ポプラの細胞壁構造に共通する自然設計原理を発見(Researchers at National Laboratory of the Rockies Uncover Natural Design Laws That Shape Tree Cell Walls)

2026-11-10 ロッキーズ国立研究所(NLR)

米国エネルギー省のNational Laboratory of the Rockies(NLR)の研究チームは、ポプラ13系統の二次細胞壁を原子・分子レベルで分析し、遺伝的な違いがあっても細胞壁の基本的な高分子構造が種内でほぼ共通していることを明らかにした。研究では、セルロース、ヘミセルロース、リグニンから構成される細胞壁の立体的な配置と相互作用を調べるため、炭素13を取り込ませたポプラを6週間育成し、固体核磁気共鳴分光法(ssNMR)によって13系統の試料を分析した。その結果、化学組成の割合には個体差があるものの、高分子の基本的な配置構造には共通の設計原理が存在することを確認した。さらに、実験データに基づくポプラ二次細胞壁の高分子モデルを構築し、木材の熱分解シミュレーションにも活用した。この成果により、バイオマス研究で多数の遺伝系統を個別に分析する必要性が減り、木材から燃料・化学品・高機能材料を製造する研究の効率化が期待される。

ポプラの細胞壁構造に共通する自然設計原理を発見(Researchers at National Laboratory of the Rockies Uncover Natural Design Laws That Shape Tree Cell Walls)

NLR scientists spent six weeks growing 13 poplar genotypes in a carbon 13-enriched environment to prepare them for atomic-level ssNMR experimentation. Photo by Gregory Cooper, National Laboratory of the Rockies

<関連情報>

固体核磁気共鳴(ssNMR)と原子論的モデリングによって明らかになった、ポプラ二次細胞壁の保存された高分子構造 Conserved macromolecular architecture of poplar secondary cell walls revealed by ssNMR and atomistic modeling

Bennett Addison, Malitha C. Dickwella Widanage, Meagan F. Crowley, Vivek S. Bharadwaj, Lintao Bu, Michael F. Crowley, Anne E. Harman-Ware & Peter N. Ciesielski

Nature Communications  Published:02 July 2026

DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-75007-7

Abstract

The macromolecular architecture of plant secondary cell walls governs wood’s mechanical and biochemical properties, yet its natural intra-species variability remains poorly characterized. Here, we combined ¹³C solid-state NMR (ssNMR), multivariate statistical analysis, and molecular modeling to profile nanoscale structure across 13 genetically diverse Populus trichocarpa genotypes grown in ¹³C-enriched atmospheres. SsNMR-derived phenotypes spanning composition, structure, mobility, and inter-polymer proximities reveal a conserved architecture, with a subtle yet coordinated variation organizing into dominant structural and secondary mobility axes. A representative atomistic model captures these features and reproduces experimental metrics. Molecular dynamics simulations support a weak but consistent positive correlation between cellulose abundance and crystalline-like order, with interior cellulose chains enriched in tg (trans–gauche) conformations without expanding crystalline cores. Together, experiment and simulation reveal a genetically buffered, broadly conserved nanoscale architecture across genotypes, where subtle fine-tuning of cellulose bundling and matrix packing balances mechanical performance with biological function.

1303林産
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