Senza etichetta In situ di lignificazione in pareti delle cellule vegetali
Summary
Un metodo basato sulla microscopia confocale Raman è presentato che offre etichetta senza visualizzazione di lignina nelle pareti delle cellule vegetali e il confronto di lignificazione nei diversi tessuti, campioni o specie.
Abstract
Energetici crescenti esigenze in modo sicuro ed efficiente è una sfida pressante globale. Pertanto, la ricerca sulla produzione di biocarburanti che cerca di trovare soluzioni economiche e sostenibile è diventato un compito d'attualità e critica. Biomassa lignocellulosica è pronta a diventare la principale fonte di biomassa per la conversione in biocarburanti liquidi 1-6. Tuttavia, la riluttanza di questi materiali vegetali della parete cellulare di degrado economico ed efficiente, rappresenta uno dei principali ostacoli per il loro uso nella produzione di biocarburanti e prodotti chimici 4. In particolare, lignina, un complesso e irregolare poli-fenilpropanoide heteropolymer, diventa problematica la postraccolta decostruzione della biomassa lignocellulosica. Per esempio nella conversione della biomassa per biocarburanti, inibisce saccarificazione nei processi di produzione di zuccheri semplici per la fermentazione 7. L'uso efficace di biomassa vegetale per uso industriale è infatti in gran parte dipende dalla misura in cui è lignificati la parete cellulare delle piante. La rimozione della lignina è un fattore limitante costoso e 8 e lignina è quindi diventata una selezione delle piante obiettivo chiave e l'ingegneria genetica per migliorare la conversione della parete cellulare.
Strumenti analitici che consentono la caratterizzazione accurata rapida lignificazione delle pareti delle cellule vegetali diventato sempre più importante per valutare un gran numero di popolazioni nidificanti. Procedure estrattive per l'isolamento dei componenti nativi come la lignina sono inevitabilmente distruttiva, portando chimici significativi e modifiche strutturali 9-11. Chimici di analisi in situ metodi sono quindi strumenti preziosi per la caratterizzazione composizionale e strutturale dei materiali lignocellulosici. Microscopia Raman è una tecnica che si basa sullo scattering anelastico o Raman di luce monocromatica, come quella da un laser, in cui è in relazione lo spostamento in energia dei fotoni laser per le vibrazioni molecolari e presenta una intrinseca senza etichetta molecolare "impronta digitale" del campione . Microscopia Raman può permettersi misure non distruttive e relativamente poco costoso, con minima preparazione del campione, dando intuizioni composizione chimica e struttura molecolare in un vicino stato nativo. Imaging chimica da microscopia Raman confocale è stato precedentemente utilizzato per la visualizzazione della distribuzione spaziale di cellulosa e lignina nelle pareti cellulari del legno 12-14. Sulla base di questi risultati precedenti, abbiamo recentemente adottato questo metodo per confrontare lignificazione di tipo selvatico e lignina-deficienti transgenici trichocarpa Populus (pioppo nero) fusto in legno 15. Analizzando le bande Raman lignina 16,17 nella regione spettrale tra 1.600 e 1.700 cm -1, intensità del segnale lignina e localizzazione sono state mappate in situ. Il nostro approccio visualizzati differenze nel contenuto di lignina, localizzazione e composizione chimica. Più di recente, abbiamo dimostrato l'imaging Raman di polimeri della parete cellulare in Arabidopsis thaliana con risoluzione laterale che è sub-micron 18. Ecco, questo metodo si presenta offrendo la visualizzazione della lignina nelle pareti delle cellule vegetali e il confronto di lignificazione nei diversi tessuti, campioni o specie, senza macchie o etichettatura dei tessuti.
