Lignina nasion kaktusów. Różne polimery w podobnych łupinach

Nasiono jako odrębny układ chemiczny

Lignina jest polimerem fenolowym odkładanym w ścianach komórek. Jej budowę określa zarówno rodzaj jednostek aromatycznych, jak i sposób ich połączenia. W typowej ligninie roślin okrytonasiennych dominują jednostki guajakolowe i syringylowe, oznaczane G i S. Powstają z alkoholu koniferylowego i sinapylowego. Chen i współautorzy porównali ściany nasion 130 gatunków kaktusów, reprezentujących 47 rodzajów w użytej wówczas klasyfikacji. Artykuł ukazał się w tomie 73 The Plant Journal w 2013 r., po publikacji online w listopadzie 2012 r. [Chen i wsp. 2013, s. 201–204, tabela 1]

Nasiona pochodziły z kolekcji oraz handlowych partii o oznaczonych nazwach. Badanie porównywało skład chemiczny tego materiału. W tkankach wegetatywnych kaktusów, między innymi w pędach, korzeniach i cierniach, stwierdzano typową ligninę G/S. W nasionach skład mógł być całkowicie inny. Porównanie organów jednej grupy roślin pokazało, że szlak tworzenia ścian nasiona może dawać odmienny produkt od szlaku działającego w częściach wegetatywnych. [Chen i wsp. 2013, s. 202–204, 208–209]

Co pokazuje rozkład chemiczny, a co NMR

Podstawowym testem była tioacidoliza niewielkich próbek, z analizą uwolnionych produktów w chromatografii gazowej połączonej ze spektrometrią mas, GC-MS. Zabieg rozrywa określone wiązania polimeru i pozwala rozpoznać powstające monomery. Dla wybranych gatunków wykonywano także dwuwymiarowe widma NMR całych ścian nasion. Korelacje atomów węgla i wodoru identyfikowały jednostki aromatyczne oraz fragmenty połączeń pozostające w polimerze. [Chen i wsp. 2013, s. 203–207, 210–211]

Wydajność tioacidolizy zależy od struktury ligniny. Typowy polimer G/S stosunkowo dobrze oddaje część jednostek w tym teście, natomiast struktury z licznymi połączeniami benzodioksanowymi dają niską wydajność uwalniania monomerów. Niewiele produktów rozkładu może więc współwystępować z rozbudowanym polimerem. Połączenie GC-MS i NMR pozwoliło odróżnić taki przypadek od rzeczywistego braku wykrywalnej ligniny w badanych ścianach. [Chen i wsp. 2013, s. 205–208]

Lignina katechylowa

Lignina katechylowa, C-lignina, powstaje z alkoholu kafeilowego. Jego pierścień aromatyczny ma sąsiednie grupy hydroksylowe, przez co w reakcjach sprzęgania powstają charakterystyczne jednostki benzodioksanowe. Analiza wskazywała wzrost łańcucha przez przyłączanie kolejnych monomerów w układzie β–O–4 i następujące zamknięcie struktury. W badanych nasionach Melocactus salvadorensis otrzymano prawie jednorodną ligninę C, z około 99% analizowanych połączeń typu benzodioksanowego. [Chen i wsp. 2013, s. 204–207, ryc. 4A]

Wśród szesnastu badanych gatunków Mammillaria wysoki udział wyłącznie C-ligniny wyróżniał M. lasiacantha. Cztery inne miały wysoką zawartość typowej ligniny G/S, a jedenaście niską zawartość G/S. Wybrane widmo M. densispina pokazywało przewagę jednostek G nad S. Takie różnice występowały wewnątrz rodzaju, dlatego oznaczenie rodzajowe samo w sobie nie przewiduje polimeru w nasieniu konkretnej rośliny. [Chen i wsp. 2013, s. 204–206, tabela 1, ryc. 4B]

