂，将木质素在无氧环境下通过高选择性氢化解聚，获得侧链不含O，而苯环上O未受影响的木质素结构单元(图二上)。

图二 木质素特定位点氧原子同位素测定(PSIA)实现路径

进而，配合气相色谱-高温裂解-同位素比质谱仪联用仪(GC/Py/IRMS)同时测定不同结构单元的O同位素组成(图三)。

图三 芦苇茎木质素解聚结果谱图

基于H，G和S型结构单元之间的生物合成联系(三种木质素同一位置的PSIC一致，详见原文链接)，我们利用同位素质量守衡计算可获得PSIA-O(图二下)。

ICB团队将该方法应用于研究野外成长植物中提取的木质素。初步结果显示在禾本植物中木质素结构单元氧同位素值的顺序为：δ18OH>δ18OG>δ18OS，而木本植物中的δ18O顺序恰好相反。这种禾本与木本之间的差异可能与携带叶片水分18O富集信号的L-络氨酸，和携带分子O2同位素信息的L-苯丙氨酸两种前驱体对木质素合成相对贡献有关。

ICB团队通过湿法化学将复杂生物大分子解聚，利用GC/IRMS进行分子水平同位素表征，并配合同位素质量平衡计算获得分子内同位素组成的思路，打破了迄今为止杂聚物大分子内不同位点同位素组成测量束手无策的局面，将为获取其它大分子内同位素组成提供示范。目前，ICB团队正在测定不同光合类型植物、不同器官(光合和非光合)、不同生活习性(草本/木本、针叶/阔叶)等野外成长植物的木质素PSIC。该方法不仅可以用于恢复古环境信号，还可成为为生物化学和营养代谢等领域研究的有力工具。