The structure of the lignin in wheat straw has been investigated by a combination of analytical pyrolysis, 2D-NMR, and derivatization followed by reductive cleavage (DFRC). It is a p-hydroxyphenyl-guaiacyl-syringyl lignin (with an H:G:S ratio of 6:64:30) associated with p-coumarates and ferulates. 2D-NMR indicated that the main substructures present are β-O-4′-ethers (∼75%), followed by phenylcoumarans (∼11%), with lower amounts of other typical units. A major new finding is that the flavone tricin is apparently incorporated into the lignins. NMR and DFRC indicated that the lignin is partially acylated (∼10%) at the γ-carbon, predominantly with acetates that preferentially acylate guaiacyl (12%) rather than syringyl (1%) units; in dicots, acetylation is predominantly on syringyl units. p-Coumarate esters were barely detectable (<1%) on monomer conjugates released by selectively cleaving β-ethers in DFRC, indicating that they might be preferentially involved in condensed or terminal structures.

Redesigning lignin, the aromatic polymer fortifying plant cell walls, to be more amenable to chemical depolymerization can lower the energy required for industrial processing. We have engineered poplar trees to introduce ester linkages into the lignin polymer backbone by augmenting the monomer pool with monolignol ferulate conjugates. Herein, we describe the isolation of a transferase gene capable of forming these conjugates and its xylem-specific introduction into poplar. Enzyme kinetics, in planta expression, lignin structural analysis, and improved cell wall digestibility after mild alkaline pretreatment demonstrate that these trees produce the monolignol ferulate conjugates, export them to the wall, and use them during lignification. Tailoring plants to use such conjugates during cell wall biosynthesis is a promising way to produce plants that are designed for deconstruction.

Abstract Tricin was recently discovered in lignin preparations from wheat (Triticum aestivum) straw and subsequently in all monocot samples examined. To provide proof that tricin is involved in lignification and establish the mechanism by which it incorporates into the lignin polymer, the 4′-O-β-coupling products of tricin with the monolignols (p-coumaryl, coniferyl, and sinapyl alcohols) were synthesized along with the trimer that would result from its 4′-O-β-coupling with sinapyl alcohol and then coniferyl alcohol. Tricin was also found to cross couple with monolignols to form tricin-(4′-O-β)-linked dimers in biomimetic oxidations using peroxidase/hydrogen peroxide or silver (I) oxide. Nuclear magnetic resonance characterization of gel permeation chromatography-fractionated acetylated maize (Zea mays) lignin revealed that the tricin moieties are found in even the highest molecular weight fractions, ether linked to lignin units, demonstrating that tricin is indeed incorporated into the lignin polymer. These findings suggest that tricin is fully compatible with lignification reactions, is an authentic lignin monomer, and, because it can only start a lignin chain, functions as a nucleation site for lignification in monocots. This initiation role helps resolve a long-standing dilemma that monocot lignin chains do not appear to be initiated by monolignol homodehydrodimerization as they are in dicots that have similar syringyl-guaiacyl compositions. The term flavonolignin is recommended for the racemic oligomers and polymers of monolignols that start from tricin (or incorporate other flavonoids) in the cell wall, in analogy with the existing term flavonolignan that is used for the low-molecular mass compounds composed of flavonoid and lignan moieties.

Lignin changes during plant growth were investigated in a selected Eucalyptus globulus clone. The lignin composition and structure were studied in situ by a new procedure enabling the acquisition of two-dimensional nuclear magnetic resonance (2D-NMR) spectra on wood gels formed in the NMR tube as well as by analytical pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry. In addition, milled-wood lignins were isolated and analyzed by 2D-NMR, pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry, and thioacidolysis. The data indicated that p-hydroxyphenyl and guaiacyl units are deposited at the earlier stages, whereas the woods are enriched in syringyl (S) lignin during late lignification. Wood 2D-NMR showed that β-O-4′ and resinol linkages were predominant in the eucalypt lignin, whereas other substructures were present in much lower amounts. Interestingly, open β-1′ structures could be detected in the isolated lignins. Phenylcoumarans and cinnamyl end groups were depleted with age, spirodienone abundance increased, and the main substructures (β-O-4′ and resinols) were scarcely modified. Thioacidolysis revealed a higher predominance of S units in the ether-linked lignin than in the total lignin and, in agreement with NMR, also indicated that resinols are the most important nonether linkages. Dimer analysis showed that most of the resinol-type structures comprised two S units (syringaresinol), the crossed guaiacyl-S resinol appearing as a minor substructure and pinoresinol being totally absent. Changes in hemicelluloses were also shown by the 2D-NMR spectra of the wood gels without polysaccharide isolation. These include decreases of methyl galacturonosyl, arabinosyl, and galactosyl (anomeric) signals, assigned to pectin and related neutral polysaccharides, and increases of xylosyl (which are approximately 50% acetylated) and 4-O-methylglucuronosyl signals.

