Formaldehyde protects and serves The lignin found in plants is a desirable renewable feedstock for fuels and other useful compounds. Breaking down such a strong, energy-dense polymer, however, requires pretreatment of plant biomass under harsh conditions. These pretreatment steps often cause side reactions within the polymer itself, which lower the overall yields of lignin monomers. Shuai et al. used formaldehyde during pretreatment to block the reactive groups that lead to carbon-carbon linkages in lignin. This simple step stabilized lignin during pretreatment, resulting in dramatically improved yields. Science , this issue p. 329

NMR fingerprinting of the components of finely divided plant cell walls swelled in DMSO has been recently described. Cell wall gels, produced directly in the NMR tube with perdeutero-dimethylsulfoxide, allowed the acquisition of well resolved/dispersed 2D 13C–1H correlated solution-state NMR spectra of the entire array of wall polymers, without the need for component fractionation. That is, without actual solubilization, and without apparent structural modification beyond that inflicted by the ball milling and ultrasonication steps, satisfactorily interpretable spectra can be acquired that reveal compositional and structural details regarding the polysaccharide and lignin components in the wall. Here, the profiling method has been improved by using a mixture of perdeuterated DMSO and pyridine (4 : 1, v/v). Adding pyridine provided not only easier sample handling because of the better mobility compared to the DMSO-d6-only system but also considerably elevated intensities and improved resolution of the NMR spectra due to the enhanced swelling of the cell walls. This modification therefore provides a more rapid method for comparative structural evaluation of plant cell walls than is currently available. We examined loblolly pine (Pinus taeda, a gymnosperm), aspen (Populus tremuloides, an angiosperm), kenaf (Hibiscus cannabinus, an herbaceous plant), and corn (Zea mays L., a grass, i.e., from the Poaceae family). In principle, lignin composition (notably, the syringyl : guaiacyl : p-hydroxyphenyl ratio) can be quantified without the need for lignin isolation. Correlations for p-coumarate units in the corn sample are readily seen, and a variety of the ferulate correlations are also well resolved; ferulates are important components responsible for cell wall cross-linking in grasses. Polysaccharide anomeric correlations were tentatively assigned for each plant sample based on standard samples and various literature data. With the new potential for chemometric analysis using the 2D NMR fingerprint, this gel-state method may provide the basis for an attractive approach to providing a secondary screen for selecting biomass lines and for optimizing biomass processing and conversion efficiencies.

An efficient organocatalytic method for chemoselective aerobic oxidation of secondary benzylic alcohols within lignin model compounds has been identified. Extension to selective oxidation in natural lignins has also been demonstrated. The optimal catalyst system consists of 4-acetamido-TEMPO (5 mol %; TEMPO = 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl) in combination with HNO3 and HCl (10 mol % each). Preliminary studies highlight the prospect of combining this method with a subsequent oxidation step to achieve C–C bond cleavage.

Lignin Biosynthesis Complications Lignin is a polymer that lends its sturdy properties to wood and makes plant cell walls tougher, which creates problems for chemists converting cellulosic plant biomass into biofuels. Vanholme et al. (p. 1103 , published online 15 August; see the cover) have identified a new step in the biosynthetic pathway of lignin in Arabidopsis in which caffeoyl shikimate esterase catalyzes synthesis of caffeate. Cellulose from mutant plants, which had reduced amounts of lignin, was more efficiently processed into glucose.

Abstract Cinnamoyl-CoA reductase (CCR) catalyzes the penultimate step in monolignol biosynthesis. We show that downregulation of CCR in transgenic poplar (Populus tremula × Populus alba) was associated with up to 50% reduced lignin content and an orange-brown, often patchy, coloration of the outer xylem. Thioacidolysis, nuclear magnetic resonance (NMR), immunocytochemistry of lignin epitopes, and oligolignol profiling indicated that lignin was relatively more reduced in syringyl than in guaiacyl units. The cohesion of the walls was affected, particularly at sites that are generally richer in syringyl units in wild-type poplar. Ferulic acid was incorporated into the lignin via ether bonds, as evidenced independently by thioacidolysis and by NMR. A synthetic lignin incorporating ferulic acid had a red-brown coloration, suggesting that the xylem coloration was due to the presence of ferulic acid during lignification. Elevated ferulic acid levels were also observed in the form of esters. Transcript and metabolite profiling were used as comprehensive phenotyping tools to investigate how CCR downregulation impacted metabolism and the biosynthesis of other cell wall polymers. Both methods suggested reduced biosynthesis and increased breakdown or remodeling of noncellulosic cell wall polymers, which was further supported by Fourier transform infrared spectroscopy and wet chemistry analysis. The reduced levels of lignin and hemicellulose were associated with an increased proportion of cellulose. Furthermore, the transcript and metabolite profiling data pointed toward a stress response induced by the altered cell wall structure. Finally, chemical pulping of wood derived from 5-year-old, field-grown transgenic lines revealed improved pulping characteristics, but growth was affected in all transgenic lines tested.

Laccases, as early as 1959, were proposed to catalyze the oxidative polymerization of monolignols. Genetic evidence in support of this hypothesis has been elusive due to functional redundancy of laccase genes. An Arabidopsis double mutant demonstrated the involvement of laccases in lignin biosynthesis. We previously identified a subset of laccase genes to be targets of a microRNA (miRNA) ptr-miR397a in Populus trichocarpa . To elucidate the roles of ptr-miR397a and its targets, we characterized the laccase gene family and identified 49 laccase gene models, of which 29 were predicted to be targets of ptr-miR397a. We overexpressed Ptr-MIR397a in transgenic P. trichocarpa . In each of all nine transgenic lines tested, 17 PtrLAC s were down-regulated as analyzed by RNA-seq. Transgenic lines with severe reduction in the expression of these laccase genes resulted in an ∼40% decrease in the total laccase activity. Overexpression of Ptr-MIR397a in these transgenic lines also reduced lignin content, whereas levels of all monolignol biosynthetic gene transcripts remained unchanged. A hierarchical genetic regulatory network (GRN) built by a bottom-up graphic Gaussian model algorithm provides additional support for a role of ptr-miR397a as a negative regulator of laccases for lignin biosynthesis. Full transcriptome–based differential gene expression in the overexpressed transgenics and protein domain analyses implicate previously unidentified transcription factors and their targets in an extended hierarchical GRN including ptr-miR397a and laccases that coregulate lignin biosynthesis in wood formation. Ptr-miR397a, laccases, and other regulatory components of this network may provide additional strategies for genetic manipulation of lignin content.

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.