Prof. Dr. Markus Riederer - Projekte

Die pflanzliche Kutikula bedeckt als kontinuierliche, extrazelluläre Membran alle primären oberirdischen Teile der Höheren Pflanzen, z. B. Blätter und Früchte. Sie liegt, über einer Pektinschicht, auf den Epidermisaußenwänden und wird lediglich durch die Spaltöffnungen unterbrochen. In ein Grundgerüst aus Kutin (ein Biopolymer aus Di- und Tri-Hydroxyfettsäuren) sind lösliche intrakutikuläre Wachse eingelagert und epikutikuläre Wachse aufgelagert (Abb. 1). Die Kutikula bildet eine wichtige Barriere bei der Aufnahme nicht-flüchtiger, anthropogener Schadstoffe wie auch bei der Aufnahme von Herbiziden. Untersuchungen zur kutikulären Transportphysiologie sind daher nicht nur unter ökophysiologischen (kutikuläre Transpiration und leaching), sondern auch unter ökotoxikologischen (Aufnahme von Umweltschadstoffen) und agrochemischen Gesichtspunkten (Optimierung der Aufnahme von Pflanzenschutzmitteln) von Bedeutung. All diesen Aspekten ist gemein, dass sie in grundlegender Weise von den Transporteigenschaften der Kutikula abhängen. In den bisherigen Arbeiten zum kutikulären Transport [51] [60] [63] wurden
- Untersuchungen an intakten Blättern und Pflanzen,
- Untersuchungen an isolierten Kutikularmembranen und
- Untersuchungen an isolierten und anschließend rekristallisierten Wachsen durchgeführt.

Dabei wurden Untersuchungen auf molekularer Ebene (Untersuchungen zur molekularen Struktur der isolierten, kutikulären Wachse mittels DSC, ESR und NMR), mit Untersuchungen auf Ebene der isolierten Kutikularmembranen und auf organismischer Ebene (Untersuchungen zur kutikulären Permeabilität intakter Blätter, bzw. intakter Pflanzen) miteinander kombiniert, um zu einem verbesserten Verständnis des kutikulären Transportprozesses zu gelangen [46].

Unter Wassermangelstress hängt das Überleben von Pflanzen entscheidend vom Ausmaß des unkontrollierten Verlusts von Wasser aus den oberirdischen Teilen ab. Diese Resttranspiration nach Schluss der Stomata wird von der Permeabilität der Kutikula für Wasser determiniert (Abb. 2). Die kutikuläre Wasserpermeabilität ist ein Parameter, der grundlegende Permeabilitätseigenschaften einer Kutikularmembran charakterisiert. In einem vergleichenden Ansatz bestimmen wir die Leitwerte für Wasser der Kutikularmembranen von Pflanzenarten aus verschiedenen Habitaten und unterschiedlicher Lebensformen. Die Durchlässigkeit für Wasser variiert zwischen den Arten um mehr als zwei Größenordnungen und ist dem natürlichen Standort und der Lebensform der Pflanzen korreliert. Der Widerstand, den die kutikuläre Transportbarriere dem Durchtritt von Wasser entgegensetzt übertrifft den von Kunststoffmembranen gleicher Schichtdicke (Abb. 3).

In vielen Fällen geht das Auftreten von Wassermangelsituationen mit hohen Lufttemperaturen, intensiver Einstrahlung und als Konsequenz daraus mit einer Erwärmung der Pflanzenoberflächen über die Lufttemperatur hinaus einher. Die Permeabilität von Kutikularmembranen für Wasser nimmt mit der Temperatur stark zu. Wir untersuchen, ob es Adaptationen des thermischen Verhaltens der kutikulären Wasserpermeabilität an ökologische und physiologische Randbedingungen gibt (Abb. 4).

Der intensivste Kontakt und Austausch zwischen Landpflanzen und der atmosphärischen Umwelt findet an den Blättern statt. Aus großen Blattoberflächen ziehen Pflanzen erhebliche Vorteile, indem sie so viel Sonnenstrahlung wie möglich auffangen. Ein ausgewachsener Baum kann somit mehrere hunderttausend Blätter tragen. Die Summe der Blattflächen von Waldbeständen oder landwirtschaftlichen Nutzpflanzen kann die Grundfläche, auf der die Pflanzen wachsen, um mehr als das zwanzigfache übersteigen (Abb. 5). Wenn Pflanzen unter den Bedingungen einer technischen Zivilisation wachsen, so sind sie einer Atmosphäre sowie nasser und trockener Deposition ausgesetzt, die zusätzlich zu den natürlichen Bestandteilen eine komplexe Mischung von organischen Verbindungen enthält, die aus der Industrie, Verbrennungsprozessen im Verkehr und in den Haushalten und aus der Landwirtschaft stammen. Es stellen sich also die Fragen,
- wie diese Verbindungen mit den Blättern der Pflanzen in Wechselwirkung treten,
- wie und in welchem Ausmaß sie in das Innere der Blätter aufgenommen werden und
- welche Rolle Pflanzen folglich beim Einschleusen dieser Verbindungen in terrestrische Nahrungsketten spielen.
Diese grundlegenden Fragen bedingen das wissenschaftliche und praktische Interesse am Transfer von organischen Verbindungen zwischen der Atmosphäre und Blättern. Das hauptsächliche Ziel unserer gegenwärtigen Arbeit auf diesem Gebiet ist es, Schlüsselprozesse bei der Akkumulation und der Aufnahme von organischen Chemikalien zu identifizieren und zu untersuchen, wie diese Prozesse von den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Chemikalien und den Eigenschaften der Pflanzen beeinflusst werden [58] [64] (Abb. 6).

