RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
tr_TR
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Burada, otsu bitki biyokütlesinde lignin içeriğinin tahmin edilmesi için değiştirilmiş bir TGA yöntemi sunuyoruz. Bu yöntem lignin ile belirli tiyoether bağları oluşturarak lignin içeriğini tahmin eder ve lignin içeriği tahmini için nispeten küçük bir örnek gerektirdiğinden Klason yöntemine göre bir avantaj sunar.
Lignin, selülozdan sonra dünya üzerindeki en bol ikinci polimer olan doğal bir polimerdir. Lignin esas olarak bitki ikincil hücre duvarlarında birikir ve öncelikle önemli endüstriyel öneme sahip üç monolignoldan oluşan aromatik bir heteropolimerdir. Lignin bitki büyümesinde ve gelişmesinde önemli bir rol oynar, biyotik ve abiyotik streslerden ve hayvan yemi, ahşap ve endüstriyel lignin ürünlerinin kalitesinde korur. Lignin içeriğinin doğru tahmini, hem lignin biyosentezinin temel anlayışı hem de biyokütlenin endüstriyel uygulamaları için gereklidir. Tiyoglikolik asit (TGA) yöntemi, bitki biyokütleslerindeki toplam lignin içeriğini tahmin etmek için son derece güvenilir bir yöntemdir. Bu yöntem, alkali koşullarda çözünür ve asidik koşullarda çözünmeyen lignin benzil alkol grupları ile tiyoetherler oluşturarak lignin içeriğini tahmin eder. Toplam lignin içeriği, ticari bambu ligninden oluşturulan standart bir eğri kullanılarak tahmin edilir.
Lignin, bitki hücre duvarlarının hayati yük taşıyan bileşenlerinden biridir ve Dünya'daki en bol ikinci polimerdir1. Kimyasal olarak, lignin aromatik polimerlerin doğal yenilenebilir kaynağını oluşturan ve biyomalzemelerin sentezini oluşturan yüksek moleküler ağırlıklı karmaşık fenolik bileşiklerden oluşan çapraz bağlı bir heteropolimerdir2,3. Bu doğal polimer bitki büyümesi, gelişimi, hayatta kalma, mekanik destek, hücre duvarı sertliği, su taşıma, mineral taşıma, konaklama direnci, doku ve organ gelişimi, enerji birikimi ve biyotik ve abiyotik gerilmelerden korunmada önemli roller oynar4,5,6,7. Lignin öncelikle üç farklı monolignoldan oluşur: fenil propanoid yolundan elde edilen iğne yapraklı, sinapil ve p-coumaryl alkoller8,9. Lignin miktarı ve monomerlerin bileşimi bitki türlerine, doku / organ tipine ve bitki gelişiminin farklı aşamalarına göre değişir10. Lignin, kaynak ve monolignol bileşimine göre geniş ölçüde yumuşak ağaç, sertağaç ve çim lignin olarak sınıflandırılır. Softwood öncelikle% 4 p-coumaryl ve% 1 sinapil alkol ile% 95 iğne yapraklı alkolden oluşur. Sertağaç eşit oranlarda iğne yapraklı ve sinapil alkollere sahipken, çim lignin çeşitli oranlarda iğne yapraklı, sinapil ve p-coumaryl alkollerden oluşur11,12. Monomerlerin bileşimi, hücre duvarının lignin mukavemetini, ayrışmasını ve bozulmasını ve moleküler yapıyı, dallanmayı ve diğer polisakkaritlerle çapraz bağlantıyı belirlediği için kritik öneme sahiptir13,14.
