Combinación de imágenes Raman y Análisis Multivariante para visualizar Lignina, Celulosa y Hemicelulosa en el Muro de la Célula Vegetal

Resumen

Este protocolo tiene como objetivo presentar un método general para visualizar la lignina, la celulosa y la hemicelulosa en las paredes celulares de las plantas usando imágenes Raman y análisis multivariante.

Resumen

La aplicación de la imagen Raman a la biomasa vegetal está aumentando porque puede ofrecer información espacial y composicional sobre soluciones acuosas. El análisis no suele requerir una preparación extensiva de la muestra; La información estructural y química se puede obtener sin etiquetado. Sin embargo, cada imagen Raman contiene miles de espectros; Esto plantea dificultades al extraer información oculta, especialmente para componentes con estructuras químicas similares. Este trabajo introduce un análisis multivariado para abordar esta cuestión. El protocolo establece un método general para visualizar los componentes principales, incluyendo lignina, celulosa y hemicelulosa dentro de la pared celular de la planta. En este protocolo, se describen procedimientos para la preparación de muestras, adquisición espectral y procesamiento de datos. Es altamente dependiente de la habilidad del operador en la preparación de la muestra y en el análisis de los datos. Mediante el uso de este enfoque, una investigación Raman puede ser realizada por un usuario no especialista paraH-calidad de datos y resultados significativos para el análisis de la pared celular de la planta.

Introducción

Plant biomass is the most abundant renewable resource on Earth; is mainly composed of lignin, cellulose, and hemicellulose; and is considered an attractive source of bioenergy and bio-based chemicals¹. Unfortunately, it can resist degradation and confer hydrolytic stability or structural robustness to the plant cell wall. Such resistance is attributable to the accessible surface area, biomass particle size, degree of polymerization, cellulose crystallinity, and protective lignin². A comprehensive understanding of the structural and chemical nature of the plant cell wall is thus significant from the viewpoint of plant biology and chemistry, as well as from that of commercial utilization. Commonly used wet chemistry analyses, such as chromatography, mass spectrometry, and nuclear magnetic resonance spectroscopy, only provide average compositional data of the measured sample. Furthermore, these methods are invasive and destroy the original structure of the plant tissue³.

The Raman imaging technique is a powerful tool for the nondestructive visualization of spatially resolved chemical information⁴. It uses a laser light to cause inelastic scattering with a photon and relies on changes in polarizability arising from the molecular vibrations. In this case, water causes weak Raman scattering, which makes this approach suitable for in situ investigations of biological samples⁵. The application of the Raman imaging technique to the plant cell wall can elucidate the structure and composition of plant cell walls in their native state, with the resolution on the scale of the single cell and even of the cell wall layers⁶. A typical Raman imaging analysis of a plant cell wall generally consists of three steps: 1) sample preparation, 2) spectral acquisition, and 3) data processing.

Although one of the major advantages of Raman imaging is the ability to achieve label-free and non-destructive spectra with minimal sample preparation, physical sample sectioning is still necessary to expose the surface of interest. This process should be performed carefully to obtain a flat surface, since the technique depends on maintaining optical focus⁷. Spectral acquisition requires a balance between image quality and extensive acquisition times⁸. Data processing aims to effectively extract the chemical information from the image data, especially for the components with similar chemical structures, such as cellulose and hemicellulose. Due to the strong spectral overlap, the exact spectra are difficult to discern. In this case, multivariate analysis is a straightforward approach to effectively uncover the hiding structural and chemical information⁹. This work presents a general protocol describing the use of Raman imaging to visualize the main components in plant cell walls, including lignin, cellulose, and hemicellulose.

Protocolo

1. Preparación de la muestra

1. Corte un pequeño bloque de tejido (aproximadamente 3 mm x 3 mm x 5 mm) de la muestra de la planta ( por ejemplo, un tallo de álamo).
2. Sumerja el tejido en agua desionizada hirviendo durante 30 min. Se transfiere inmediatamente a agua desionizada a temperatura ambiente (RT) durante 30 min. Repita este paso hasta que el tejido se hunde en el fondo del recipiente, lo que indica que el aire en el tejido se ha eliminado y que el tejido se ha ablandado.
   Nota: Para las muestras que se hunden en el fondo antes de este paso, repita este ciclo generalmente 3-5 veces.
3. Preparar alícuotas de polietilenglicol (PEG) de 20, 50, 70, 90% (v / v) en agua desionizada, así como PEG puro y mantener las soluciones a 65 ° C.
4. Incube el tejido en una serie de baños graduados de PEG para desplazar el agua y permitir que el PEG se infiltre.
   Nota: Típicamente, se utiliza PEG con un peso molecular de 2.000 (PEG2000) para incrustar.
   1. Procesar el tejido con g(C) 70% de PEG durante 2 h, (d) 90% de PEG durante 2 h, y (b) 50% de PEG durante 1,5 h, (E) 100% de PEG durante 10 h.
5. Precalentar un casete a 65 ° C en un horno. Vierta el PEG que contiene el bloque en el casete y luego coloque el bloque de tejido en la posición deseada utilizando pinzas precalentadas o agujas.
6. Enfriar lentamente el cassette y almacenar el tejido a RT hasta su uso.
7. Diseccionar el bloque de PEG que contiene el tejido objetivo en un pequeño bloque (aproximadamente 1 cm x 1 cm x 2 cm) usando una cuchilla de afeitar afilada y montarlo en el micrótomo.
8. Cortar secciones delgadas del bloque de PEG (típicamente 3-10 μm).
9. Enjuague la sección con agua desionizada en un cristal de reloj 10 veces para eliminar el PEG del tejido.
10. Sumergir las secciones con tolueno / etanol (2: 1, v / v) durante 6 h para eliminar los extractos. Preparar el líquido de reacción mezclando 65 ml de agua desionizada, 0,5 ml de ácido acético y 0,6 g de cloro sódicoRito en un vaso de precipitados. Añadir una sección y 3 ml de líquido de reacción a un vial de 5 ml. Atornille la parte superior del vial.
11. Calentar el vial en un baño de agua a 75 ° C durante 2 h para eliminar la lignina del tejido. Enjuague la sección con agua desionizada en un cristal de reloj 10 veces.
12. Transferir la sección no tratada / deslignificada a un portaobjetos de microscopio de vidrio. Despliegue la sección cuidadosamente con pinceles o agujas. Retire el agua desionizada extra con papel de seda.
13. Sumergir la sección en D ₂ O. Cubrir la muestra con un protector de vidrio. Sellar el protector con esmalte de uñas para evitar la evaporación del D ₂ O.

