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木質(zhì)素作為木質(zhì)部細(xì)胞壁第二大結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，是由三種苯丙烷醇（愈創(chuàng)木基S型木質(zhì)素、紫丁香基G型木質(zhì)素和對羥苯基H型木質(zhì)素）結(jié)構(gòu)單元經(jīng)醚、碳鍵交聯(lián)聚合而成的不定型芳香族聚合物。另外，木質(zhì)素單體因其化學(xué)官能團(tuán)—甲氧基的甲基化不可逆和間位特異性，使得木質(zhì)素聚合物具有化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、組織支撐穩(wěn)固、抵御環(huán)境脅迫和生物難降解等特性。因此，木質(zhì)素單體組成（S和G）與比率（G/S）被用于指示植物生長對水熱脅迫的響應(yīng)（New Phytologist, 2018）和植物碳源對土壤碳庫的貢獻(xiàn)（Nature Communications, 2020）。也有研究表明，在木質(zhì)素生物合成與甲基化過程中，其甲氧基穩(wěn)定氫同位素比率（δ2HLM）具有攜帶水分?jǐn)U散和液-氣轉(zhuǎn)化的同位素分餾效應(yīng)（New Phytologist, 2004），從而可用于指示植物生長對水（降水量效應(yīng)）熱（近地表溫度）資源利用的屬性（Quaternary Science Reviews, 2021）。然而，木質(zhì)素多指標(biāo)（G/S和δ2HLM）耦合用于指示植物凋落物生物降解與化學(xué)轉(zhuǎn)化機(jī)理還并不十分清楚，以及能否用于響應(yīng)氣候-植被南北過渡帶顯著的秦嶺地區(qū)水熱氣候還存在未知。

針對上述技術(shù)瓶頸與科學(xué)問題，陜西省西安植物園路強(qiáng)強(qiáng)博士聯(lián)合陜西師范大學(xué)、德國海德堡大學(xué)、瑞士聯(lián)邦森林研究所、中科院地球環(huán)境研究所等單位科研人員，開展木質(zhì)素多指標(biāo)生物降解、化學(xué)轉(zhuǎn)化和水熱環(huán)境指示綜合研究。從園林生物質(zhì)生物降解與化學(xué)轉(zhuǎn)化角度發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素單體G/S比率和δ2HLM比率具有指示降解型微生物的酶解特性，盡管不同木質(zhì)素單體在生物降解過程中存在位點(diǎn)甲基化差異，但其多指標(biāo)耦合具有顯著表征氧化酶解與化學(xué)轉(zhuǎn)化效率作用（圖1）。

圖1 木質(zhì)素生物降解與化學(xué)轉(zhuǎn)化的酶解機(jī)理和單體結(jié)構(gòu)變化（圖片：文章）

基于樹木生長與木質(zhì)素多指標(biāo)耦合關(guān)系，發(fā)現(xiàn)盡管樹輪木質(zhì)素總物質(zhì)含量存在邊心材差異，但松柏類裸子植物的木質(zhì)素單體（只含有G型木質(zhì)素）含量和δ2HLM比率不存在甲氧基供體差異，同時樹輪δ2HLM比率具有顯著指示生長季5-8月溫度和蒸騰效率最高月份飽和水氣壓差的作用；秦嶺南北坡向與海拔梯度地理景觀格局樹木生長對水熱資源利用的響應(yīng)關(guān)系證實(shí)，南北坡向樹輪δ2HLM比率具有指示秦嶺山體對水汽阻擋的降水量和南坡暖濕北麓暖干的溫度效應(yīng)，而山脊早晚材分辨率樹輪δ2HLM比率具有表征早春溫度和夏季風(fēng)降水的作用（圖2）。

圖2 秦嶺南北坡及山脊樹輪δ2HLM比率的水熱指示特征（圖片：文章）

同時發(fā)現(xiàn)，太白山海拔梯度樹輪早晚材δ2HLM比率具有顯著的水熱指示海拔依賴性和季節(jié)差異性，而高山林線樹輪δ2HLM比率與樹木水熱資源利用效率更具時空一致性（圖3），這為進(jìn)一步利用樹輪木質(zhì)素多指標(biāo)探究秦嶺高山林線不同生活型優(yōu)勢樹種源水利用策略和種間水熱權(quán)衡關(guān)系提供了科學(xué)支撐。

圖3 太白山海拔梯度樹輪δ2HLM比率指示水熱變化的海拔依賴性（圖片：文章）

上述研究成果分別以“Variations in lignin monomer contents and stable hydrogen isotope ratios in methoxy groups during the biodegradation of garden biomass”（2022, 12, 8734）、“園林生物質(zhì)中離子液體-復(fù)合菌劑共降解體系的構(gòu)建”（2020, 40(11), 4027-4037）、“Tree-ring δ2H records of lignin methoxy indicate spring temperature changes since 20th century in the Qinling Mountains, China”（2022, 76, 126020）、“Tree-ring lignin proxies in Larix gmelinii forest growing in a permafrost area of northeastern China: Temporal variation and potential for climate reconstructions”（2020, 118, 106750）和“Altitude-speci?c differences in tree-ring δ2H records of wood lignin methoxy in the Qinling Mountains, central China”（2023, 300, 107895）為題，先后發(fā)表于綜合期刊《Scientific Reports》（Q2, IF = 4.996）、T1學(xué)報(bào)《環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)》、樹輪學(xué)經(jīng)典期刊《Dendrochronologia》（Q2, IF = 3.071）、環(huán)境與生態(tài)學(xué)期刊《Ecological Indicators》（Q1, IF = 6.263）和地學(xué)領(lǐng)域著名期刊《Quaternary Science Reviews》（Q1, IF = 4.456），同時獲批授權(quán)發(fā)明專利“一種離子液體-復(fù)合菌劑體系”（授權(quán)公告號CN 112063544 B）1件。陜西省西安植物園（陜西省科學(xué)院土壤資源與生物技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）特色農(nóng)業(yè)與環(huán)境植物學(xué)團(tuán)隊(duì)路強(qiáng)強(qiáng)博士均為第一作者或第一發(fā)明人，陜西師范大學(xué)劉曉宏教授為部分研究成果的通訊作者。該系列工作得到陜西省科學(xué)院優(yōu)秀青年項(xiàng)目（2018k-11）、陜西省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（2021JQ-968）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)（2019TS-017）等經(jīng)費(fèi)的共同資助，由來自陜西省西安植物園、陜西師范大學(xué)、西北大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、陜西省微生物研究所、中科院地球環(huán)境研究所、中科院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院、中科院南京土壤研究所、秦嶺國家植物園、德國海德堡大學(xué)、瑞士聯(lián)邦森林研究所、加拿大多倫多大學(xué)密西沙加分校等單位組成的研究團(tuán)隊(duì)合作完成。