یک پلیمر الکل کافئیل در بذر گیاهان A polymer of caffeyl alcohol in plant seeds
- نوع فایل : کتاب
- زبان : فارسی
- ناشر : Pnas
- چاپ و سال / کشور: 2012
توضیحات
رشته های مرتبط: زیست شناسی، کشاورزی، علوم گیاهی، علوم باغبانی، علوم و تکنولوژی بذر و بیوشیمی
لیگنین ها پلیمرهای فنیل پروپانوئیدی پیچیده ای هستند که با دیواره ثانویه سلول های گیاهی ارتباط دارند. لیگنین ها ابتدا از طریق پلیمریزاسیون اکسید شونده سه منولیگنولوز ایجاد می شوند. از این رو الکل هیپوکسی ساکسیل که محصولات بیوسنتزی متیل دار ناقصی را نشان می دهند ۵- هیدروکسی فریل مشخص نگردیده است که در لیگنین های آنکوسیرم مشاهده شده است. اما لحاظ کردن الکل کافئیل بیان نگردیده است. ما در این جا وجود یک هموپلیمر الکل کافئیل در روکش های بذر گیاهان تک لپه و دو لپه ای را بیان کرده ایم. این پلیمر طی مراحل اولیه رشد بذر در Vanilla orchid و غلظت های بالایی ددر روکش بذر قرار دارد و در چند عضو Cactacase هم دیده می شود. لیگنین در بخش های دیگر گیاه وانیل هم از کونفیل و الکل سیناپیل فتوسنتز شده است. برخی گونه های Cact1 فقط دارای لگنین C در بذر خود می باشند درحالیکه بقیه فقط لیگنین سرینگیل/گواسیل دارند. تحلیل اسپکتروسکوپی CD هیچ فعالیت اپتیکال پلیمر بذر را نشان نداد. این داده ها نشان می دهد که پلیمر C لیگنین در شرایط واقعی از طریق رادیکال اکسید شوند ترکیبی ایجاد شد که تحت کنترل شیمیایی ساده است که مکانیسمی مطابق با بیوسنتز کلاسیک لیگنین می باشد. لیگنین ها پلیمرهای فنیل پروپانوئیدی فراوانی است که ابتدا از پلیمریزاسیون اکسیدشونده سه ۴ هیدروکسی آسیل الکل ها با متوکسیلاسیون متفاوت ساخته شده است. بیوسنتز و طراحی لگنین های دیوار سلولی و خواصی مکانیکی و شیمیایی آنها توجه زیادی را به خود جلب کرده است چون لیگنین فرآیندهای کشاورزی صنعتی مثل pulp شیمیایی محصولات چوبی ۱٫ و هضم علوفه توسط دام ۲٫ و تبدیل زیست توده گیاه لیگنوسلولزی را در سوخت های زیستی مایع متحمل شده ست (۴ و ۳) در مجموع تغییرات بیوسنتزی و ساختارهای لیگنین های مختلف همپوشی نزدیکی با تنوع و تکامل گیاهان خاکی دارد. (۱۲-۵ و ۳) طی بیوسنتز لیگنین پیش ماده های منولیگنول با هیدروکسیلاسیون آروماتیک و – متیلاسیون عملکرد می یابند تا منولیگنول ها را بسازند که از نظر الگوهای جایگزین شدن آروماتیک آنها متفاوتند. لیگنین های طبیعی بطور کلی شامل P- هیدروکسی فنیل (H) و گواسریل (G) و واحدهای سیرینگیل (S) می باشند که توسط پلیمریزاسیون سه منوایگنول (S) می باشند که توسط پلیمریزاسیون سه منوایگنول اولیه P- کوماریل کونیفریل و الکل های سیناپیل بیوسنتز شده اند. لیگنین های آنژوسپرم طبیعی سطوح اندکی واحد H دارند. Catachyl و ۵ هیدروکسیل گواسیل واحدهایی هستند که از پلیمریزاسیون کافئین مطابق و ۵- هیدروکسی کونیفیرل الکل ایجاد شده اند که در لیگنین های طبیعی یافت می شوند. بررسی های گسترده ای پلاستیسیته ضروری بیوسنتز لیگنین را نشان داده اند و این مفهوم را تقویت می کند که پلیمریزاسیون لیگنین ناشی از فرآیند جفت شدن رادیکال ترکیبی باشد که تحت کنترل شیمیایی ساده می باشد (۱۷ و ۱۶ و ۱۴) سپس ترکیب