Lignin araştırmaları, düşük maliyeti ve yüksek bolluğu nedeniyle yiyecek arama, tekstil endüstrileri, kağıt endüstrileri ve biyoetanol, biyoyakıt ve biyo-ürünler için önem kazanmaktadır15,16. Lignin ölçülmesi için enstrümantal yöntemler (örneğin, yakın kızılötesi (NIR) spektroskopisi, nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi ve ultraviyole (UV) spektrofotometrisi) ile birlikte çeşitli kimyasal yöntemler (örneğin, asetil bromür, asit deterjanları, Klason ve kalıcıoksidasyon)kullanılmıştır. Lignin analiz yöntemleri genellikle elektromanyetik radyasyon, gravimetri ve çözünürlük esas alınarak sınıflandırılır. Elektromanyetik radyasyonla lignin tahmininin arkasındaki prensip, belirli dalga boylarında ışığı emdiği lignin kimyasal özelliğine dayanıyordu. Bu sonuçlar lignin karbonhidratlardan daha güçlü bir UV emiciliğe sahip olduğu ilkesine dayanarak tahmin edilmiştir. 1962'de Bolker ve Somerville, ahşaptaki lignin içeriğini tahmin etmek için potasyum klorür peletleri kullandılar18. Bununla birlikte, bu yöntem, lignin olmayan fenolik bileşiklerin varlığı ve uygun bir yok olma katsayısının bulunmaması nedeniyle otsu örneklerden lignin içeriğinin tahmininde sakıncalara sahiptir. 1970 yılında Fergus ve Goring, Guaiacyl ve Şırınil bileşik emilim maksimasının 280 nm ve 270 nm'de olduğunu ve bu sayede Bolker ve Somerville yönteminin yok olma katsayısı sorununu düzelttik19. Daha sonra, fenolikleri karakterize etmek için son derece hassas bir teknik olan kızılötesi spektroskopi, az miktarda bitki biyokütle örnekleri ile lignin tahmini için de kullanılmıştır. Bu teknolojinin bir örneği, dağınık yansıtıcı Fourier dönüşüm spektrofotometrisiydi. Ancak bu yöntem, UV yöntemine benzer uygun bir standart yok20. Daha sonra lignin içeriği NIRS (kızılötesi spektroskopiye yakın) ve NMR (nükleer manyetik rezonans spektroskopisi) tarafından tahmin edildi. Bununla birlikte, bu yöntemlerde dezavantajlar vardır, lignin kimyasal yapısını değiştirmezler, saflığınıkorurlar 20.
Gravimetrik Klason yöntemi, odunsu sapların lignin tahmini için doğrudan ve en güvenilir analitik yöntemdir. Gravimetrik lignin tahmininin temeli, lignin olmayan bileşiklerin hidroliz /çözünürlüğü ve gravimetri için çözünmeyen lignintoplanmasıdır 21. Bu yöntemde, karbonhidratlar lignin kalıntısı20,22çıkarmak için konsantre H 2 SO4 ile biyokütlenin hidrolizi ileçıkarılır. Bu yöntemle tahmin edilen lignin içeriği asit çözünmeyen lignin veya Klason lignin olarak bilinir. Klason yönteminin uygulanması bitki türüne, doku tipine ve hücre duvarı tipine bağlıdır. Tanenler, polisakkaritler ve proteinler gibi lignin dışı bileşenlerin değişken miktarlarda bulunması, asit çözünmeyen / çözünür lignin içeriğinin tahmininde orantılı farklılıklara neden olur. Bu nedenle, Klason yöntemi sadece odunsu saplar17,23gibi yüksek lignin içerikli biyokütlenin lignin tahmini için önerilir. Asetil bromür (AcBr), asit çözünmeyen lignin ve tiyoglikolik asit (TGA) gibi çözünürlük yöntemleri, lignin içeriğinin çeşitli bitki biyokütle kaynaklarından tahmin edilmesi için en sık kullanılan yöntemlerdir. Kim ve arkadaşları, çözünerek lignin çıkarılması için iki yöntem belirledi. İlk yöntem lignin çözünmeyen bir kalıntı olarak çözünmeyen bir kalıntı olarak ayıklanırken, ikinci yöntem çözünür fraksiyonda lignin ayırır, çözünmeyen kalıntı olarak selüloz ve hemiselüloz bırakır24.
Çözünürlük esasına dayalı lignin tahmininde kullanılan benzer yöntemler tiyoglikolik asit (TGA) ve asetil bromür (AcBr)yöntemleridir 25. Hem TGA hem de asetil bromür yöntemleri, çözünür lignin emiciliğini 280 nm'de ölçerek lignin içeriğini tahmin ediyor; ancak, AcBr yöntemi lignin çözünürlüğü sürecinde xylans bozulur ve lignin içeriğinde yanlış bir artış gösterir26. Tiyoglikolat (TGA) yöntemi, TGA ile lignin benzil alkol gruplarının tiyoether gruplarıyla spesifik bağlanmaya bağlı olduğu için daha güvenilir bir yöntemdir. TGA bağlı lignin HCl kullanılarak asidik koşullar altında çökelmez ve lignin içeriğinin emiciliği 280 nm27olarak tahmin edilir. TGA yöntemi, daha az yapısal modifikasyon, çözünür bir lignin tahmini şekli, lignin olmayan bileşenlerden daha az parazit ve TGA ile spesifik bağlanma nedeniyle lignin kesin tahmini gibi ek avantajlara sahiptir.