Protocol
Discussion
Materiali lignocellulosici sono gerarchiche ed eterogeneo sia per quanto riguarda struttura e composizione. Per un approfondimento strumenti di caratterizzazione analitica che hanno sensibilità chimica, risoluzione spaziale, e che danno spunti in questi materiali nell'ambito nativi sono desiderabili. Il metodo descritto permette la visualizzazione di lignina e confronto di lignificazione di biomassa lignocellulosica impianto con risoluzione spaziale che è sub-micron, senza macchie o etichettatura dei campioni in u…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo Andrew Carroll, Bright Chaibang, Purbasha Sarkar (Energy Biosciences Institute, Berkeley), Bahram Parvin (Lawrence Berkeley National Laboratory) e Vincent L. Chiang (North Carolina State University) per collaborazioni fruttuose e utili discussioni. Questo lavoro è stato sostenuto dal Energy Biosciences Institute. Lavoro alla Fonderia molecolare è stato sostenuto dal Office of Science, Ufficio di Basic Sciences energia, del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti nell'ambito del contratto n. DE-AC02-05CH1123.
Materials
| Material Name | Tipo | Company | Catalogue Number | Comment |
|---|---|---|---|---|
| microscope slides | ||||
| cover slips | ||||
| D2O | ||||
| nail polish | ||||
| immersion oil | ||||
| tweezers | ||||
| pointed brush | ||||
| microtome | ||||
| confocal Raman microscope |
Riferimenti
- Herrera, S. Bonkers about biofuels. Nat Biotechnol. 24, 755-760 (2006).
- Himmel, M. E. Biomass recalcitrance: Engineering plants and enzymes for biofuels production. Science. 315, 804-807 (2007).
- Pauly, M., Keegstra, K. Cell-wall carbohydrates and their modification as a resource for biofuels. Plant J. 54, 559-568 (2008).
- Pauly, M., Keegstra, K. Physiology and metabolism ‘Tear down this wall. Curr Opin Plant Biol. 11, 233-235 (2008).
- Ragauskas, A. J. The path forward for biofuels and biomaterials. Science. 311, 484-489 (2006).
- Somerville, C. Biofuels. Curr Biol. 17, R115-R119 (2007).
- Ralph, J., Brunow, G., Boerjan, W. . Lignins in Encyclopedia of Life Sciences. , (2007).
- Chiang, V. L. From rags to riches. Nat Biotechnol. 20, 557-558 (2002).
- Atalla, R. H., Agarwal, U. P. Raman microprobe evidence for lignin orientation in the cell walls of native woody tissue. Science. 227, 636-638 (1985).
- Atalla, R. H., Agarwal, U. P. Recording Raman spectra from plant cell walls. J Raman Spectrosc. 17, 229-231 (1986).
- Fukushima, K. Regulation of syringyl to guaiacyl ratio in lignin biosynthesis. J Plant Res. 114, 499-508 (2001).
- Agarwal, U. P. Raman imaging to investigate ultrastructure and composition of plant cell walls: distribution of lignin and cellulose in black spruce wood (Picea mariana). Planta. 224, 1141-1153 (2006).
- Gierlinger, N., Schwanninger, M. Chemical imaging of poplar wood cell walls by confocal Raman microscopy. Plant Physiol. 140, 1246-1254 (2006).
- Gierlinger, N., Schwanninger, M. The potential of Raman microscopy and Raman imaging in plant research. Spectrosc Int J. 21, 69-89 (2007).
- Schmidt, M. Label-free in situ imaging of lignification in the cell wall of low lignin transgenic Populus trichocarpa. Planta. 230, 589-597 (2009).
- Agarwal, U. P., Argyropoulos, D. S. An Overview of Raman Spectroscopy as Applied to Lignocellulosic Materials. Advances in Lignocellulosics Characterization. , 201-225 (1999).
- Agarwal, U. P., Ralph, S. A. Determination of ethylenic residues in wood and TMP of spruce by FT-Raman spectroscopy. Holzforschung. 62, 667-675 (2008).
- Schmidt, M. Raman imaging of cell wall polymers in Arabidopsis thaliana. Biochem Biophys Res Comm. 395, 521-523 (2010).
