Internodium nr. 7 van de maisplanten Ambrosini en Aastar, geoogst op 17 Juli, 14 Augustus, 11 September en 23 Oktober, alsmede de internodia 5, 9, 13 en 15 van planten geoogst op 14 Augustus, werden onderzocht met behulp van Pyrolyse Massaspectrometrie (PyMS). Een schema van een PyMS-apparaat is te zien in Fig. 40.
Het principe van PyMS is als volgt. Een zeer kleine hoeveelheid monster (40 – 70 µg) van een zeer goed en fijn gemalen (Retsch kogelmolen) monster wordt anaeroob zeer snel verhit in een elektrisch veld, waardoor de macromoleculen niet verbranden, maar uiteen vallen in brokstukken. Deze kleinere moleculen (brokstukken) worden via een gasstroom (helium) gescheiden in een gaschromatograaf en vervolgens gedetecteerd met behulp van een massaspectrofotometer (zie review Boon, 1992).
Op deze manier worden spectra verkregen die iets zeggen over de samenstelling van het uitgangsmateriaal (Fig. 41). Met name wordt informatie verkregen over de verschillende bouwstenen (Fig. 42) die tezamen het lignine vormen en over de onderlinge verhoudingen. Met name de verhouding tussen syringyl alcohol en guaiacyl alcohol, de zogenaamde S:G- ratio is een belangrijke parameter die iets zegt over de afbreekbaarheid. Een hoge S:G-ratio is een indicatie voor een slechte verteerbaarheid.
Fig. 40. Schematische voorstelling van een pyrolyse-gaschromatograaf-massaspectrometer (PyMS).
Fig. 41. Voorbeeld van twee spectra verkregen van een maisinternodium met behulp van een pyrolyse-gaschromatograaf-massaspectrometer (PyMS).
Fig. 42. Drie belangrijke bouwstenen van lignine. H = Phenol, G = Guaiacyl alcohol en S = Syringyl alcohol.
S:G-ratio
De S:G-ratio in internodium 7 van de genotypen Ambrosini en Aastar, geoogst op verschillende data is weergegeven in Tabel 7. Uit deze tabel blijkt dat de S:G-ratio toeneemt gedurende het seizoen. Zowel voor Ambrosini als voor Aastar werd de laagste S:G-ratio waargenomen in het jongste internodium, geoogst op 17 Juli. Voorts blijkt dat de S:G-ratio in alle gevallen het hoogst was in Ambrosini en het laagst in Aastar.
De S:G-ratio in de internodia 5, 9, 13 en 15 van de maisgenotypen Ambrosini en Aastar, geoogst op 14 Augustus 2012, staat weergegeven in Tabel 8. Deze tabel laat zien dat de S:G-ration, voor beide genotypen, afneemt naarmate het internodium hoger in de plant aanwezig was. Het oudste internodium, onderin de plant, heeft de grootste S:G-ratio, terwijl de jongere internodia, hoger in de plant een kleinere S:G-ratio laten zien. Ook Tabel 8 laat zien dat de S:G-ratio voor Ambrosini hoger is dan van Aastar.
Tabel 7. De S:G-ratio (Syringyl alcohol/Guaiacyl alcohol) in internodium 7 van maisplanten Ambrosini en Aastar, geoogst op verschillende data in 2012.
Ambrosini Aastar Juli 17 0.45 0.35 Augustus 14 0.53 0.43 September 11 0.59 0.41 Oktober 23 0.56 0.46 Gemiddelde 0.53 0.41
Tabel 8. De S:G-ratio (Syringyl alcohol/Guaiacyl alcohol) in de internodia 5, 9, 13 en 15 van de maisgenotypen Ambrosini en Aastar, geoogst op 14 Augustus 2012.
