Nativity of lignin carbohydrate bonds substantiated by biomimetic synthesis

The question of whether lignin is covalently linked to carbohydrates in native wood, forming what is referred to as lignin-carbohydrate complexes (LCCs), still lacks unequivocal proof. This is mainly due to the need to isolate lignin from woody materials prior to analysis, under conditions leading to partial chemical modification of the native wood polymers. Thus, the correlation between the structure of the isolated LCCs and LCCs in situ remains open. As a way to circumvent the problematic isolation, biomimicking lignin polymerization in vivo and in vitro is an interesting option. Herein, we report the detection of lignin-carbohydrate bonds in the extracellular lignin formed by tissue-cultured Norway spruce cells, and in modified biomimetic lignin synthesis (dehydrogenation polymers). Semi-quantitative 2D heteronuclear singular quantum coherence (HSQC)-, P-31 -, and C-13-NMR spectroscopy were applied as analytical tools. Combining results from these systems, four types of lignin-carbohydrate bonds were detected; benzyl ether, benzyl ester, gamma-ester, and phenyl glycoside linkages, providing direct evidence of lignin-carbohydrate bond formation in biomimicked lignin polymerization. Based on our findings, we propose a sequence for lignin-carbohydrate bond formation in plant cell walls.Peer reviewe

Nurmirehu helpommin sulavaksi: sekundaarisoluseinän syntymisen säätely

Ligniini, fenoliyksiköistä koostuva verkkomainen puuaine, kertyy seinäsokeripolymeerien väliin kuolleidentuki- ja vettäkuljettavien solujen kehityksen loppuvaiheessa. Ligniini liimaa seinäpolysakkaridityhteen: soluseinistä tulee vahvoja ja vettäläpäisemättömiä. Ligniinialayksiköiden väliset ristisidoksetovat kestäviä ja niitä on erittäin vaikea hajottaa. Eri kasviryhmien seinäkoostumukset eroavat ligniinimääränja -laadun suhteen. Heinäkasvien ligniini koostuu G-, S- ja H-yksiköistä, lisäksi soluseinäsokereihinon liittynyt fenolihappoja (ferula- ja kumarihappo), joiden muodostamat ristisidokset edelleentiivistävät soluseinärakennetta. Ligniinin suuri määrällinen lisäys liittyy heinien korsiintumiseen.Tällöin korren ulompien osien solujen soluseinät paksunevat ja puutuvat, muodostuu ns. sklerenkyymituppi.Ligniini estää märehtijän ruoansulatusentsyymien pääsyä seinäpolysakkaridien luo ja tätenvähentää kasviaineksen hajoamista eläimen ruoansulatuksessa. Osa kasvin sisältämästä energiasta jäähyödyntämättä. Rehun D-arvo, joka kertoo sulavuudesta, laskee huomattavasti ligniinimäärän lisääntyessä.Sekundaariseinän biosynteesin geenitason säätelytekijöitä on selvitetty mm. mallikasvina käytetyllälituruoholla (Arabidopsis thaliana) ja puuvartisilla kasveilla (esim. poppeli ja eukalyptus). Eri säätelytekijätohjaavat sekundaariseinän kehitystä lituruohon tukisoluissa kuin vettäkuljettavissa putkisoluissaja putkiloissa. MTT:n sekä Helsingin ja Oulun yliopistojen yhteistyötutkimuksessa pyrimme selvittämään,miten sekundaarisoluseinän biosynteesiä säädellään timoteillä, Suomessa yleisesti viljellyllärehukasvilla. Tietoa säätelytekijöistä hyödynnetään selvitettäessä soluseinän lignifikaation yhteyttätimotein kehitykseen sekä rehun sulavuuteen. Tavoitteenamme on saada tietoa ligniinin biosynteesistäsekä löytää ligniinin syntyä ohjaavia säätelytekijöitä, jotka säätelevät ligniinisynteesiä erityisesti korrensklerenkyymitupessa. Tämä mahdollistaisi lähestymistavan, jossa pyrimme alentamaan ligniiniinmäärää korren uloimman osan tukisolukossa. Näin korren kokonaisligniinipitoisuus alenisi johtojänteenvedenkuljetuksen siitä kärsimättä. Kokonaisligniinimäärän lasku puolestaan parantaisi kasvimassansulavuutta. On kuitenkin huomioitava, ettei ligniinimäärän alentaminen korren tukisolukossa johdalakoontumisen lisääntymiseen tai patogeenikestävyyden alenemiseen.Yhden prosenttiyksikön muutos koko Suomen säilörehusadon D-arvossa on laskennalliselta arvoltaann. 11–17 M€/v; rohkeampien laskelmien mukaan jopa 50 M€/v (P. Virkajärvi, arvio). Tältä pohjaltaarvioiden hanke on hyvin tärkeä maidon- ja lihantuotannon säilymiselle varteenotettavana elinkeinona.Loppukädessä hyötyjänä on sekä alkutuotanto ja sen varaan perustuva kotimainen elintarvikkeitajalostava teollisuus, jonka työpaikoista noin 80 % on maidon- ja lihanjalostuksessa. Myös maataloudenpanosteollisuus on pitkälti riippuvainen märehtijöihin perustuvasta tuotannosta