Lignin is conventionally defined as being formed by the oxidative polymerization of three main monolignols, p-coumaryl alcohol, coniferyl alcohol, and sinapyl alcohol, that are derived from the general phenylpropanoid biosynthetic pathway. Many other phenolic compounds that are also derived from the phenylpropanoid pathway are also known to perform as genuine lignin monomers in many plants, as is the case of the monolignol ester conjugates, phenolic compounds arising from the truncated biosynthesis of monolignols, or ferulate esters. Recent investigations, however, have indicated that phenolic compounds arising from beyond the canonical phenylpropanoid pathway, namely flavonoids, hydroxystilbenes, and hydroxycinnamic amides, may also behave as authentic lignin monomers and are incorporated into the lignin in some plants, further challenging the traditional definition of lignin. This is the case of the flavone tricin that is incorporated into the lignin of grasses and other monocots, the hydroxystilbene piceatannol (together with resveratrol and isorhapontigenin, at lower levels) that has been found in the lignins of palm fruit shells, their respective O-glucosides (astringin, piceid, and isorhapontin) that are present in the lignin of Norway spruce bark, or the ferulic amides feruloyltyramine, incorporated into the lignin of tobacco and potato tubers, and diferuloylputrescine, which appears to be incorporated into maize kernel lignin. These valuable compounds are potentially available in high amounts and at low cost and may be obtained from the waste products from the processing of agricultural or forest biomass.

Summary The soil borne pathogen Ralstonia solanacearum is the causing agent of bacterial wilt, a devastating disease affecting major agricultural crops. R. solanacearum enters plants through the roots and reaches the vasculature, causing rapid wilting. We recently showed that tomato varieties resistant to bacterial wilt restrict bacterial movement in the plant. In the present work we go a step forward by identifying the physico-chemical nature of the barriers induced in resistant tomato roots in response to R. solanacearum . We describe that resistant tomato specifically responds to infection by assembling de novo a structural barrier at the vasculature formed by a ligno-suberin coating and tyramine-derived hydroxycinnamic acid amides (HCAAs). On the contrary, susceptible tomato does not form these reinforcements in response to the pathogen but instead displays lignin structural changes compatible with its degradation. Further, we show that overexpressing genes of the ligno-suberin pathway in a commercial susceptible variety of tomato restricts R. solanacearum movement inside the plant and slows disease progression, enhancing resistance to the pathogen. We thus propose that the induced barrier in resistant plants does not only restrict the movement of the pathogen, but may also prevent cell wall degradation by the pathogen and confer anti-microbial properties.

Pod dehiscence facilitates seed dispersal in wild legumes while indehiscence is a key domestication trait in cultivated ones. However, the evolutionary genetic mechanisms underlying its diversity are largely unclear. In this study, we compared transcriptomes of two warm-season (Glycine spp. and Phaseolus spp.) and two cool-season (Pisum spp. and Medicago ruthenica) legumes in analysis of dehiscent and indehiscent pod genotypes. Differentially expressed genes in AP2/ERF-like transcription factors and seven structural gene families, including lactoperoxidase, laccase, and cellulose synthase-interactive proteins, which are involved in secondary cell wall component accumulation, were identified to exert key roles in pod dehiscence variation. In accordance with this, higher lignin and cellulose contents were observed in pod secondary cell wall of dehiscent accessions of soybean and pea; however, the variation patterns of lignin polymers in soybean (accumulation) and pea (proportion) differed between dehiscent and indehiscent pods. Moreover, genome-wide comparative analysis revealed that orthogroups represented <1% of all identified differentially expressed genes could be traced among the four genera of legumes, while recruiting paralogous members may constitute the genetic robustness of legume pod dehiscence. This study compared the genetic mechanism among several legumes in pod dehiscence formation and revealed a compensating role of paralogous redundancy of involved gene families in seed dispersal, which can guide crop breeding.

Oat straw, a residue of Avena sativa L., is recognized for its abundance in cellulose, hemicelluloses, and lignin. However, its potential as a source of lipophilic compounds within the framework of a biorefinery concept still remains unexplored. In this study, we conducted an extensive investigation into the content and chemical composition of the lipophilic compounds present in acetone extracts from oat straws of two distinct oat varieties, namely, Karen and Isaura. Furthermore, we examined their seasonal variability in content and composition in straw samples from oats planted in both spring and winter seasons. The extracted lipophilic compounds were predominantly composed of high molecular weight esters (26.0–38.1%), steroids (16.6–24.0%), n-fatty alcohols (10.9–20.7%), n-fatty acids (10.9–16.0%), and n-aldehydes (10.7–15.8%), with lower amounts of n-alkanes (1.1–3.0%), acylglycerides (2.3–3.8%), phytol and phytyl esters (0.6–2.9%), β-diketones (0.1–2.5%), triterpenoids (0.9–1.2%), tocopherols and tocopheryl esters (0.2–0.7%), 2-hydroxy fatty acids (0.1–0.2%), and n-alkylresorcinols (0.1%). Notably, these different classes of compounds exhibited variations in their contents depending on the oat variety and the specific planting season. Of particular interest was the Karen variety, which presented significant amounts of high molecular weight esters, free fatty acids, and acylglycerols, especially when it was cultivated during the winter season. These findings underline the potential of oat straw as a valuable resource for lipid extraction within a biorefinery context and emphasize the importance of selecting the appropriate variety and season for optimal lipid yield.