Ambrosini Aastar Internodium 5 0.58 0.51 Internodium 9 0.46 0.38 Internodium 13 0.36 0.33 Internodium 15 0.36 0.28 Gemiddelde 0.44 0.38
S:G-ratio en celwandafbraak in pensvloeistof
De relatie tussen de S:G-ratio en de totale gasproductie na 72 uur incubatie van de monsters in pensvloeistof staat weergegeven in Figuur 43. Er blijkt een negatieve correlatie te bestaan met een r2 van 0.50. Naarmate de S:G-ratio hoger is neemt de verteerbaarheid af. Dit geldt zowel voor Ambrosini als voor Aastar.
De relatie tussen de S:G-ration en de gasproductie ten gevolge van de afbraak van de celwanden in pensvloeistof, dus de gasproductie tussen 3 en 20 uur, staat weergegeven in Figuur 44. Hier wordt een veel sterkere correlatie (r2 = 0.85) gevonden dan met de totale gasproductie (Fig. 43). De correlatie tussen de afbraak van de celwanden en de S:G-ratio is 0.85, terwijl de correlatie met het ligninegehalte slechts 0.66 was. De S:G-ratio is dus meer bepalend voor de afbraak dan het ligninegehalte.
Ook de correlatie tussen de S:G-ratio en de snelheid van gasproductie (Fig. 45) was hoger (r2 = 0.45) dan tussen het ligninegehalte en de snelheid van gasproductie (Fig. 16, r2 = 0.38). Ook dit laat zien dat de S:G-ratio meer bepalend is voor de snelheid van afbraak, naast de mate van afbraak.
Fig. 43. Relatie S:G-ratio en gasproductie na 72 uur incubatie (r2 = 0.50).
Fig. 45. Relatie S:G-ratio en de tijd (h) die nodig is voor 50 % van de maximale gasproductie (r2 = 0.45).
Conclusies
Er kan geconcludeerd worden dat de samenstelling van de lignine een belangrijke factor is of een celwand wel of niet afgebroken wordt met behulp van micro-organismen in de pens. De afbraak van de celwanden (gasproductie tussen 3 en 20 uur) is veel sterker gecorreleerd met de S:G-ratio dan met het ligninegehalte. Het ligninegehalte heeft zeker een negatieve invloed op de afbraak van de celwanden, maar is zeker niet de enige reden waarom een celwand wel of niet wordt afgebroken. Ook de samenstelling van de lignine blijkt van grote invloed te zijn. Meer onderzoek is nodig naar de samenstelling van lignine en de verschillende bindingen van lignine met de koolhydraten in de celwanden en de afbreekbaarheid van die celwanden.
Referenties
Akin, D.E., Burdick, D., 1981. Reltionship of different histochemical types of lignified cell walls to forage digestibility. Crop. Sci., 21: 577-581
Akin, D.E. 1989. Histological and physical factors affecting digestibility forages. Agron. J. 81:7-24
Akin, D.E., Chesson, A., 1989. Lignification as the major factor limiting forage feeding value especially in warm conditions. In: R. Desroche (ed.), Proc. XVI Int. Grassland Congress, 4-11 October 1989, Nice, France. Association Française pour Production Fouragere. INRO: Route de Saint-Cyr, 78026 Versailles Cedex, France. Vol. 3: 1753-1760.
Akin, D.E., Hartley, R.D., Morrison, Ill, W.H., Himmelsbach, D.S., 1990. Diazonium compounds localize grass cell wall phenolics: relation to wall digestibility. Crop. Sci., 30: 985-989
Bennouna B., Lahrouni A., Bethenod O., Fournier B., Andrieu B., Khabba S. 2004. Development of maize internode under drought stress. Journal of Agronomy vol 3. 94- 102.
Boon, J.J. 1992. Analytical pyrolysis mass spectrometry: new vistas opened by temperature- resolved in-source PYMS. Int. J. Mass Spectrometry and Ion Processes 118/119: 755- 787.
Boon, E.J.M.C., Engels, F.M., Struik, P.C., Cone, J.W. 2005. Stem characteristics of two forage maize (Zea mays L.) cultivars varying in whole plant digestibility. II. Relation between in vitro rumen fermentation characteristics and anatomical and chemical features within a single internode. NJAS – Wageningen Journal of Life Sciences 53, 87-109.
