木材被广泛应用建筑、家具和制浆造纸等。木材中细胞壁中的主要成分之一为纤维素（40-50%），而纤维素则可以通过进一步深加工转化为能源、材料和化学品。纳米纤维素具有直径小、表面体积比高、羟基丰富、易于功能化、力学性能好、耐化学腐蚀等特点，在工业、食品和医疗等行业表现出巨大的应用潜力，比如废水处理中增强处理膜的吸附量、吸附染料工业废水中有毒染料。在造纸工业中，纳米纤维素同样具有较好的应用价值。

赤霉素是一种重要的植物生长激素，在植物生长和发育中扮演重要的角色，包括种子萌发、胚胎形成、茎伸长和开花等过程。在木材形成过程中，赤霉素促进纤维素的合成和木质部细胞的伸长。前期多项研究表明在杨树中提高赤霉素含量能促进杨树生长和木质部纤维细胞伸长。关于赤霉素是否影响木材中结晶和非结晶纤维素的合成和沉积尚未报道。

本研究利用2种启动子（CaMV 35S启动子和木质部特异表达的糖基转移酶GT8D1基因的启动子）驱动拟南芥赤霉素合成途径关键酶GA20ox基因在银腺杨中过量表达。两种转基因杨树 （命名为35S和8D1）的生长速率都高于野生型，但小苗在转移到田间的时候遇到不良环境的情况下，8D1 转基因杨树的存活率明显高于35S。

利用X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）及和频振动光谱（Sum frequency generation spectroscope, SFG）对8D1转基因植物木质部中纤维细胞的纤维素结构进行观察，发现纤维素的结晶度降低，但纤维素晶粒的尺寸变大。纳米纤维素（纤维素纳米晶）通过经典TEMPO氧化法制备，原子力显微镜（Atomic force microscope, AFM）和扫描电镜（Scan electron microscope, SEM）的检测发现8D1的纳米纤维素直径比对照组样品纳米纤维素增加了约2-2.5倍。与对照（来自野生型的纳米纤维素）相比, 来自转基因植物的纳米纤维素作为纸张的添加剂，纸张的抗张强度和耐破强度显著提升。纸张机械强度的增加，表明通过调控赤霉素合成在制浆造纸应用方面表现有较好的潜力。

本研究发现了赤霉素参与调控木质部纤维素沉积的新功能，并对转基因杨树木材在纳米纤维素的应用潜力进行了探索，表明通过调控赤霉素的合成改良木材材性的可行性，为林木新种质的培育和该种质资源在制浆造纸方面的创新应用提供优质原料。

相关研究结果以题为“Overexpression of a gibberellin 20-oxidase gene in poplar xylem led to an increase in the size of nanocellulose fibrils and improved paper properties”发表在《Carbohydrate Polymers》上。该研究由中国林科院、林科院林业研究所、东北林业大学、北京林业大学、美国宾夕法尼亚州立大学等10个机构19位科学家联合完成。重点实验室李全梓研究员为该论文的通讯作者，中国林科院林业研究所彭霄鹏为第一作者，宾夕法尼亚州立大学Seong H. Kim教授、北京林业大学王堃、文甲龙和彭峰教授、美国威斯康辛大学吕发创和John Ralph教授以及北卡罗莱纳州立大学Ronald R. Sederoff院士等参与相关研究。研究得到中国林科院基本科研业务费专项资金和国家重点研发计划项目的支持。

论文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37173053/

转基因杨树导致纳米纤维素增粗促进制浆造纸应用