منومر لیگنین به ویژه با موجود بودن منولیگنین تحت تأثیر است و تحت شرایط خاصی این باعث گنجاندن منولیگنول های غیرطبیعی C و OH-G-5 در پلیمر می شود. برای مثال ۵- هیدروکسی کونفنل الکل و در لیگنین دار کردن گیاهان آنژوسپرمی مختلف نقش دارد که در آن کافئین اسید/۵- هیدروکسی کونیفر – آلدئید ۵- متیل ترنسفراز (COMT) که آنزیم اصلی تبدیل پیش ماده های منولیگنول از OH-G-5 به سطح آروماتیک S است. (۸ و ۱۸) تنظیم اندکی شده اند. ترکیب یک جهش در کدبندی ژن COMT با بروز زیاد فرولات ۵- هیدروکسیلاز هیدرولکاسیون G سه پیش ماده سطح آروماتیک OH-G-5 را کاتالیز می کند لیگنین تولید می کند که از واحدهای OH-G-5 در ساختارهای بنزودیوکسین تشکیل یافته اند (۲۱ و ۲۰) بطور مشابهی تنظیم بد کافئیل COA-O- متیل ترنسفراز (CCOAOMT) برای تبدیل از C به پیش ماده های سطح آروماتیک G سطوح اندکی از واحدهای C در لیگنین های دیواره سلولی در کشت عناصر trancheary ژنگوسپرم Pinus radiate ایجاد کرد (۲۲) به هر حال سطح CCOAOMT در گونه های آنگوسپرم مثل Arabidopsis و alfafa poplar و تنباکو باعث گنجاندن واحدهای C در لیگنین (۲۷-۲۳) و سطح بد آنزیم متیلاسیون منولیگنول را هم نشان نداد (۲۸) در اینجا یک لیگنین را در آنگوسپرم و تک لپه ای وانیل گزارش کرده ایم که بطور طبیعی از منولیگونل طبیعی C سنتز شده است. پلیمرهای مشابه هم در بذرهای گونه های دیگر وانیل و چند گونه Cacti یافت شد. پلیمر V.planifolia از نظر ساختاری با روش های شیمیایی مختلف شناسایی شد که شامل روش طیف سنجی NMR25 و کروماتوگرافی C لیگنین با ترکیب جفت شدن رادیکال اکسیدشونده تحت کنترل شیمیایی ساده ایجاد می شود که مکانیسم مقایسه ای با لیگنین دار کردن متانول است.
لیگنین ها پلیمرهای فنیل پروپانوئیدی پیچیده ای هستند که با دیواره ثانویه سلول های گیاهی ارتباط دارند. لیگنین ها ابتدا از طریق پلیمریزاسیون اکسید شونده سه منولیگنولوز ایجاد می شوند. از این رو الکل هیپوکسی ساکسیل که محصولات بیوسنتزی متیل دار ناقصی را نشان می دهند ۵- هیدروکسی فریل مشخص نگردیده است که در لیگنین های آنکوسیرم مشاهده شده است. اما لحاظ کردن الکل کافئیل بیان نگردیده است. ما در این جا وجود یک هموپلیمر الکل کافئیل در روکش های بذر گیاهان تک لپه و دو لپه ای را بیان کرده ایم. این پلیمر طی مراحل اولیه رشد بذر در Vanilla orchid و غلظت های بالایی ددر روکش بذر قرار دارد و در چند عضو Cactacase هم دیده می شود. لیگنین در بخش های دیگر گیاه وانیل هم از کونفیل و الکل سیناپیل فتوسنتز شده است. برخی گونه های Cact1 فقط دارای لگنین C در بذر خود می باشند درحالیکه بقیه فقط لیگنین سرینگیل/گواسیل دارند. تحلیل اسپکتروسکوپی CD هیچ فعالیت اپتیکال پلیمر بذر را نشان نداد. این داده ها نشان می دهد که پلیمر C لیگنین در شرایط واقعی از طریق رادیکال اکسید شوند ترکیبی ایجاد شد که تحت کنترل شیمیایی ساده است که مکانیسمی مطابق با بیوسنتز کلاسیک لیگنین می باشد. لیگنین ها پلیمرهای فنیل پروپانوئیدی فراوانی است که ابتدا از پلیمریزاسیون اکسیدشونده سه ۴ هیدروکسی آسیل الکل ها با متوکسیلاسیون متفاوت ساخته شده است. بیوسنتز و طراحی لگنین