Laser capture microdissection protocol for xylem tissues of woody plants

Peer reviewe

Uudet typpilannoituskokeet haastavat vanhat käsitykset nurmien satovasteista

Typpilannoituksen satovastefunktio on merkittävä sekä nurmen sadontuoton että viljelyn ympäristökuormituksen kannalta. Uusimmissa yhteenvedoissa käytetyt satovastefunktiot perustuvat pääosin 1960–1970 luvulta peräisin oleviin aineistoihin. Viimeaikaiset havainnot nurmen korkeista sadoista sekä kokeissa että maatiloilla antavat aiheen epäillä olemassa olevien satofunktioiden ajantasaisuutta. Luonnonvarakeskuksen (Luke) ja Yaran yhteistyötutkimuksen tavoitteena oli selvittää typpilannoituksen vaikutus uusien nurmikasvilajikkeiden kasvuun, rehuarvoon ja ravinnetaseisiin. Tutkimus toteutettiin Luken toimipaikoissa Maaningalla ja Ruukissa. Kokeet perustettiin kivennäismaille (Maaninka: karkea hieta, orgaaninen aines 2.7%; Ruukki: hieno hieta, orgaaninen aines 5.4%) vuonna 2014 ja käsittelyt toteutettiin vuosina 2015–2017. Kokeessa oli neljä toistoa ja koeruudut niitettiin kolmesti vuodessa. Pääruutuina olivat timoteilajikkeet Nuutti ja Grindstad sekä nurminata Valtteri. Osaruutuina olivat 8 typpilannoitustasoa (0, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 kg N ha-1 v-1), joista kahden korkeimman tason oletettiin alentavan satoa mahdollisten lisääntyvien talvituhojen takia. Typpilannoitus jaettiin niittojen välillä (1., 2. ja 3. niitto) suhteessa 0.44 – 0.36 – 0.20. Sekä vanhoissa aineistoissa että uudessa aineistossa typen satofunktio oli muodoltaan toisen asteen polynomi. Uudessa koesarjassa satovaste oli selvästi parempi kuin vanhoissa koeaineistoissa: vanhassa satofunktiossa satomaksimi oli 8.5 tn kuiva-ainetta (ka) ha-1 v-1, mikä saatiin 325 kg N ha-1 v-1 lannoituksella. Kolmen koevuoden perusteella (molemmat koepaikat, kaikki lajikkeet) samallalannoituksella nurmi tuotti 12.4 tn ka ha-1 v-1 eli 43% enemmän kuin vanhassa aineistossa. Funktionmukainen satomaksimi oli aiempaa korkeampi eli 14 tn ka ha-1 v-1, joka saavutettiin 420 kg N ha-1 vuosilannoituksella. Taloudellinen optimi on tätä matalampi. Kolmantena vuonna (2017) satotaso olihieman alhaisempi ja typen vaste hieman matalampi kuin kokeen kahtena ensimmäisenä vuonna. Nurmen raakavalkuaispitoisuus nousi typpilannoituksen kasvaessa uudessa aineistossa hitaammin kuinaikaisemmissa kokeissa. Silti korkean sadontuoton seurauksena typen hyväksikäyttö oli parempi kuinaiemmissa kokeissa ja siksi typpitase saavutti suositellun maksimirajan +60 kg N ha-1 v-1 vastalannoitustasolla 330 kg N ha-1 kun se vanhassa aineistossa saavutettiin jo noin 260 kg N ha-1 v-1 lannoituksella. Parantuneen satovasteen taustalla ovat nurmilajikkeiden jalostuksen eteneminen,kasvukauden pidentyminen ja vastaava talven lyhentyminen sekä vähentyneet talvituhot. Mineraalilannoitteen typpi ohjautuu sadonmuodostukseen, mitä voidaan pitää sekä kasvintuotannon, lypsylehmien ruokinnan ja ympäristön kannalta edullisena ilmiönä. Typen satovastefunktion päivittäminen on välttämätöntä sekä nurmen tuotannon että ympäristövaikutusten realistisen arvioinnin kannalta

Peroxidases bound to the growing lignin polymer produce natural like extracellular lignin in a cell culture of Norway spruce.

Peer reviewe

Regulation of PaRBOH1-mediated ROS production in Norway spruce by Ca2+ binding and phosphorylation

Plant respiratory burst oxidase homologs (RBOHs) are plasma membrane-localized NADPH oxidases that generate superoxide anion radicals, which then dismutate to H2O2, into the apoplast using cytoplasmic NADPH as an electron donor. PaRBOH1 is the most highly expressed RBOH gene in developing xylem as well as in a lignin-forming cell culture of Norway spruce (Picea abies L. Karst.). Since no previous information about regulation of gymnosperm RBOHs exist, our aim was to resolve how PaRBOH1 is regulated with a focus on phosphorylation. The N-terminal part of PaRBOH1 was found to contain several putative phosphorylation sites and a four-times repeated motif with similarities to the Botrytis-induced kinase 1 target site in Arabidopsis AtRBOHD. Phosphorylation was indicated for six of the sites in in vitro kinase assays using 15 amino-acid-long peptides for each of the predicted phosphotarget site in the presence of protein extracts of developing xylem. Serine and threonine residues showing positive response in the peptide assays were individually mutated to alanine (kinase-inactive) or to aspartate (phosphomimic), and the wild type PaRBOH1 and the mutated constructs transfected to human kidney embryogenic (HEK293T) cells with a low endogenous level of extracellular ROS production. ROS-producing assays with HEK cells showed that Ca2+ and phosphorylation synergistically activate the enzyme and identified several serine and threonine residues that are likely to be phosphorylated including a novel phosphorylation site not characterized in other plant species. These were further investigated with a phosphoproteomic study. Results of Norway spruce, the first gymnosperm species studied in relation to RBOH regulation, show that regulation of RBOH activity is conserved among seed plants.Peer reviewe