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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Hier stellen wir eine modifizierte TGA-Methode zur Abschätzung des Ligningehalts in krautiger pflanzlicher Biomasse vor. Diese Methode schätzt den Ligningehalt durch Bildung spezifischer Thioetherbindungen mit Lignin und stellt einen Vorteil gegenüber der Klason-Methode dar, da sie eine relativ kleine Stichprobe für die Ligningehaltsschätzung erfordert.
Lignin ist ein natürliches Polymer, das nach Cellulose das zweithäufigste Polymer auf der Erde ist. Lignin wird hauptsächlich in pflanzlichen sekundären Zellwänden abgelagert und ist ein aromatisches Heteropolymer, das hauptsächlich aus drei Monolignolen mit erheblicher industrieller Bedeutung besteht. Lignin spielt eine wichtige Rolle beim Wachstum und der Entwicklung von Pflanzen, schützt vor biotischen und abiotischen Belastungen und in der Qualität von Tierfutter, Holz und industriellen Ligninprodukten. Eine genaue Abschätzung des Ligningehalts ist sowohl für das grundlegende Verständnis der Ligninbiosynthese als auch für die industriellen Anwendungen von Biomasse unerlässlich. Die Thioglykolsäure (TGA)-Methode ist eine sehr zuverlässige Methode zur Abschätzung des Gesamtligningehalts in der pflanzlichen Biomasse. Diese Methode schätzt den Ligningehalt durch Bildung von Thioethern mit den Benzylalkoholgruppen von Lignin, die unter alkalischen Bedingungen löslich und unter sauren Bedingungen unlöslich sind. Der Gesamt-Ligningehalt wird anhand einer Standardkurve geschätzt, die aus kommerziellem Bambus-Lignin erzeugt wird.
Lignin ist eine der lebenswichtigen tragenden Komponenten pflanzlicher Zellwände und das zweithäufigste Polymer auf der Erde1. Chemisch ist Lignin ein vernetztes Heteropolymer, das aus hochmolekularen komplexen phenolischen Verbindungen besteht, die eine natürliche erneuerbare Quelle aromatischer Polymere und die Synthese von Biomaterialien bilden2,3. Dieses natürliche Polymer spielt eine wichtige Rolle bei Pflanzenwachstum, Entwicklung, Überleben, mechanischer Unterstützung, Zellwandsteifigkeit, Wassertransport, Mineraltransport, Unterbringungsresistenz, Gewebe- und Organentwicklung, Energieablagerung und Schutz vor biotischen und abiotischen Belastungen4,5,6,7. Lignin besteht hauptsächlich aus drei verschiedenen Monolignolen: Coniferyl-, Sinapyl- und p-Cumarinalkohole, die aus dem Phenylpropanoidweg8,9abgeleitet sind . Die Menge an Lignin und die Zusammensetzung der Monomere variieren je nach Pflanzenart, Gewebe- / Organtyp und verschiedenen Stadien der Pflanzenentwicklung10. Lignin wird grob in Nadelholz, Hartholz und Graslignin klassifiziert, basierend auf der Quelle und der Monolignolzusammensetzung. Nadelholz besteht hauptsächlich aus 95% Coniferylalkohol mit 4% p-Cumarin und 1% Sinapylalkoholen. Laubholz hat Nadel- und Sinapylalkohole in gleichen Anteilen, während Gras lignin aus verschiedenen Anteilen von Coniferyl-, Sinapyl- und p-Cumarinalkoholenbesteht 11,12. Die Zusammensetzung der Monomere ist entscheidend, da sie die Ligninstärke, den Abbau und den Abbau der Zellwand bestimmt sowie die molekulare Struktur, Verzweigung und Vernetzung mit anderen Polysaccharidenbestimmt 13,14.