2. Adquisición Espectral

1. Abra el software de operación del instrumento del microscopio Raman confocal. Encienda el láser (longitud de onda = 532 nm), enfoque en la superficie del silicio cristalino con un objetivo de microscopio 100X y haga clic en el botón de calibración para calibrar el instrumento.
2. Cambiar el instrumentoAl modo de microscopio óptico y encienda la lámpara del microscopio. Montar el portaobjetos del microscopio sobre el escenario, con el revestimiento de la cubierta frente al objetivo.
3. Ver la muestra con un objetivo de microscopio 20X y localizar el área de interés. Aplique aceite de inmersión a la cubreobjetos y cambie al objetivo del microscopio de inmersión (60X, apertura numérica NA = 1.35). Enfoque en la superficie de la muestra.
4. Cambie el instrumento al modo de prueba Raman y apague la lámpara del microscopio.
5. Elija un área de asignación mediante una herramienta rectangular. Alterar el tamaño del paso para determinar el número de espectros obtenidos.
   Nota: Tenga en cuenta el tamaño del paso (generalmente mayor que el diámetro del punto calculado por la apertura numérica del objetivo, teóricamente 1.22λ / NA). Los tamaños debajo de esto resultarán en sobremuestreo.
6. Establezca los parámetros espectrales óptimos para obtener la mejor relación señal-ruido (SNR) y calidad espectral en un tiempo de adquisición apropiado (generalmente <8 h), depeLa adecuación de la muestra. En general, introduzca los parámetros de imagen en el software del instrumento de la siguiente manera: láser (532 nm), filtro (100%), agujero (300), hendidura (100), espectrómetro (1.840 cm ^-1 ), ranuras (1200t) Aceite 60X) y tiempo de adquisición (2 s).
7. Guarde los datos espectrales antes de procesar los datos y convertirlos a un formato universal ( por ejemplo, archivos TXT).

3. Análisis de datos

1. Cargar los datos espectrales (archivos TXT) en el software de análisis de datos ( por ejemplo, Matlab). Aplicar una técnica de reducción de ruido en el conjunto de datos para mejorar la SNR ( por ejemplo, el algoritmo de Savitzsky-Golay o el algoritmo wavelet)
2. Utilice muestras no tratadas para producir las imágenes de lignina y polisacáridos. Para la obtención de imágenes de lignina, considere el pico espectral alrededor de 1.600 cm ^-1 debido a la vibración de estiramiento simétrica del anillo aromático. Para la obtención de imágenes de polisacáridos (incluyendo celulosa y hemicelulosa), utilice el pico espectral aAlrededor de 2.889 cm ^-1 debido a los tramos CH y CH ₂ .
3. Utilizar muestras deslignificadas para generar las imágenes de celulosa y hemicelulosa. Realizar la auto-modelación de la curva de resolución (SMCR) en los espectros adquiridos para discriminar los espectros de celulosa y hemicelulosa y la imagen de sus distribuciones.
4. Realizar análisis de componentes principales (PCA) y análisis de agrupamiento en los datos adquiridos para distinguir los espectros Raman de diferentes capas de pared celular.

Resultados

La Figura 1 presenta una visión general de un sistema micro-Raman típico para la imagen Raman de una pared celular de una planta. Como ejemplo, los espectros Raman originales del álamo ( Populus nigra L.) tienen deriva y espigas de línea de base significativas ( Figura 2a ). Después de realizar el método de preprocesamiento automático para el conjunto de datos de imágenes Raman (APRI), estos dos contaminantes es...

Discusión

La pared celular de la planta es un compuesto que se organiza en varias capas, incluyendo la esquina de la celda (CC), la pared secundaria (SW, con las capas S1, S2 y S3) y la lámina central compuesta (CML, Pared), lo que hace difícil obtener una superficie plana durante la preparación de la muestra. Por lo tanto, las muestras de plantas, especialmente hierba, que tiene una estructura más complicada que la madera, a menudo necesitan solidificarse para permitir una sección fina. PEG es una matriz dura ideal para el ...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Microtome	Thermo Scientific	Microm HM430
Confocal Raman microscope	Horiba Jobin Yvon	Xplora
Oven	Shanghai ZHICHENG	ZXFD-A5040