Die Aufnahme von Pflanzenschutzmitteln in Blätter ist ein Massentransferprozess, in dessen Verlauf Wirk- und Hilfsstoffe von einem flüssigen, eingetrockneten oder festen Depot auf der Blattoberfläche durch die Kutikula diffundieren (Abb. 7). Pflanzliche Kutikeln sind lipophile Membranen, deren Permeabilität für Pestizide um mehrere Größenordnungen kleiner ist als die von Biomembranen. Die Aufnahmeraten und folglich die ökonomische Effizienz und die ökologische Sicherheit von Pestizidanwendungen hängt daher in erheblichem Maß von der Permeabilität der Kutikula von Nutzpflanzen sowie von Unkräutern und -gräsern ab. Es ist deshalb zur Optimierung der Aufnahme von Pflanzenschutzmitteln in Blätter erforderlich, die Funktionen der pflanzlichen Kutikula und die darüber ablaufenden Transportprozesse genau zu kennen. In Kooperation mit einschlägigen Unternehmen werden die Grundlagen des Transports von Wirkstoffen über die Kutikula hinweg erforscht. Verschiedene Testsysteme für das Wirkstoffscreening und die Produktentwicklung wurden etabliert. Ein weiteres wichtiges Ziel ist die physikalisch-chemische Erklärung der aktivierenden Effekte, die manche Hilfsstoffe auf die Aufnahme von Wirkstoffen durch die Kutikula besitzen. In der Regel werden Stoffe beigegeben, die neben zahlreichen anderen Funktionen (z. B. als Emulgatoren, Lösungsmittel, Trägermaterial u. a.) zu einer Beschleunigung der Aufnahmeraten des Wirkstoffes beitragen sollen. Häufig eingesetzte Zusatzstoffe sind Polyethylenglykolmonoalkylether, die zur Klasse der nichtionischen Tenside zählen. In Anwesenheit von Alkoholethoxylaten wird der Diffusionskoeffizient von Wirkstoffen in kutikulären Wachsen um bis zu zwei Größenordnungen erhöht. Die Wirkungsweise beruht darauf, dass die Tenside eine Weichmacherwirkung auf die kutikuläre Wachsbarriere ausüben und damit die Fluidität der Wachse erhöhen [60]. Eine Charakterisierung der Effekte in Form von quantitativen Struktur-Aktivitäts-Beziehungen kann einen Beitrag zum rationalen Design der Formulierungen von Pflanzenschutzmitteln leisten, mit der Zielsetzung, dass durch die Optimierung der Aufnahme eine Reduzierung der ausgebrachten Wirkstoffmenge bei gleichbleibender oder verbesserter Wirkung erreicht wird.

Die Wachse der pflanzlichen Kutikula sind ein Mehrphasensystem, das aus kristallinen, fest- und flüssig-amorphen Bereichen zusammengesetzt ist. Die molekulare Struktur und Dynamik dieser Fraktionen sind für die Transporteigenschaften der Wachse verantwortlich (Abb. 8). Eine grundlegende Eigenschaft, von der die Barriereeigenschaften kutikulärer Wachse abhängen, ist die Mobilität von durch das Wachs diffundierenden Molekülen. Sie kann mit dem Diffusionskoeffizenten einer Mobilitätssonde im rekonstituierten Wachs charakterisiert werden. Zu diesem Mobilitätsparameter werden die Leitwerte von Wasser und organischen Nichtelektrolyten für isolierte Kutikularmembranen und die Oberflächen intakter Blätter in Beziehung gesetzt. Kutikuläre Wachse durchlaufen eine Reihe temperaturabhängiger Änderungen ihres Phasenzustandes, die die Transporteigenschaften beeinflussen. So nimmt mit steigender Temperatur das Verhältnis von flüssig- zu fest-amorpher Volumenfraktion zu und es verändert sich die Anordnung der Moleküle in der kristallinen Phase von einer orthorhombischen zu einer hexagonalen Struktur. Das Phasenverhalten und die Kristallinität von kutikulären Wachsen werden unter Einsatz der Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie quantitativ studiert [62] (Abb. 9).

