雖然木質(zhì)素里只有碳?xì)溲跞N元素，但這三種元素分別占據(jù)了結(jié)構(gòu)中的多個位置。每個元素在結(jié)構(gòu)中不同的位置都有特異性的同位素特征(Position-Specific Isotope Composition，PSIC)。這里我們只討論氧元素的PSIC。木質(zhì)素中，羥基氧(−OH，圖一紅色)很容易與細(xì)胞水進行交換，可能記錄了細(xì)胞水的同位素信號。甲氧基(−OCH3，圖一藍色)極有可能攜帶著參與了芳環(huán)羥基化的分子O2同位素組成的信息。因此，木質(zhì)素的PSIC可恢復(fù)植物生長過程中環(huán)境水和大氣氧的同位素信號。
但是，由于分析手段的限制，木質(zhì)素的PSIC中蘊藏的信息并沒有得到充分開發(fā)和利用。對木質(zhì)素進行特定位點氧同位素分析(position-specific isotope analysis for oxygen, PSIA-O)存在著巨大的挑戰(zhàn)：如何從植物中可靠穩(wěn)定地提取木質(zhì)素并保留其原始化學(xué)結(jié)構(gòu)?如何對這一非均質(zhì)雜聚物進行解聚，得到木質(zhì)素單體，且盡量不引入或丟失O?如何實現(xiàn)木質(zhì)素單體中PSIA-O分析?
陜西科技大學(xué)的周友平博士領(lǐng)導(dǎo)的天然產(chǎn)物穩(wěn)定同位素組學(xué)團隊(ICB, Isotopomics in Chemical Biology)開發(fā)了木質(zhì)素單體中PSIA-O分析方法。
首先，ICB團隊通過磨木木質(zhì)素法，即將干燥樣品在液氮環(huán)境下冷凍后研磨成粉，與溶劑提取相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了從不同類型的植物中提取木質(zhì)素。
然后，利用活性炭負(fù)載碳化鎢(W2C/AC)作為催化劑，將木質(zhì)素在無氧環(huán)境下通過高選擇性氫化解聚，獲得側(cè)鏈不含O，而苯環(huán)上O未受影響的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元(圖二上)。
進而，配合氣相色譜-高溫裂解-同位素比質(zhì)譜儀聯(lián)用儀(GC/Py/IRMS)同時測定不同結(jié)構(gòu)單元的O同位素組成(圖三)。
基于H，G和S型結(jié)構(gòu)單元之間的生物合成聯(lián)系(三種木質(zhì)素同一位置的PSIC一致，詳見原文鏈接)，我們利用同位素質(zhì)量守衡計算可獲得PSIA-O(圖二下)。
ICB團隊將該方法應(yīng)用于研究野外成長植物中提取的木質(zhì)素。初步結(jié)果顯示在禾本植物中木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元氧同位素值的順序為：δ18OH>δ18OG>δ18OS，而木本植物中的δ18O順序恰好相反。這種禾本與木本之間的差異可能與攜帶葉片水分18O富集信號的L-絡(luò)氨酸，和攜帶分子O2同位素信息的L-苯丙氨酸兩種前驅(qū)體對木質(zhì)素合成相對貢獻有關(guān)。
ICB團隊通過濕法化學(xué)將復(fù)雜生物大分子解聚，利用GC/IRMS進行分子水平同位素表征，并配合同位素質(zhì)量平衡計算獲得分子內(nèi)同位素組成的思路，打破了迄今為止雜聚物大分子內(nèi)不同位點同位素組成測量束手無策的局面，將為獲取其它大分子內(nèi)同位素組成提供示范。目前，ICB團隊正在測定不同光合類型植物、不同器官(光合和非光合)、不同生活習(xí)性(草本/木本、針葉/闊葉)等野外成長植物的木質(zhì)素PSIC。該方法不僅可以用于恢復(fù)古環(huán)境信號，還可成為為生物化學(xué)和營養(yǎng)代謝等領(lǐng)域研究的有力工具。