Die Ligninforschung gewinnt aufgrund ihrer niedrigen Kosten und hohen Häufigkeit an Bedeutung in der Nahrungssuche, Textilindustrie, Papierindustrie und für Bioethanol, Biokraftstoffe und Bioprodukte15,16. Verschiedene chemische Methoden (z. B. Acetylbromid, saure Reinigungsmittel, Klason und Permanganatoxidation) sowie instrumentelle Methoden (z. B. Nahinfrarotspektroskopie (NIR), Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) und Ultraviolettspektrophotometrie (UV) wurden zur Ligninquantifizierungverwendet 9,17. Die Analysemethoden von Lignin werden im Allgemeinen nach elektromagnetischer Strahlung, Gravimetrie und Löslichkeit klassifiziert. Das Prinzip der Ligninabschätzung durch elektromagnetische Strahlung basierte auf der chemischen Eigenschaft von Lignin, mit der es Licht bei bestimmten Wellenlängen absorbiert. Diese Ergebnisse wurden auf der Grundlage des Prinzips geschätzt, dass Lignin eine stärkere UV-Absorption als Kohlenhydrate hat. Im Jahr 1962 verwendeten Bolker und Somerville Kaliumchloridpellets, um den Ligningehalt in Holz zu schätzen18. Diese Methode hat jedoch Nachteile bei der Abschätzung des Ligningehalts aus krautigen Proben aufgrund des Vorhandenseins von Nicht-Ligninphenolverbindungen und des Fehlens eines geeigneten Extinktionskoeffizienten. Im Jahr 1970 fanden Fergus und Goring heraus, dass die Absorptionsmaxima von Guaiacyl und Syringylverbindung bei 280 nm und 270 nm lagen, was das Problem des Extinktionskoeffizienten der Bolker- und Somerville-Methodekorrigierte 19. Später wurde die Infrarotspektroskopie, eine hochempfindliche Technik zur Charakterisierung von Phenolen, auch zur Ligninschätzung mit einer kleinen Menge pflanzlicher Biomasseproben eingesetzt. Ein Beispiel für eine solche Technologie war die diffreflektierte Fourier-Transformationsspektrophotometrie. Diesem Verfahren fehlt jedoch ein geeigneter Standard ähnlich dem UV-Verfahren20. Später wurde der Ligningehalt mittels NIRS (Nahinfrarotspektroskopie) und NMR (Kernspinresonanzspektroskopie) geschätzt. Obwohl es Nachteile in diesen Methoden gibt, verändern sie nicht die chemische Struktur von Lignin und behalten seine Reinheit20.
Die gravimetrische Klason-Methode ist eine direkte und zuverlässigste Analysemethode zur Ligninschätzung von holzigen Stängeln. Grundlage für die gravimetrische Ligninschätzung ist die Hydrolyse/Solubilisierung von Nicht-Ligninverbindungen und die Sammlung von unlöslichem Lignin für die Gravimetrie21. Bei diesem Verfahren werden die Kohlenhydrate durch Hydrolyse der Biomasse mit konzentriertemH2SO4 entfernt, um Ligninreste20,22zu extrahieren. Der mit dieser Methode geschätzte Ligningehalt wird als säureunlösliches Lignin oder Klason-Lignin bezeichnet. Die Anwendung der Klason-Methode hängt von der Pflanzenart, dem Gewebetyp und dem Zellwandtyp ab. Das Vorhandensein variabler Mengen an Nicht-Lignin-Komponenten wie Tanninen, Polysacchariden und Proteinen führt zu proportionalen Unterschieden bei der Abschätzung des gehalts an säureunlöslichem/löslichem Lignin. Daher wird die Klason-Methode nur für die Ligninschätzung von Biomasse mit hohem Ligningehalt wie holzigen Stängelnempfohlen 17,23. Löslichkeitsmethoden wie Acetylbromid (AcBr), säureunlösliches Lignin und Thioglykolsäure (TGA) sind am häufigsten verwendete Methoden zur Abschätzung des Ligningehalts aus verschiedenen pflanzlichen Biomassequellen. Kim et al. etablierten zwei Methoden zur Ligninextraktion durch Solubilisierung. Das erste Verfahren extrahiert Lignin als unlöslichen Rückstand durch Solubilisieren von Cellulose und Hemicellulose, während das zweite Verfahren Lignin in der löslichen Fraktion trennt, wobei Cellulose und Hemicellulose als unlöslicher Rückstand24 verbleiben.
Ähnliche Methoden, die bei der Ligninschätzung auf der Grundlage der Löslichkeit verwendet werden, sind Thioglykolsäure (TGA) und Acetylbromid (AcBr) Methoden25. Sowohl TGA- als auch Acetylbromidmethoden schätzen den Ligningehalt, indem sie die Absorption des solubilisierten Lignins bei 280 nm messen; Die AcBr-Methode baut jedoch Xyle während des Prozesses der Lignin-Solubilisierung ab und zeigt einen falschen Anstieg des Ligningehalts26. Die Thioglykolat-Methode (TGA) ist die zuverlässigere Methode, da sie von einer spezifischen Bindung mit den Thioethergruppen der Benzylalkoholgruppen von Lignin mit TGA abhängt. Das TGA-gebundene Lignin wird unter sauren Bedingungen unter Verwendung von HCl gefällt, und der Ligningehalt wird anhand seiner Absorption auf 280 nm27geschätzt. Die TGA-Methode hat zusätzliche Vorteile von weniger strukturellen Modifikationen, einer löslichen Form der Ligninschätzung, weniger Interferenzen durch Nicht-Lignin-Komponenten und einer präzisen Schätzung von Lignin aufgrund spezifischer Bindung mit TGA.