Bu TGA yöntemi, lignin içerik tahmini için kullanılan bitki biyokütle örneğinin türüne göre değiştirilmiştir. Burada, lignin içeriğini tahmin etmek için hızlı TGA pirinç pipetleri27 yöntemini pamuklu dokulara modifiye ettik ve uyarladık. Kısaca, kurutulmuş toz bitki örnekleri proteinleri ve alkol çözünür fraksiyonunu çıkarmak için protein çözünürlüğü tamponuna ve metanol ekstraksiyonuna tabi tutuldu. Alkol çözünmeyen kalıntısı Asidik koşullarda TGA ve çökelme lignin ile tedavi edildi. Ticari bambu lignin kullanılarak lignin standart eğrisi oluşturulmuş ve bir regresyon çizgisi (y = mx+c) elde edildi. "x" değeri 280 nm'de lignin ortalama emiş değerlerini kullanırken, pamuk bitkisi biyokütle örneklerinde bilinmeyen lignin konsantrasyonunu hesaplamak için regresyon hattından "m" ve "c" değerleri girildi. Bu yöntem beş aşamaya ayrılmıştır: 1) bitki örneklerinin hazırlanması; 2) örnekleri su ve metanol ile yıkamak; 3) pelet TGA ve asit ile tedavi lignin çökeltmek için; 4) lignin yağışı; ve 5) numunenin standart eğri hazırlama ve lignin içeriği tahmini. İlk iki aşama öncelikle bitki malzemesi hazırlamaya ve ardından alkol çözünmeyen malzemeyi elde etmek için su, PSB (protein çözünürlüğü tamponu) ve metanol ekstraksiyonlarına odaklanır. Daha sonra TGA (tiyoglikolik asit) ve HCl ile tedavi edilerek üçüncü fazda lignin ile kompleks oluşturuldu. Sonunda, HCl, emiciliğini 280 nm28olarak ölçmek için sodyum hidroksitte çözünen lignin çökeltmek için kullanıldı.
1. Bitki örneklerinin hazırlanması
2. Numuneleri su, PSB ve metanol ile yıkamak
3. Lignin çökeltmek için TGA ve asit ile pelet tedavisi
4. Lignin yağışı
5. Numunede standart eğri hazırlama ve lignin tahmini
Farklı dokulardaki lignin içeriklerindeki farklılıklar için iki farklı pamuk deneysel çizgisi karşılaştırıldı. Her numunenin çıkarılan lignin içeriği 280 nm olarak ölçüldü ve ilgili absorbans değerleri kaydedildi. Her biyolojik yinelemenin ortalama absorbans değerleri lignin standart eğrisinin regresyon çizgisi ile karşılaştırıldı (Tablo 2, Şekil 3C). Regresyon çizgisi, y = mx + c, çıkarılan deneysel çizgilerin bilinmeyen lignin içeriğini hesaplamak için kullanılır, örnek 1 ve örnek 2. Ortalama OD değerlerinin sonuçları "x" olarak değiştirilirken, "m" ve "c" değerleri mg'da lignin konsantrasyonu "y" elde etmek için lignin standart eğrisinin regresyon çizgisinden takıldı (Tablo 3, Şekil 3B). Bir sonraki adımda, 1 mg lignin içeriği başına hesaplamak için, metanol ekstraksiyonu sonrası "y" değerini numunenin ağırlığına (15 mg) bölün. Aşağıdaki adımda, gram başına hesaplamak için (= 1.000 mg) y/15 değeri 1.000 ile çarpılmış. Lignin % 'sini almak için y/15 değerini 1.000'e böleriz ve 100 ile çarparız. Üç biyolojik replik için lignin % ortalaması (her satır, örnek 1 ve örnek 2) iki deneysel çizgi örnek 1 (,7) arasında karşılaştırıldı. ve örnek 2 (,3). Lignin değerleri, TGA yönteminin güvenilir bir yöntem olduğunu ve lignin içeriğini ölçmek için son derece spesifik olduğunu öne süren biyolojik çoğalmalar arasında tutarlıydı. İki deneysel pamuk hattının farklı doku tipleri (kök, kök ve yapraklar) arasında karşılaştırma çalışmaları da yapıldı ve her iki çizgi de yapraklarda nispeten daha düşük lignin içeriği gösterdi (%3.4) saplarla karşılaştırıldığında (%9,4 ila %9,9) ve kökler (%9,4 ila %9,2) (Tablo 4, Şekil 4).