Boon, E.J.M.C., Struik, P.C., Tamminga, S., Engels, F.M., Cone, J.W. 2008. Stem characteristics of two forage maize (Zea mays L.) cultivars varying in whole plant digestibility. III. Intra-stem variability in anatomy, chemical composition and in vitro rumen fermentation. NJAS-Wageningen J Life Sci 56-1/2: 101-122.
Boudet, A.M. 2000. Lignins and lignifications: selected issues, Plant Phys. Biochem. Vol. 35: 81-96
Burrit, F.J.W., Bittner, E.A., Street, A.S., Anderson, J.C., 1984. Correlations of phenolic acids and xylose content of cell wall with in vitro dry matter digestibility of three maturing grasses. J. Dairy Sci., 67: 1209-1213
Chesson, A. 1993. Mechanistic models of forage cell wall degradation. p.347-376, In H.G Jung, D.R. Buxton, R.D. Hatfield, and J. Ralph, eds. Forage cell wall structure and digestibility. ASA-CSSA-SSSA, Madison, WI, USA
Cone, J.W., Engels F.M., 1990. Influence of growth temperature on anatomy and in-vitro digestibility of maize tissues. J. Agric. Sci., Cambridge, 114: 207-212
Cone, J.W., A.H. Van Gelder, G.J.W. Visscher, L. Oudshoorn, 1996. Use of a new automated time related gas production apparatus to study the influence of substrate concentration and source of rumen fluid on fermentation kinetics. Animal Feed Science and Technology 61: 113-128.
Cone, J.W., A.H. Van Gelder, F. Driehuis, 1997. Description of gas production profiles with a three-phasic model. Animal Feed Science and Technology 66: 31-45.
Deinum, B., Struik, P.C. 1989. Genetic variation in digestibility of forage maize (Zea mays L.) and its estimation by Near Infrared Reflectance Spectroscopy (NIRS). An analysis. Euphytica 42: 89−98.
Engels, F.M., 1989. Some properties of cell wall layers determining ruminant digestion. In: A. Chesson and E.R. Orskov (ed.), Physico-chemical Characterisation of Plant Residues for Industrial and Feed Use. Elsevier Applied Science, London and New York, pp. 80-87 Engels, F.M., Schuurmans, J.L.L., 1992. Relationship between structural development of cell
walls and degradation of tissues in maize stems. J. Sci. Food Agric. 59: 45-51.
Engels, F.M., Jung H.G., 2005. Alfalfa stem tissues: impact of lignifications and cell length on ruminal degradation of large particles. Anim. Feed Sci. Technol. 120: 309-321
Esau, K. 1977. Anatomy of seed plants. John Wiley and Sons, New York.
Espinoza-Paz, N. 1996. Efecto del Déficit Hidrico en la Longitu y Diametro de los Entrenudos del Tallo de Cuatro Cultivares de Maiz. In: Developing drought- and low N- tolerant maize. Eds. Edmeades G.O., Bänziger M., Mickelson H.R., Pena-Valdivia C.B. Harris, P.J., Hartley, R.D. 1976. Detection of bound ferulic acid in cell walls of Gramineae by
ultraviolet fluorescence microscopy. Nature 259: 508-510
Hartley, R.D., Ford, C.W., 1989 Cyclodimers of p-coumaric and ferulic acids in the cell-walls of tropical grasses. J. Sc. Food Agric. 50, 29-43
Harvey, P.J., Hartley, R.D., 1976. Detection of bound ferulic acid in cell walls of the Graminae by ultraviolet fluorescence microscopy. Nature, 259: 508-510.
Humphreys, J., Chapple, C., 2002. Rewriting the lignin road map. Curr. Opin. Plant Biol. Vol. 5: 224-229
Inomana, F., Takabe, K., Saiki, H. 1992. Cell wall formation of conifer tracheid as revealed by rapid-freeze and substitution method. J. Electronic Microsc., 41: 369-374.