Diese TGA-Methode wird basierend auf der Art der pflanzlichen Biomasseprobe modifiziert, die für die Schätzung des Ligningehalts verwendet wird. Hier haben wir die schnelle TGA-Methode von Reisstrohhalmen27 auf Baumwollgewebe modifiziert und angepasst, um den Ligningehalt abzuschätzen. Kurz gesagt, die getrockneten pulverförmigen Pflanzenproben wurden einem Proteinlösibilisierungspuffer und einer Methanolextraktion unterzogen, um Proteine und die alkohollösliche Fraktion zu entfernen. Der alkoholunlösliche Rückstand wurde mit TGA und gefälltem Lignin unter sauren Bedingungen behandelt. Eine Lignin-Standardkurve wurde mit kommerziellem Bambus-Lignin erzeugt und eine Regressionslinie (y = mx+c) erhalten. Der "x"-Wert verwendet durchschnittliche Absorptionswerte von Lignin bei 280 nm, während "m"- und "c"-Werte aus der Regressionslinie eingegeben wurden, um unbekannte Ligninkonzentrationen in Baumwollpflanzen-Biomasseproben zu berechnen. Diese Methode ist in fünf Phasen unterteilt: 1) Vorbereitung von Pflanzenproben; 2) Waschen der Proben mit Wasser und Methanol; 3) Behandlung des Pellets mit TGA und Säure zum Ausfällung von Lignin; 4) Ausfällung von Lignin; und 5) die Standardkurvenvorbereitung und die Schätzung des Ligningehalts der Probe. Die ersten beiden Phasen konzentrieren sich in erster Linie auf die Pflanzenmaterialaufbereitung, gefolgt von Wasser-, PSB- (Protein-Solubilization Buffer) und Methanolextraktionen, um das alkoholunlösliche Material zu erhalten. Dann wurde es mit TGA (Thioglykolsäure) und HCl behandelt, um in der dritten Phase einen Komplex mit Lignin zu bilden. Am Ende wurde HCl verwendet, um Lignin auszuscheiden, das in Natriumhydroxid gelöst wurde, um seine Absorption bei 280 nm28zu messen.
1. Vorbereitung von Pflanzenproben
2. Waschen von Proben mit Wasser, PSB und Methanol
3. Behandlung von Pellets mit TGA und Säure zum Ausfällung von Lignin
4. Ausfällung von Lignin
5. Standardkurvenvorbereitung und Ligninschätzung in der Probe
Zwei verschiedene Baumwoll-Versuchslinien wurden auf Unterschiede in ihrem Ligningehalt in verschiedenen Geweben verglichen. Der extrahierte Ligningehalt jeder Probe wurde bei 280 nm gemessen und die jeweiligen Absorptionswerte aufgezeichnet. Die durchschnittlichen Absorptionswerte jedes biologischen Replikats wurden mit der Regressionslinie der Lignin-Standardkurve verglichen (Tabelle 2, Abbildung 3C). Die Regressionslinie y = mx + c wird verwendet, um den unbekannten Ligningehalt der extrahierten Versuchslinien, Probe 1 und Probe 2, zu berechnen. Die Ergebnisse der durchschnittlichen OD-Werte wurden in "x" substituiert, während "m"- und "c"-Werte aus der Regressionslinie der Lignin-Standardkurve gestopft wurden, um die Ligninkonzentration "y" in mg zu erhalten (Tabelle 3, Abbildung 3B). Im nächsten Schritt, um pro 1 mg Ligningehalt zu berechnen, dividieren Sie den "y" -Wert durch das Gewicht der Probe (15 mg) nach der Methanolextraktion. Im folgenden Schritt wurde zur Berechnung pro Gramm (= 1.000 mg) der y/15-Wert mit 1.000 multipliziert. Um % lignin zu erhalten, dividieren wir den y/15-Wert durch 1.000 und multiplizieren ihn mit 100. Der Durchschnitt von Lignin % für drei biologische Replikate (jeder Linie, Probe 1 und Probe 2) wurde zwischen den beiden Versuchslinien Probe 1 (11,7%) und Stichprobe 2 (10,3 %). Die Ligninwerte waren unter den biologischen Replikaten konsistent, was darauf hindeutet, dass die TGA-Methode eine zuverlässige Methode und hochspezifisch zur Messung des Ligningehalts ist. Vergleichsstudien wurden auch zwischen verschiedenen Gewebetypen (Wurzel, Stamm und Blätter) von zwei experimentellen Baumwolllinien durchgeführt, und beide Linien zeigten einen relativ niedrigeren Ligningehalt in Blättern (3,4%) im Vergleich zu Stängeln (9,4% bis 9,9%) und Wurzeln (9,4% bis 9,2%) (Tabelle 4, Abbildung 4).

