使用木材作為鋼和混凝土的一種更輕便，更可持續的建筑替代品在世界范圍內引起了越來越多的興趣。盡管木材已在建筑物中使用了數千年，但其機械性能尚未達到主要上部結構的所有現代建筑標準。這部分是由于對木質細胞精確結構的了解有限。

今天發表在《植物科學前沿》上的這項研究還確定了擬南芥植物是合適的模型，可以幫助指導未來的林業育種計劃。

劍橋大學生物化學系的第一作者Jan Lyczakowski博士說：“決定強度的是木材的分子結構，但直到現在我們還不知道確切的分子。這種新技術使我們能夠觀察到大纖維的組成，以及植物之間的分子排列如何不同，這有助于我們了解這可能對木材的密度和強度產生怎樣的影響。”

木材的主要結構塊是每個木質單元周圍的次生壁，次級壁由稱為纖維素和半纖維素的大型聚合物基質制成，并浸有木質素。由于這些次生細胞壁，樹木(例如巨型紅杉)只能達到其巨大的高度，這些次生壁在樹干中的細胞周圍提供了剛性結構。

劍橋大學生物化學系和塞恩斯伯里實驗室(SLCU)的研究小組對低溫掃描電子顯微鏡(cryo-SEM)進行了改造，以對處于生命狀態的樹細胞壁的納米結構進行成像。這揭示了次級細胞壁大纖維的微觀細節，其比人的頭發寬度窄1000倍。

為了比較不同的樹木，他們從劍橋大學植物園的云杉，銀杏和楊樹中收集了木材樣品。將樣品快速冷凍至零下200°C，以使細胞保持其活水合狀態，然后在三納米厚的超薄鉑膜上涂覆，以在顯微鏡下提供良好的可見對比度。

SLCU顯微鏡核心設施經理Raymond Wightman博士說：“與以前使用的技術相比，我們的cryo-SEM有了顯著進步，這使我們能夠首次對水合的木質細胞成像。” “結果表明，在軟木和硬木物種中都存在直徑超過10納米的大纖維結構，并證實它們在所有研究的樹木中都是常見的。”

Cryo-SEM是強大的成像工具，可幫助您了解植物發育的各種過程。先前的木材顯微鏡僅限于脫水的木材樣本，必須對其進行成像，干燥，加熱或化學處理。

該小組還對擬南芥的二次細胞壁進行了成像，擬南芥是一種廣泛用作遺傳學和分子生物學研究的標準參考植物的一年生植物。他們發現它也具有突出的大纖維結構。這一發現意味著擬南芥可以用作進一步研究木材建筑的模型。該團隊使用了一系列與次級細胞壁形成有關的具有不同突變的擬南芥植物，從而能夠研究特定分子在巨纖維形成和成熟中的參與。

SLCU的研究助理Matthieu Bourdon博士說：“擬南芥的變體使我們能夠確定纖維素，木聚糖和木質素等不同分子對大纖維形成和成熟的貢獻。因此，我們現在正在開發一種更好地了解組裝細胞壁的過程。”

擬南芥的豐富遺傳資源為進一步研究次生細胞壁聚合物的復雜沉積及其在定義細胞壁的精細結構以及如何成熟成木中的作用提供了寶貴的工具。

劍橋大學生物化學系的合著者保羅·杜普里教授說：“可視化木材的分子結構使我們能夠研究改變其中某些聚合物的排列方式如何改變其強度。” “了解木材的成分如何組合在一起以形成超堅固的結構，對于理解植物的成熟方式和新材料設計都很重要。”

Dupree補充說：“世界上越來越多地將木材用作一種更輕，更綠色的建筑材料。” “如果我們能夠增加木材的強度，我們可能會開始看到更多的大型建筑從鋼鐵和混凝土轉向木材。”