های دیوار سلولی و خواصی مکانیکی و شیمیایی آنها توجه زیادی را به خود جلب کرده است چون لیگنین فرآیندهای کشاورزی صنعتی مثل pulp شیمیایی محصولات چوبی ۱٫ و هضم علوفه توسط دام ۲٫ و تبدیل زیست توده گیاه لیگنوسلولزی را در سوخت های زیستی مایع متحمل شده ست (۴ و ۳) در مجموع تغییرات بیوسنتزی و ساختارهای لیگنین های مختلف همپوشی نزدیکی با تنوع و تکامل گیاهان خاکی دارد. (۱۲-۵ و ۳) طی بیوسنتز لیگنین پیش ماده های منولیگنول با هیدروکسیلاسیون آروماتیک و – متیلاسیون عملکرد می یابند تا منولیگنول ها را بسازند که از نظر الگوهای جایگزین شدن آروماتیک آنها متفاوتند. لیگنین های طبیعی بطور کلی شامل P- هیدروکسی فنیل (H) و گواسریل (G) و واحدهای سیرینگیل (S) می باشند که توسط پلیمریزاسیون سه منوایگنول (S) می باشند که توسط پلیمریزاسیون سه منوایگنول اولیه P- کوماریل کونیفریل و الکل های سیناپیل بیوسنتز شده اند. لیگنین های آنژوسپرم طبیعی سطوح اندکی واحد H دارند. Catachyl و ۵ هیدروکسیل گواسیل واحدهایی هستند که از پلیمریزاسیون کافئین مطابق و ۵- هیدروکسی کونیفیرل الکل ایجاد شده اند که در لیگنین های طبیعی یافت می شوند. بررسی های گسترده ای پلاستیسیته ضروری بیوسنتز لیگنین را نشان داده اند و این مفهوم را تقویت می کند که پلیمریزاسیون لیگنین ناشی از فرآیند جفت شدن رادیکال ترکیبی باشد که تحت کنترل شیمیایی ساده می باشد (۱۷ و ۱۶ و ۱۴) سپس ترکیب منومر لیگنین به ویژه با موجود بودن منولیگنین تحت تأثیر است و تحت شرایط خاصی این باعث گنجاندن منولیگنول های غیرطبیعی C و OH-G-5 در پلیمر می شود. برای مثال ۵- هیدروکسی کونفنل الکل و در لیگنین دار کردن گیاهان آنژوسپرمی مختلف نقش دارد که در آن کافئین اسید/۵- هیدروکسی کونیفر – آلدئید ۵- متیل ترنسفراز (COMT) که آنزیم اصلی تبدیل پیش ماده های منولیگنول از OH-G-5 به سطح آروماتیک S است. (۸ و ۱۸) تنظیم اندکی شده اند. ترکیب یک جهش در کدبندی ژن COMT با بروز زیاد فرولات ۵- هیدروکسیلاز هیدرولکاسیون G سه پیش ماده سطح آروماتیک OH-G-5 را کاتالیز می کند لیگنین تولید می کند که از واحدهای OH-G-5 در ساختارهای بنزودیوکسین تشکیل یافته اند (۲۱ و ۲۰) بطور مشابهی تنظیم بد کافئیل COA-O- متیل ترنسفراز (CCOAOMT) برای تبدیل از C به پیش ماده های سطح آروماتیک G سطوح اندکی از واحدهای C در لیگنین های دیواره سلولی در کشت عناصر trancheary ژنگوسپرم Pinus radiate ایجاد کرد (۲۲) به هر حال سطح CCOAOMT در گونه های آنگوسپرم مثل Arabidopsis و alfafa poplar و تنباکو باعث گنجاندن واحدهای C در لیگنین (۲۷-۲۳) و سطح بد آنزیم متیلاسیون منولیگنول را هم نشان نداد (۲۸) در اینجا یک لیگنین را در آنگوسپرم و تک لپه ای وانیل گزارش کرده ایم که بطور طبیعی از منولیگونل طبیعی C سنتز شده است. پلیمرهای مشابه هم در بذرهای گونه های دیگر وانیل و چند گونه Cacti یافت شد. پلیمر V.planifolia از نظر ساختاری با روش های شیمیایی مختلف شناسایی شد که شامل روش طیف سنجی NMR25 و کروماتوگرافی C لیگنین با ترکیب جفت شدن رادیکال اکسیدشونده تحت کنترل شیمیایی ساده ایجاد می شود که مکانیسم مقایسه ای با لیگنین دار کردن متانول است.