Abbildung 1: Vorbereitung der pflanzlichen Biomasseprobe. (A) Gesammeltes Baumwollpflanzenmaterial aus Gewächshaus. (B) Vorsichtig umgedrehte Töpfe, um Wurzeln zu trennen. (C) Gründlich in Wasser gewaschen, um den gesamten Schmutz zu entfernen. (D) Getrennte Wurzel-, Stängel- und Blattgewebe. (E) Luftgetrocknetes Gewebe für 2 Tage nach der Trennung des Gewebes. (F) Luftgetrocknetes Gewebe wird 10 Tage lang bei 49 °C in den Inkubator überführt. (G) Biomassemühle wurde verwendet, um biomassenliche Proben zu mahlen. (H) Gemahlene pflanzliche Biomasseproben von Wurzel, Stängel und Blatt. (I) Gemahlene Proben werden in die Mahlfläschchen geladen, in die Gefriermühlenkammer gegeben und in der Gefriermühle mit einer Rate von 10 CPS für 3 Zyklen gemahlen. (J) Gemahlene Durchstechflaschen mit fein gemahlenem Gewebepulver nach dem Mahlen in der Gefriermühle. (K) Fein gemahlenes Gewebepulver von Wurzel, Stängel und Blatt nach Verwendung der Gefriermühle zum Mahlen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Kritische Schritte bei der TGA-vermittelten Ligninextraktion. Flussdiagramm der kritischen Schritte bei der Ligninextraktion aus pflanzlicher Biomasse zur Ligningehaltsschätzung mit TGA-Methode: 1. Vorbereitung von Pflanzenproben durch ausreichende Trocknung und Vermahlung zu feinem Pulver mit Gefriermühle; 2. 20 mg Gewebepulver wurden PSB-, Methanol- und Wasserwäschen, getrocknetem und extrahiertem alkoholunlöslichem Material unterzogen; 3. Unter Verwendung von TGA und Säure wurde Lignin gefällt; 4. Herstellung der Lignin-Standardkurve unter Verwendung von kommerziellem Bambuslignin; 5. Abschätzung des Ligningehalts. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Standardkurvenvorbereitung und Ligninschätzung in der Probe. (A) Tabelle mit verschiedenen Konzentrationen von handelsüblichem Bambuslign, das zur Erzeugung von Lignin-Standardkurve aus Absorptionswerten bei 280 nm verwendet wird. (B) Streudiagramm, das mit excel-Programm unter Verwendung der Werte aus Tabelle A. (C) Balkendiagramme generiert wurden, die den geschätzten Ligningehalt des Wurzelgewebes von Probe 1 und Probe 2 darstellen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
| Lösung | Benötigte Bestände | Präparat |
| Protein-Solubilisierungspuffer (PSB) | 1 M Tris HCl pH 8,8 und 0,5 M EDTA pH 8,0 | Um 100 ml Arbeitslösung von PSB mit einer Endkonzentration von 50 mM Tris, 0,5 mM EDTA und 10 % SDS herzustellen, fügen Sie 5 ml 1 M Tris, 1 ml EDTA und 10 g SDS bis 80 ml steriles Wasser hinzu, mischen, lösen und das Endvolumen mit sterilem Wasser auf 100 ml auffüllen. Autoklav bei 121 °C, 15 psi Druck, für 30 min. |
| 1 M Tris HCl | Um 100 ml 1 M Tris vorzubereiten, fügen Sie 12,1 g Tris HCl (Molekulargewicht = 121,14 g) in 80 ml Wasser hinzu. Mischen Sie Tris HCl durch Rühren auf einem Magnetrührer, stellen Sie den pH-Wert mit NaOH auf 8,8 ein und machen Sie das Volumen mit sterilem Wasser und Autoklaven bei 121 °C, 15 psi Druck, für 30 min auf 100 ml. | |
| 0,5 M EDTA (Ethylendiamintetraacetsäure) | Um 100 ml 0,5 M EDTA vorzubereiten, fügen Sie 18,6 g EDTA in 70 ml Wasser hinzu. Stellen Sie den pH-Wert mit Natriumhydroxidpellets auf 8,0 ein (EDTA löst sich bei pH 8,0 vollständig auf) und machen Sie das Volumen auf 100 ml. Autoklavieren Sie die Lösung bei 121 °C, 15 psi Druck, für 30 min. | |
| 3 N Salzsäure (HCL) | Um 100 ml 3 N HCl vorzubereiten, fügen Sie 26 ml konzentriertes HCL zu 74 ml sterilem Wasser hinzu. | |
| 4 % Natriumhydroxid (NaOH) | 1 N Natriumhydroxidlösung vorbereiten, 4 g Natriumhydroxid in 90 ml sterilem Wasser hinzufügen, auflösen, das Volumen auf 100 ml auffüllen und bei 121 °C, 15 psi Druck, für 30 min autoklavieren. |
Tabelle 1: Herstellung der im Protokoll verwendeten Lösungen. Tabelle, die die Herstellung verschiedener Lösungen zeigt, die im Protokoll verwendet werden.