Şekil 1: Bitki biyokütle örneğinin hazırlanması. (A) Yeşil evden pamuk bitki malzemesi topladı. (B) Kökleri ayırmak için yavaşça tencereleri çevirdi. (C) Tüm kiri temizlemek için suda iyice yıkanır. (D) Ayrılmış kök, kök ve yaprak dokuları. (E) Dokuyu ayırdıktan sonra 2 gün boyunca havayla kurutulmuş doku. (F) Hava kurutulmuş doku 10 gün boyunca 49 °C'de inkübatöre aktarılır. (G) Bitki biyokütle örneklerini öğütmek için biyokütle öğütücü kullanılmıştır. (H) Zemin bitkisi biyokütle kök, kök ve yaprak örnekleri. (I) Öğütme şişelerine öğütme numuneleri yüklenir, dondurucu değirmen odasına yerleştirilir, dondurucu değirmeninde 3 döngü boyunca 10 CPS oranında topraklanır. (J) Dondurucu değirmeninde öğütüldükten sonra ince öğütülmüş doku tozu gösteren öğütülmüş şişeler. (K) Öğütme için dondurucu değirmeni kullandıktan sonra kök, kök ve yaprak doku tozunun ince öğütülmesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: TGA aracılı lignin ekstraksiyonunda yer alan kritik adımlar. TGA yöntemi kullanılarak bitki biyokütlesinden lignin ekstraksiyonuna ve lignin içeriği tahminine kadar kritik adımların akış şeması: 1. Bitki örneklerinin yeterli kurutma ve dondurucu değirmeni kullanılarak ince toz haline getirilerek hazırlanması; 2. 20 mg doku tozu PSB, metanol ve su yıkama, kurutulmuş ve çıkarılmış alkol çözünmeyen malzemeye tabi tutuldu; 3. TGA ve asit kullanılarak lignin çökelme; 4. Ticari bambu lignin kullanılarak lignin standart eğrisinin hazırlanması; 5. Lignin içeriğinin tahmini. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Numunede standart eğri hazırlama ve lignin tahmini. (A) 280 nm'de absorbans okumalarından lignin standart eğrisi üretmek için kullanılan farklı konsantrasyonlarda ticari bambu lignin gösteren tablo. (B) Tablo A. (C) Örnek 1 ve örnek 2'nin tahmini kök doku lignin içeriğini temsil eden çubuk grafikler kullanılarak Excel programı ile oluşturulan dağınık çizim. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| çözüm | Gerekli hisse senetleri | hazırlık |
| Protein çözünürlüğü tamponu (PSB) | 1 M Tris HCl pH 8.8 ve 0.5 M EDTA pH 8.0 | Psb'nin 50 mM Tris, 0,5 mM EDTA ve SDS konsantrasyonuna sahip 100 mL çalışma çözümü hazırlamak için, 80 mL steril suya 5 mL 1 M Tris, 1 mL EDTA ve 10 g SDS ekleyin, karıştırın, çözün ve steril su ile 100 mL'ye kadar son hacmi yapın. 30 dakika boyunca 121 °C, 15 psi basınçta otoklav. |
| 1 M Tris HCl | 1 M Tris'in 100 mL'lik kısmını hazırlamak için, 80 mL suya 12,1 g Tris HCl (moleküler ağırlık = 121,14 g) ekleyin. Manyetik bir karıştırıcı üzerinde karıştırarak Tris HCl'yi karıştırın, pH'ı NaOH ile 8,8'e ayarlayın ve hacmi 30 dakika boyunca 121 °C, 15 psi basınçta steril su ve otoklav ile 100 mL'ye ayarlayın. | |
| 0,5 M EDTA (Etilenediamin tetraasetik) | 100 mL 0,5 M EDTA hazırlamak için 70 mL suya 18,6 g EDTA ekleyin. Sodyum hidroksit peletler kullanarak pH'ı 8,0'a ayarlayın (EDTA pH 8.0'da tamamen çözülür) ve hacmi 100 mL'ye kadar ayarlayın. Çözeltiyi 121 °C, 15 psi basınçta 30 dakika boyunca otoklavlavlayın. | |
| 3 N Hidroklorik asit (HCL) | 3 N HCl'nin 100 mL'lik kısmını hazırlamak için 74 mL steril suya 26 mL konsantre HCL ekleyin. | |
| % 4 Sodyum hidroksit (NaOH) | 1 N sodyum hidroksit çözeltisi hazırlayın, 90 mL steril suya 4 g sodyum hidroksit ekleyin, çözün, hacmi 100 mL'ye kadar yapın ve 30 dakika boyunca 121 °C, 15 psi basınçta otoklav yapın. |
Tablo 1: Protokolde kullanılan çözümlerin hazırlanması. Protokolde kullanılan farklı çözümlerin hazırlanmasını gösteren tablo.
