Effects of inorganic salts on water permeability of isolated cuticular membranes

Abstract

The effect of 0.2 M inorganic salt solutions on cuticular transpiration of isolated cuticular membranes (CM) of the three species <i>Hedera helix L., Prunus laurocerasus L., </i>and<i> Lycopersicon esculentum</i> Mill. was measured. Water permeability was not increased by AlCl3, AlCl₃, NH₄Cl, NH₄NO₃, (NH₄)₂SO₄, KNO₃, KCl, NaNO₃ and NaCl. However, when cuticles were treated with CaCl₂, K₂CO₃ and Cs₂CO₃, cuticular transpiration was significantly increased. Depending on the species, relative effects of the tested salt solutions varied between 1.5- to 3-fold. Wax-free polymer matrix membranes (MX) of <i>H. helix</i> and <i>P. laurocerasus</i> were not affected by the 3 salts, whereas, cuticular transpiration of <i>L. esculentum</i> MX significantly increased, after treatment with K₂CO₃ and Cs₂CO₃. Effects on cuticular transpiration were positively correlated with the increasing cation radii of the monovalent cations. <br /> Water permeability increased linearly with the amounts of K₂CO₃ applied per cuticle surface area. Treatment of the morphological inner sides of the CM with different concentrations of K₂CO₃ was more effective increasing cuticular water permeability than treatment of the morphological outer sides. There was no correlation between the wax coverage of the cuticles and the effects of the salts. Using three different pH values (2.9, 6.9 and 10.9), an increase of cuticular permeability was observed with <i>P. laurocerasus</i> at the high pH value of 10.9. At high external air humidities, effects of K₂CO₃ on water permeability of <i>Prunus laurocerasus</i> L. CM were significantly increased by a factor 4.57. Salt effects were partially reversible when cuticles were washed with water. It is argued that inorganic salts were sorbed to polar domains of the cuticles. As a consequence amounts of water sorbed to the cuticles were increased, which in turn increased rates of cuticular transpiration. <br /> Furthermore, it was shown for the first time in this thesis, that polar domains in cuticles, potentially serving as polar paths of diffusion for polar, charged molecules like inorganic salts, could be blocked by the precipitation of AgCl crystallites in the cuticular membranes of 15 species. AgCl precipitations significantly reduced cuticular transpiration between 2 to 3-fold in 13 of the15 species investigated. Strongest effects were observed with <i>Prunus domestica</i> fruit CM and Populus canescens leaf CM. Investigation of treated CM by light microscopy clearly showed black AgCl precipitations and effects on water permeability of cuticles increased with increasing diameters of the AgCl precipitations.

Die Wirkung von anorganischen Salzlösungen (0.2 M) auf die kutikuläre Transpiration isolierter Kutikularmembranen der 3 Arten <i>Hedera helix</i>, <i>Prunus laurocerasus</i> und <i>Lycopersicon esculentum</i> wurde gemessen. Die Wasserpermeabilität änderte sich bei Behandlung mit AlCl₃, NH₄Cl, NH₄NO₃, (NH₄)₂SO₄, KNO₃, KCl, NaNO₃ und NaCl nicht signifikant. Die kutikuläre Transpiration stieg signifikant nach Behandlung mit CaCl₂, K₂CO₃ und Cs₂CO₃. In Abhängigkeit von der Ionenspezies variierten die Effekte der Salzbehandlungen zwischen 1.5- bis 3-facher Erhöhung der kutikulären Transpiration. Die Wasserpermeabilität der wachsfreien Polymermatrixmembranen (MX) von <i>H. helix</i> und <i>P. laurocerasus</i> wurde durch die 3 Salze nicht beeinflusst, während die kutikuläre Transpiration der MX von <i>Lycopersicon esculentum</i> nach der Behandlung mit K₂CO₃ und Cs₂CO₃ signifikant anstieg. Die Effekte auf die kutikuläre Transpiration waren mit den Ionenradien der monovalenten Kationen positiv korreliert. <br /> Die Wasserpermeabilität der Kutikularmembranen nahm linear mit zunehmender Konzentration von K₂CO₃ zu. Die Behandlung der morphologischen Innenseiten der isolierten Kutikularmembranen mit unterschiedlichen Konzentrationen an K₂CO₃ bewirkte größere Effekte auf die kutikuläre Transpiration als die Behandlung der morphologischen Außenseiten. Es ergab sich keine Korrelation zwischen der Wachsmenge und den Effekten der Salze. Bei der Verwendung von 3 verschiedenen pH-Werten (2.9, 6.9 und 10.9) wurde nur bei pH 10.9 mit <i>P. laurocerasus</i> eine Erhöhung der kutikulären Transpiration beobachtet. Bei hohen externen Luftfeuchten stieg die Wasserpermeabilität von <i>P. laurocerasus</i> um den Faktor 4.57 nach Behandlung mit K₂CO₃. Die Salzeffekte waren großteils reversibel, wenn die Kutikularmembranen wieder mit Wasser abgewaschen wurden. Die Erhöhung der kutikulären Wasserpermeabilität nach Salzbehandlung wird darauf zurückgeführt, dass die anorganischen Ionen an polaren Kutindomänen sorbieren und dadurch der Wassergehalt der Kutikularmembranen steigt, was wiederum zu einer erhöhten Transpiration führt. <br /> In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal gezeigt, dass die polaren Domänen in der Kutikula von 15 Pflanzenarten auch als Transportpfade für Ionen zur Verfügung stehen können, da die Poren mittels AgCl Niederschlägen zum Teil blockiert werden konnten. In den Kutikularmembranen von 13 der 15 Arten erniedrigten die AgCl Niederschläge in der Kutikula die kutikuläre Transpiration signifikant um das 2- bis 3-fache. Die stärksten Effekte wurde mit <i>Prunus domestica</i> und <i>Populus canescens</i> beobachtet. Lichtmikroskopische Untersuchungen zeigten die AgCl Kristalle in den Kutikularmembranen als schwarze Niederschläge. Die kutikuläre Transpiration nahm mit zunehmendem Durchmesser der AgCl Niederschläge ab.