Jung, H.G., Sahlu, T., 1986. Depression of cellulose digestion by esterified cinnamic acids. J. Sci. Food Agric., 37: 81-87
Jung, H. G. 1989. Forage lignins and their effects on fiber digestibility. Agron. J. 81: 33-38 Jung, H.G. and Himmelsbach, D.S., 1989. Isolation and characterization of wheat straw
lignin. J. Agric. Food Chem., 37: 81-87
Jung, H.G., Casler, M.D., 1990. Lignin concentration and composition of divergent smooth bromegrasses genotypes. Crop. Sci., 30: 980-985
Jung H.G., D.R. Buxton, R.D. Hatfield, J. Ralph, eds.1993. Forage cell wall structure and digestibility. ASA-CSSA-SSSA, Madison, WI, USA
Jung, H.G., Deetz, D.A. 1993. Cell-wall lignifications and degradability. p. 315-346. In In H.G Jung, D.R. Buxton, R.D. Hatfield, and J. Ralph, eds. Forage cell wall structure and digestibility. ASA-CSSA-SSSA, Madison, WI, USA
Jung, H.J.G., Buxton, D.R. 1994. Forage quality variation among maize inbreds: Relationships of cell-wall composition and in-vitro degradability for stem internodes. J. Sci. Food Agric. Vol. 66: 313-322.
Jung, H.G., Casler, M.D. 2006. Maize stem tissues: cell wall concentration and composition during development. Crop Sci. Vol. 46: 1793-1800.
Jung, H.G. 2011. Forage digestibility: the intersection of cell wall lignification and plant tissue anatomy. In: III International Symposium Advances on Research Techniques for Ruminant Nutrition, March 24-25, 2011, Pirassununga, Brazil. p. 137-160.
Juniper, B.E. 1979. The structure and chemistry of straw. Agric. Prog 54:18-27
MacAdam, J.W., Grabber, J.H., 2002. Relationship of growth cessation with the formation of diferulate cross-links and p-courmaroylated lignins in tall fescue leaf blades. Planta. Vol. 215 (5): 785-93.
Morrison, T.A., Jung, H.G., Buxton, D.R., Hatfield, R.D. 1998. Crop quality and utilization: Cell- wall composition of maize internodes of varying maturity. Crop Sci. Vol. 38: 455-460. Mulder, M.M., Engels, F.M., Schuurmans, J.L.L., Boon, J.J., 1992. In vitro digested and
potassium permanganate delignified maize internode sections studied by histochemistry and analytical pyrolysis mass spectrometry. Anim. Feed Sci. Technol., 39: 335-346. Struik PC. 1985. Digestibility of plant fractions from different genotypes and predictability of
quality of forage maize in northwest Europe. Neth J Agric Sci 33: 56−59.
Theander, O., Westerlund E., 1993 Quantitative analysis of cell wall components. p. 83-104. In H.G Jung, D.R. Buxton, R.D. Hatfield, and J. Ralph, eds. Forage cell wall structure and digestibility. ASA-CSSA-SSSA, Madison, WI, USA
Terashima, N., Fukushima, K., He, L.F., Takabe, K. 1993. Comprehensive model of the lignified plant cell wall. In: Forage cell wall structure and digestibility. Jung, H.G., Buxton, D.B., Hatfield, R.D., Ralph, J. (eds). ASA, CSSA, SSSA, USA. ISBN 0-89118-115-6.
Van Soest, P.J., J.B. Robertson, B.A. Lewis, 1991. Methods for dietary fiber, neutral detergent fiber, and nonstarch polysaccharides in relation to animal nutrition. Journal of Dairy Science 74: 3583-3597.
Wilson, J.R. 1993. Organization of forage plant tissues. p. 1-32, In H.G Jung, D.R. Buxton, R.D. Hatfield, and J. Ralph, eds. Forage cell wall structure and digestibility. ASA-CSSA- SSSA, Madison, WI, USA
Wilson, J.R., Mertens, D.R., 1995. Cell wall accessibility and cell structure limitations to microbial digestion of forage. Crop Sci. 35: 251-259.
Yeung, E. 1998. A beginner’s guide to the study of plant structure. Pages 125-142. Retrieved from http://www.ableweb.org/volumes/vol-19/9-yeung.pdf