Tablo 2: Lignin standart eğrisi 0.5 mg ila 3.5 mg endüstriyel bambu lignin arasında hazırlanmıştır. M ve c değerlerini gösteren regresyon çizgisine sahip dağınık grafik. Bu Tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.
Tablo 3: 280 nm 'de (x olarak) örneklerin absorbans okumaları ve standart eğri eğrisinden 'm' ve 'c' değerleri kullanılarak bilinmeyen lignin içeriğinin hesaplanmasında kullanılan Lignin şablonu. Bu Tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.
Tablo 4: Çiçek açma sonrası aşamada pamuk bitkisinin farklı dokularından (kök, kök ve yapraklar) lignin içeriği. Bu Tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.
Yazarlar çıkar çatışması olmadığını beyan ederler.
Burada, otsu bitki biyokütlesinde lignin içeriğinin tahmin edilmesi için değiştirilmiş bir TGA yöntemi sunuyoruz. Bu yöntem lignin ile belirli tiyoether bağları oluşturarak lignin içeriğini tahmin eder ve lignin içeriği tahmini için nispeten küçük bir örnek gerektirdiğinden Klason yöntemine göre bir avantaj sunar.
Bitki ve Toprak Bilimi Bölümü ve Pamuk A.Ş.'ye bu çalışmaya verdikleri kısmi destek için teşekkür ederiz.
| Biyospektrofotometre kinetik | Eppendorf kinetik | 6136000010 | 280 nm'de absorbansı ölçmek için |
| Santrifüj | Eppendorf | 5424 | Santrifüj ve nbsp numuneleri için |
| Ticari bambu lignin | Aldrich | 1002171289 | Standart eğrinin hazırlanmasında kullanılır |
| Damıtılmış su | Fischer Scientific | 16690382 | protokol |
| Falcon tüpleri | VWR | 734-0448 | Çözeltiler için kaplar |
| Dondurucu değirmen | Spex Numune Hazırlama | 68-701-15 | Bitki doku örneklerinin ince öğütülmesi için |
| Isı bloğu / Termal karıştırıcı | Eppendorf | 13527550 | Lignin ekstraksiyonu sırasında sıcaklık kontrollü adımlar için |
| Ocak gözü karıştırıcı | Walter | WP1007-HS | Çözeltilerin hazırlanması için kullanılır |
| Hidroklorik asit (HCL) | Sigma | 221677 | Protokolde kullanılan |
| İnkübatör | Fisherbrand | 150152633 | Bitki doku örneklerinin tamamen kurutulması için |
| Ölçüm ölçeği | Mettler toledo | 30243386 | Bitki doku ağırlığını, standartlarını ve mikrofüj tüplerini ölçmek için |
| Metanol (% 100) | Fischer Scientific | 67-56-1 | Protokolde kullanılır |
| Mikrofüj tüpleri (2 mL) | Mikrosantrifüj | Z628034-500EA | Lignin ekstraksiyonu için kaplar |
| Bitki biyokütlesi gerinder | Hanchen | Amazon | Kurutulmuş numuneleri kırmak için kullanılır |
| pH metre | Fisher Scientific | AE150 | Lignin ekstraksiyonu için hazırlanan çözeltiler için pH ölçümü |
| Sıcaklık kontrollü inkübatör/fırın | Fisher Scientific | 15-015-2633 | Protokolde kullanılır |
| Tiyoglikolik asit (TGA) | Sigma Aldrich | 68-11-1 | Protokolde kullanılır |
| Vakumlu kurutucu | Eppendorf | 22820001 | Numuneleri kurutmak için kullanılır |
| Vorteks karıştırıcı | Eppendorf | 3340001 | Numunelerin uygun şekilde karıştırılması için |