Tabelle 2: Lignin-Standardkurve von 0,5 mg bis 3,5 mg industriellem Bambus-Lignin. Streudiagramm mit Regressionslinie, die m- und c-Werte anzeigt. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
Tabelle 3: Lignin-Vorlage zur Berechnung des unbekannten Ligningehalts unter Verwendung von Absorptionsmesswerten von Proben bei 280 nm (als x) und Standardkurvenregressionslinien 'm' und 'c' Aus der Standardkurve. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
Tabelle 4: Ligningehalt aus verschiedenen Geweben (Wurzel, Stängel und Blätter) der Baumwollpflanze im Stadium nach der Blüte. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
Die Autoren erklären, dass sie keinen Interessenkonflikt haben.
Hier stellen wir eine modifizierte TGA-Methode zur Abschätzung des Ligningehalts in krautiger pflanzlicher Biomasse vor. Diese Methode schätzt den Ligningehalt durch Bildung spezifischer Thioetherbindungen mit Lignin und stellt einen Vorteil gegenüber der Klason-Methode dar, da sie eine relativ kleine Stichprobe für die Ligningehaltsschätzung erfordert.
Wir danken dem Department of Plant & Soil Science und Cotton Inc. für die teilweise Unterstützung dieser Studie.
| BioSpektrophotometer kinetisch | Eppendorf kinetische | 6136000010 | Zur Messung der Extinktion bei 280 nm |
| Zentrifuge | Eppendorf | 5424 | Zum Zentrifugieren von Proben |
| Kommerzielles Bambuslignin | Aldrich | 1002171289 | Wird bei der Erstellung der Standardkurve Verwendet |
| Destilliertes Wasser | Fischer Scientific | 16690382 | Wird in der Protokoll |
| Falcon Tubes | VWR | 734-0448 | Behälter für Lösungen |
| Tiefkühlmühle | Spex Sample Prep | 68-701-15 | Für die Feinvermahlung von pflanzlichen Gewebeproben |
| Heizblock/ Thermischer Mischer | Eppendorf | 13527550 | Für temperaturgesteuerte Schritte während der Ligninextraktion |
| Heizplattenrührer | Walter | WP1007-HS | Wird zur Herstellung von Lösungen verwendet |
| Salzsäure (HCL) | Sigma | 221677 | Wird im Protokoll |
| verwendet Inkubator | Fisherbrand | 150152633 | Zur gründlichen Trocknung von Pflanzengewebeproben |
| Messwaage | Mettler toledo | 30243386 | Zur Messung des Gewichts, der Standards und der Mikrofugenröhrchen |
| Methanol (100 %) | Fischer Scientific | 67-56-1 | Wird im Protokoll verwendet |
| Mikrofuge-Röhrchen (2 mL) | Mikrozentrifuge | Z628034-500EA | Behälter für die Extraktion von Lignin |
| Pflanzliche Biomasse Gerinder | Hanchen | Amazon | Wird zum Zerkleinern getrockneter Proben |
| verwendet pH-Meter | Fisher Scientific | AE150 | Messung des pH-Werts für Lösungen, die für die Ligninextraktion vorbereitet |
| Temperaturgesteuerter Inkubator/Ofen | Fisher Scientific | 15-015-2633 | Wird im Protokoll verwendet |
| Thioglykolsäure (TGA) | Sigma Aldrich | 68-11-1 | Wird im Protokoll |
| verwendet Vakuumtrockner | Eppendorf | 22820001 | Wird zum Trocknen von Proben verwendet |
| Vortex-Mischer | Eppendorf | 3340001 | Zum richtigen Mischen von Proben |