Die pflanzliche Photosynthese ist Ursprung nahezu aller organischer Materie der Erde. Die Energie für diese Syntheseleistung bezieht die Pflanze aus der Absorption des sichtbaren Sonnenlichtes. Indem sich die photosynthetischen Pflanzenorgane der Sonne zuwenden, sind sie gleichzeitig dem kurzwelligen, ultravioletten (UV) Anteil der natürlichen Strahlung ausgesetzt. Die ultraviolette Strahlung ist in der Lage, die Grundbausteine der Zelle, Lipide, Proteine und Nukleinsäuren, zu schädigen. Deshalb haben Pflanzen während ihrer Entwicklungsgeschichte Mechanismen zur selektiven Abschirmung ultravioletter Strahlung entwickelt. Die fortschreitende Reduktion der stratosphärischen Ozonschicht lässt einen Anstieg der ultravioletten Strahlung erwarten. Ein Verständnis der Schutzmechanismen gegen UV-Strahlung kann helfen, die Auswirkungen auf die Pflanze abzuschätzen, die von erhöhten Intensitäten der UV-Strahlung ausgehen kann. Eine neu entwickelte flourometrische Methode erlaubt die Abschätzung der epidermalen UV-Transmission. Gegenüber etablierten Methoden wie photometrischen Messungen an abgezogenen Epidermen und der Mikrofasertechnik besitzt die Fluorimetrie den Vorteil, dass es sich um ein einfaches, nicht invasives Verfahren handelt, welches schnelle Messungen ermöglicht. Das Messprinzip besteht darin, dass UV-Licht zur Anregung der Chlorophyllfluoreszenz in intakten Blättern verwendet wird. Dabei muss eintretendes Licht zunächst die gesamte Epidermis passieren, bevor es im Mesophyll Chlorophyllfluoreszenz anregen kann. Die epidermale UV-Transmission moduliert die Intensität des Anregungslichtes, welches das Mesophyll erreicht, jedoch nicht das aus dem Mesophyll emittierte rote Fluoreszenzlicht. Das Fluoreszenzsignal kann daher Informationen über die UV-Abschirmungskapazität der Epidermis liefern. Das Fluoreszenzverhältnis FUV/FBG (Anregung mit UV/Anregung mit blaugrünem Licht) liefert einen Parameter, der proportional zur epidermalen Transmission ist (Abb. 10). Epidermale Transmissionsgrade für UV-Licht können aus Fluoreszenzverhältnissen berechnet werden, indem FUV/FBG des intakten Blattes auf FUV/FBG des freigelegten Mesophylls (entspricht 100% Transmission) normiert wird (Abb. 11). An Blättern von Vicia faba wurde die Genauigkeit der Fluoreszenzmessungen untersucht, indem fluorimetrisch bestimmte epidermale UV-Transmissionsgrade mit Daten photometrischer Messungen an abgezogenen Epidermen verglichen wurden [79]. Durch die Betrachtung der Ober- und Unterseiten der Blätter von Freiland- und Gewächshauspflanzen konnte ein weiter Bereich unterschiedlicher UV-Transmissionsgrade (3%-70%) abgedeckt werden. Im UV-A- und UV-B-Bereich liefert die Auftragung der aus Fluoreszenzmessungen abgeleiteten Werte gegen die entsprechenden photometrischen Daten eine gute lineare Korrelation zwischen den beiden Parametern (Abb. 10) (Abb. 11). Folglich liefert die Fluorimetrie eine vernünftige Abschätzung der tatsächlichen Transmission von Epidermen für UV-Licht. Um die am Beispiel von Vicia faba gewonnenen Ergebnisse auf andere Pflanzenarten ausdehnen zu können, muss die Variabilität des Fluoreszenzverhältnisses freigelegter Mesophylle untersucht werden. Weiterhin muss die generelle Gültigkeit der Ergebnisse der Fluoreszenzmessungen an Vicia faba durch Messungen an weiteren Arten, von denen Epidermen abgezogen werden können, überprüft werden.

Wie erkennen auf bestimmte Pflanzenarten spezialisierte Pilze ihren Wirt und welche Rolle spielen dabei die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Pflanzenoberflächen? Die wesentlichen primären Prozesse des Lebenszyklus eines biotrophen Pilzes (Anhaftung von Sporen oder Konidien an der Pflanzenoberfläche, Keimung, Ausbildung von Keimhyphen, Bildung von Appressorien, Penetration des pflanzlichen Abschlussgewebes) laufen bei oberirdischen Infektionen auf der von epikutikulären Wachsen bedeckten Pflanzenoberfläche ab (Abb. 12). Das Ziel dieser Untersuchungen ist es, experimentell aufzuklären, ob und ggf. welche Bestandteile epikutikulärer Wachse als positive oder negative Signale für die primären Phasen des Infektionsprozesses fungieren und welche Reaktionen sie im parasitischen Pilz auslösen. Dabei sollen neben der Wirtserkennung durch den Pilz auch putativ auf chemischen Signalen der Kutikulaoberfläche beruhenden Resistenzmechanismen der Pflanze erkannt und studiert werden.