东京农工大学研究生院农学研究科生物系统科学研究科教授梶田真也教授等国内外研究机构的研究小组，阐明了大正时代在奥尻岛发现的野生桑树红木桑产生鲜红色木材的机制。红桑树生产的木材不仅具有红色的特点，而且其成分比普通树木生产的木材更容易分离，适合生产化学纸浆、燃料和化工产品。这一成果开辟了桑木利用的新途径，也有望应用于其他树种。
该研究成果已决定发表在美国植物生物学会植物生理学期刊上，并已发表初稿
论文标题：揭开百年之谜：Sekizaisou 是一种天然木质素突变体
暂定发布日期：2020 年 2 月 12 日（美国时间）
网址：http://wwwplantphyolorg/content/early/2020/02/12/pp1901467
蚕桑业据说始于约5000年前的中国，在日本已有约2000年的历史。在此期间，日本创造了许多独特的桑树品种，直到今天，全国各地仍保存和栽培了数百个品种，主要是在茨城县筑波市的国家农业和食品研究机构的农业领域。在这些品种中，有许多在叶和茎上具有特殊性状的品种，虽然具有很高的学术价值，但迄今为止，在遗传水平上详细研究性状表达机制的品种却很少。
红木桑（Sekizaisou）（图 1）是 1912 年左右在北海道奥尻岛发现的野生桑树。在夏季生长季节，它的茎和枝上会产生鲜红色的木材（图 2）。当红桑葚首次在岛上被发现时，被称为紫桑或药用桑葚，据说它不仅用于养蚕，还被用作神道仪式的祭品和中药的成分。大正11年，当时的东京杉并蚕桑实验站将接穗运到蚕桑实验站，制成树苗，并由该机构的员工吉村竹吉先生将其命名为“红桑”。从那时起，红桑树就通过嫁接的方式进行分割，并且在日本的一些地方仍然种植着。
乌木等树木产生具有独特颜色的木材并不罕见，但随着时间的推移，木材的成熟会出现明显的颜色。因此，在许多树种中，木材在树干或树枝上形成后立即呈淡奶油色，目前还没有野生树种从一开始就呈现出鲜红色的报道，例如红桑。到目前为止，导致红桑产生红木的基因以及红木的化学成分还没有完全弄清楚。
图1田间生长的红桑
|
图2去皮的红桑枝（右），左为正常品种作为对照
|
这项研究由东京农工大学、国立农业食品研究机构 (NARO)、国立产业技术综合研究所、林业研究管理机构、美国威斯康星大学和比利时根特大学这四家国内机构联合开展。这项研究得到了 JSPS 科学研究资助编号 18H02250 和 JST 先进低碳技术开发 JPMJAL 编号 1107 的支持。
课题组首先进行了硫代酸解(注释 1)的特殊方法研究了木材的分解产物。结果，茚骨架(注释 2)。这种化合物就是木质素 (注释 3)，推测红桑的木质素具有特殊的结构。接下来，我们从红桑中分离出木质素，并利用核磁共振波谱研究了其分子结构，发现红桑木质素中含有大量的肉桂醛，而肉桂醛正是上述茚的前体。推测原因是参与木质素合成的肉桂醇脱氢酶（CAD）基因功能障碍。
为了证实这一点，研究小组使用新一代测序仪对红桑和常规品种的基因组 DNA 进行了解码，并确定了 CAD 基因的完整碱基序列。结果发现，常规品种中正常的CAD基因在红桑中由于单个碱基的插入而被完全破坏。在常规品种中，肉桂醇是通过 CAD 的作用合成的，CAD 聚合产生木质素。然而，在红桑中，CAD基因被破坏，因此无法合成足够量的肉桂醇，而作为替代品的肉桂醛发生聚合，导致木质素结构发生变化（图3）。
将肉桂醛掺入木质素中有望提高木质素在碱性条件下的降解性，并有助于通过后续酶处理提高木材中单糖的回收率（糖化率）。当用碱性溶液预处理的木粉实际用纤维素酶水解时，红桑木的糖化率显着提高，正如预期的那样（图4）。
图3木质素合成途径示意图及木质素结构
图4桑木酶解糖化试验
用碱性溶液预处理使红桑木更容易糖化
木材是一种生物质资源，通过适当的管理可以可持续地再生。目前，世界各地正在开发利用木材生产燃料和化学产品的技术，以取代我们使用的部分化石资源，但从木材中高效去除木质素已成为一项重大技术挑战。人们认为，对红桑树进行更详细的研究不仅有助于扩大桑树的用途，而且有助于扩大其他树种木材的用途，红桑树积累的木材可以很容易地去除其中的木质素。