Lignification of spruce tracheid secondary cell walls related to longitudinal hardness and modulus of elasticity using nano-indentation

摘要

The lignin content and the mechanical properties of lignifying and fully lignified spruce tracheid secondary cell walls were determined using UV microscopy and nano-indentation, respectively. The average lignin content of developing tracheids was 0.10 g·g–1, as compared with 0.21 g·g–1 in mature tracheids. The modulus of elasticity of developing cells was on average 22% lower than the one measured in mature, fully lignified cells. For the longitudinal hardness, a larger difference of 26% was observed. As lignifying cells in the cambial zone are undergoing cell wall development, spaces in the cellulose–hemicellulose structure are filled with lignin and the density of the cell wall is believed to increase. It is therefore suggested that the observed difference in modulus of elasticity between developing and fully lignified cell walls is due to the filling of spaces with lignin and an increase of the packing density of the cell wall during lignification. Although remarkably less stiff than the composite polysaccharide structure in the secondary cell wall, lignin may be considered equally hard. Therefore, the observed increase in lignin content may contribute directly to the measured increase of hardness.Key words: secondary cell wall, hardness, lignin, modulus of elasticity, wood formation.Chez l'épinette et à l'aide de microscopie en UV et de la nano-indentation, les auteurs ont déterminé la teneur en lignine et les propriétés mécaniques des parois cellulaires secondaires des trachéïdes, en voie de lignification ou complètement lignifiées. La teneur moyenne en lignine des trachéïdes en développement est de 0,10 g·g–1, comparativement à 0,21 g·g–1 chez les trachéïdes matures. Le module d'élasticité des cellules en développement est d'environ 22 % plus faible que celui mesuré chez les cellules matures complètement lignifiées. Pour la dureté longitudinale, cette différence atteint 26 %. À mesure que les cellules en lignification de la zone cambiale subissent le développement de leur paroi, les lacunes de la structure cellulose–hémicellulose se remplissent de lignine et on croit que la densité de la paroi cellulaire augmente. Conséquemment, on suggère que la différence observée dans le module d'élasticité, entre les cellules en développement et les cellules complètement lignifiées, est due au remplissage des espaces avec la lignine et à une augmentation de densité de paquetage de la paroi cellulaire au cours de la lignification. Bien que remarquablement moins inflexibles que la structure composite de polysaccharides dans la paroi secondaire des cellules, on peut considérer que la lignine est tout aussi dure. On déduit que l'augmentation observée dans l'augmentation de la teneur en lignine peut contribuer directement à l'augmentation de dureté mesurée.Mots clés : paroi cellulaire secondaire, dureté, lignine, module d'élasticité, formation du bois.[Traduit par la Rédaction]