Quantitative Bestimmung der Permeabilität und Analyse der chemischen Zusammensetzung ausgewählter Kutikula-Mutanten von <em>Arabidopsis thaliana</em>

Abstract

Die Kutikula bildet die Grenzfläche zwischen den oberirdischen Pflanzenorganen und der Umwelt. Für viele Spezies (z.B. P. laurocerasus) wurden bereits transportphysiologische Untersuchungen mit isolierten Kutikularmembranen durchgeführt. Da die Blätter der Modellpflanze A. thaliana nur eine sehr dünne Kutikula besitzen und außerdem über Stomata und Trichome verfügen, ist die Isolierung einer intakten Kutikularmembran für Transportexperimente nicht möglich. In der vorliegenden Arbeit konnte nun ein Assay zur Bestimmung der Permeation von organischen Molekülen über die Kutikula von A. thaliana am intakten Blatt etabliert werden. Für dieses Aufnahmeexperiment wurde das radioaktiv markierte systemische Fungizid ¹⁴C Epoxiconazol verwendet und anschließend Leitwerte berechnet. Der Leitwert für den Wildtyp Columbia-8 lag bei 2,79•10^-8 ± 6,35•10^-9 m•s^- und war im Vergleich mit dem Leitwert intakter Blätter von P. lauroceraus um den Faktor 66 höher. Indirekt konnte über Co Permeationsexperimente mit verschiedenen Spezies (P. laurocerasus, C. aurantium und H. helix) auch eine zuverlässige Vorhersage über die Wasserpermeabilität für A. thaliana getroffen werden. Der berechnete Wert für die Wasserpermeabilität von 6,43•10^-8 m•s^-1 konnte durch Transpirationsexperimente bestätigt werden. <br /> Um Hinweise zu bekommen, in wieweit sich die chemische Zusammensetzung der Kutikula (Wachs und Kutin) auf die Permeabilität auswirkt, wurden zehn Kutikula-Mutanten und ihre korrespondierenden Wildtypen untersucht. Es wurden Leitwerte für ¹⁴C-Epoxiconazol bestimmt, außerdem wurde die Wachs- und Kutinzusammensetzung mittels Gaschromatographie ermittelt. Die Permeabilität der untersuchten Linien bewegte sich im Bereich 10^-7 bis 10^-9 m•s^-1. Die Veränderung im Wachs und Kutin wirkte sich nur teilweise auf die Durchlässigkeit aus. In drei Mutanten war keine Veränderung in der Permeabilität nachzuweisen (cer5, cer10, shn3). In den anderen sieben Mutanten (wax2/cer3/yre, cut1, shn1, bdg, att1) nahm die Permeabilität zu. Eine Abnahme der Permeabilität konnte nicht gezeigt werden. Dies war unabhängig von einer Zu- oder Abnahme der Wachs oder Kutinmenge. Auch bei Betrachtung verschiedener Parameter (z.B. Menge einzelner Substanzklassen oder gewichtete mittlere Kettenlänge) konnte kein direkter Zusammenhang zur Änderung in der Permeabilität nachgewiesen werden. Es wäre denkbar, dass Veränderungen in der Ultrastruktur der Kutikula die eigentliche Ursache für die Veränderungen in den Barriereeigenschaften ist.

The cuticle forms the interface between the aerial organs of the plant and the surrounding air. Transportbarriers of many species (e.g. P. laurocerasus) have previously been examined using isolated cuticular membranes. Since leaves of the model plant A. thaliana have a very thin cuticle with stomates and trichomes isolation of an intact cuticle for transport experiments is not possible. In this study an assay for measuring permeation of organic molecules through the cuticle of the intact leaf of A. thaliana was established. For this uptake experiment the radioactive marked systemic fungicide ¹⁴C Epoxiconazole was used and the permeance could be calculated. For the wildtype Columbia-8 a permeance of 2,79•10^-8 ± 6,35•10^-9 m•s^-1 could be measured. Compared to the permeance of intact P. lauroceraus leaves it was 66 times higher. A Co-Permeationexperiment with different species (P. laurocerasus, C. aurantium and H. helix) lead to a reliable prediction for water permeability for A. thaliana. The value for water permeability of 6,43•10^-8 m•s^-1 could be confirmed in transpiration experiments. <br /> Ten mutants affected in cuticle biosynthesis and their corresponding wildtypes have been chosen for transport experiments and chemical analysis of the cuticle (wax and cutin) by gaschromatography to find the link between chemical composition and permeability. Permeance of ¹⁴C-Epoxiconazol was in the order of 10^-7 to 10 9 m•s^-1 with those lines. Changes in wax and cutin affected permeability just to some extent. For three mutants there was no change in permeability (cer5, cer10, shn3), in the other seven mutants (wax2/cer3/yre, cut1, shn1, bdg, att1) permeability increased. Decrease of permeability compared to wildtype plants could not be detected. Also the consideration of different parameters (e.g. amount of substance classes or mean chain length) did not correlate with the changes in permeability. Changes of the ultrastructure of the cuticle probably causes changes in barrier properties.