Nietypowe polimery dawnych Escobaria

Trzy gatunki opisane jako Escobaria dasyacantha, E. lloydii i E. zilziana miały jednostki 5-hydroksyguajakolowe, 5H. Dzisiejsze nazwy w POWO to Pelecyphora dasyacantha, P. lloydii i P. zilziana (dawny rodzaj Escobaria). Prekursorem 5H jest alkohol 5-hydroksykoniferylowy. Praca dokumentowała naturalne nagromadzenie tego typu polimeru, wcześniej znanego głównie z badań roślin o zmodyfikowanej biosyntezie ligniny. [Chen i wsp. 2013, s. 205–209][2-WWW]

U P. dasyacantha w analizowanej próbce prawie wszystkie jednostki części ligninowej odpowiadały 5H, a około 98% analizowanych połączeń było benzodioksanowych. U P. zilziana widmo dawało około 63% 5H i 37% S, przy śladowym udziale G; udział połączeń benzodioksanowych wynosił około 84%. Są to szacunki proporcji w polimerze z widm NMR. Nie wyrażają procentowej masy ligniny w całym nasieniu. Obecność 5H i S w P. zilziana pozostawiała pytanie, czy oba typy jednostek tworzą wspólny polimer, czy różne polimery w tej samej okrywie. [Chen i wsp. 2013, s. 206–209, ryc. 4D–E]

Historyczna nazwa Escobaria albicolumnaria jest w POWO synonimem Pelecyphora sneedii subsp. sneedii. Wynik G/S należy więc przypisać do materiału tego podgatunku. Nazwy Escobaria vivipara var. arizonica i var. neomexicana są obecnie synonimami Pelecyphora vivipara. W publikacji zachowują bardziej szczegółowy opis badanych partii. Aktualizacja nazwy gatunku może łączyć historyczne oznaczenia, przy zachowaniu ich zakresu w opisie próbki. [2-WWW][2-WWW][Chen i wsp. 2013, s. 206–208]

Nasiona bez wykrywalnej ligniny

W nasionach Epithelantha micromeris i E. greggii ligniny nie wykryto zarówno przez rozkład chemiczny, jak i NMR. Szczegółowe widmo E. micromeris zawierało sygnały polisacharydów, w tym glukozowych i ksylozowych elementów ściany. Pojawiały się też nierozpoznane sygnały aromatyczne. Wynik określa brak typowej sygnatury ligniny przy użytych metodach, przy nadal złożonej budowie ścian komórek nasiona. [Chen i wsp. 2013, s. 203–206, ryc. 4C]

Autorzy obserwowali powierzchnię i barwili przekroje nasion czterech wybranych kaktusów, obejmujących C-ligninę, 5H i S oraz typową ligninę G/S. Ornamentacja i kształt komórek łupiny nie układały się w prosty wzorzec odpowiadający rodzajowi polimeru. Autofluorescencja także nie była prostą miarą jego ilości. Jasność obrazu i rzeźba powierzchni mogą więc dostarczać informacji anatomicznej, lecz rozpoznanie chemiczne opiera się na analizie konkretnych składników ściany. [Chen i wsp. 2013, s. 207–209, ryc. 5]

Skąd może wynikać swoistość nasiona

Jednostki C, G, 5H i S różnią się między innymi liczbą oraz położeniem grup hydroksylowych i metoksylowych na pierścieniu aromatycznym. W biosyntezie grupy metoksylowe powstają dzięki reakcjom O-metylacji. Autorzy rozważali regulację metylotransferaz COMT i CCoAOMT w nasionach jako możliwe wyjaśnienie zatrzymania szlaku na prekursorze C lub 5H. W tej pracy rozpoznano produkty końcowe, a swoistej ekspresji lub inaktywacji tych genów u badanych kaktusów nie oznaczono. [Chen i wsp. 2013, s. 208–209]

Tak szeroka różnorodność w jednej rodzinie ujawnia odrębność biosyntezy ścian nasion od organów wegetatywnych i stanowi materiał do badania ewolucji ligniny. Praca ustala typy jednostek oraz połączeń. Znaczenie tych różnic dla kiełkowania, przepuszczalności okrywy, odporności lub zastosowań materiałowych wymaga oddzielnych pomiarów. Chemiczna struktura polimeru jest punktem wyjścia do takich doświadczeń, a dane nasion pozostają przypisane do zbadanych gatunków i partii materiału. [Chen i wsp. 2013, s. 208–209]