Description
Lignins are abundant phenylpropanoid polymers produced primarily from oxidative polymerization of three 4-hydroxycinnamyl alcohols differing in their degrees of methoxylation (Fig. S1). Lignins occur mostly in vessels, tracheids, and fibrous tissues of vascular plants where they bind, strengthen, and waterproof cell walls to provide mechanical support, enhance water transport, and help ward off pathogens and pests. The biosynthesis and bioengineering of cell wall lignins, and their chemical and mechanical properties, have attracted significant attention because lignin hinders agro-industrial processes, such as chemical pulping of woody crops (1), forage digestion by livestock (2), and conversion of lignocellulosic plant biomass into liquid biofuels (3, 4). In addition, the variability of biosynthesis, and thereby the structures of various lignins, is considered to be closely correlated with the diversity and evolution of land plants (3, 5–۱۲). During lignin biosynthesis, the monolignol precursors are functionalized by aromatic hydroxylation and O-methylation (as well as successive side-chain reductions) to generate monolignols differing in their aromatic substitution patterns (Fig. 1A and Fig. S1). Natural lignins are generally composed of p-hydroxyphenyl (H), guaiacyl (G), and syringyl (S) units, that are biosynthesized by polymerization of the three primary monolignols, p-coumaryl, coniferyl, and sinapyl alcohols, respectively; natural angiosperm lignins have only low levels (<∼۲%) of H-units. Catechyl (C) and 5-hydroxyl guaiacyl (5-OH-G) units that may derive from polymerization of the corresponding caffeyl and 5-hydroxy coniferyl alcohols (Fig. 1A and Fig. S1) are not found in “normal” lignins. Extensive studies have revealed the essential plasticity of lignin biosynthesis (6, 10, 12–۱۵), and support the concept that lignin polymerization results from a combinatorial radical coupling process that is under simple chemical control (14, 16, 17). Thus, lignin monomer composition is largely determined by monolignol availability and, under certain circumstances, this permits incorporation of the “unusual” C and 5-OH-G monolignols into the polymer. For example, 5-hydroxyconiferyl alcohol participates in lignification in various angiosperm plants in which caffeic acid/5-hydroxyconiferaldehyde O-methyltransferase (COMT), the key enzyme for conversion of monolignol precursors from the 5-OH-G to the S aromatic level (18, 19), is down-regulated. The combination of a mutation in the gene encoding COMT with overexpression of ferulate 5-hydroxylase, which catalyzes hydroxylation of G to 5-OHG aromatic level precursors, generates lignins largely composed of 5-OH-G units in benzodioxane structures (20, 21). Similarly, downregulation of caffeoyl-CoA O-methyltransferase (CCoAOMT), for conversions from C to G aromatic-level precursors, introduces low levels (less than 10%) of C units into cell wall lignins in trachearyelement cultures of the gymnosperm Pinus radiata (22). However, down-regulation of CCoAOMT in angiosperm species, such as Arabidopsis, alfalfa, poplar, and tobacco, does not result in the incorporation of C units into lignin (23–۲۷), and neither does downregulation of both monolignol methylation enzymes (28). Here we report a lignin in the monocotyledonous angiosperm Vanilla orchid (Vanilla planifolia) that is naturally biosynthesized from the unusual C monolignol, caffeyl alcohol. Similar polymers are found in the seeds of other vanilla species and several species of cacti (which are dicots). The V. planifolia polymer was structurally characterized by various chemical methods, 2D NMR spectroscopic techniques, and gel-permeation chromatography (GPC). All evidence indicates that the C-lignin is formed by combinatorial oxidative radical coupling under simple chemical control, a mechanism analogous to that occurring in classic lignification.
