Morphology, Ontogeny, and Biomineralization of Trichomes of Selected Higher Plants

Abstract

This thesis describes the morphology and biomineralization of trichomes, which occur in different plant orders investigating: (i) The morphology and overall ontogenetic development stages of stinging hairs and scabrid-glochidiate trichomes in 14 representative species of Loasaceae, and the process of biomineralization; (ii) Patterns of multiple-biomineralization with calcium phosphate, silica and calcium carbonate in stinging trichomes and scabrid-glochidiate trichomes in 31 species of Loasaceae; (iii) Comparison of stinging trichomes biomineralization in 17 representative species from five different plant families; (iv) Distribution of the three biominerals in 42 species from nine families of the order Boraginales; (v) A broader survey of the distribution of the biomineral calcium phosphate, in combination with calcium carbonate and silica, in the walls of single-celled trichomes of several common and widespread plant species of different plant groups, extending to the total number of species analyzed up to 94. <br /> Most of the SEM studies were performed on fresh plant materials from of the Botanical Garden of the University of Bonn, Germany, herbarium specimens were used only in few cases. SEMs equipped with an EDX element analysis system were used for the detection and localization of the mineral elements. Different SEM preparation methods were used, including cryo-SEM, critical point drying (CPD) and cryo-harvesting of trichomes. Further methods include Raman spectroscopy for the identification of biominerals and light microscopy for transmission views of isolated stinging trichomes. <br /> It was revealed that trichomes of Loasaceae were mineralized with up to three different biominerals: calcium phosphate, calcium carbonate and silica. Very early stages of the different types of trichomes (stinging and scabrid-glochidiate) showed no mineralization. Trichome development initiated very early in organ development, and the different trichome types started developing their distinctive morphology at a very early stage. The process of biomineralization starts with the deposition of calcium phosphate or silica in the apex and then proceeds irregularly in the shaft and base. Typically, up to three biominerals – calcium phosphate, calcium carbonate and silica – are deposited at three different zones of the trichomes. The tips contained either silica or calcium phosphate; shafts usually contained calcium carbonate, or calcium phosphate in few cases; and bases often had additional silica deposits. Surprisingly, the biomineral calcium phosphate was found in the trichomes of many species in the orders Boraginales, Brassicales, Cornales, Malpighiales and Rosales. Boraginales (Boraginales I and Boraginales II) trichomes displayed either triple-mineralization (calcium phosphate, calcium carbonate and silica) or silica replacing calcium phosphate. Stinging trichome tips of Urticaceae were generally mineralized with silica; Caricaceae and Namaceae with calcium phosphate; and Loasaceae deposit with both minerals. Only the stinging trichomes of the genus Cnidoscolus (Euphorbiaceae) were found to be unmineralized.<br /> Overall, the studies have greatly expanded our knowledge and understanding of the biomineralization diversity in plants, among different genera, different trichome types and even in various parts of the same trichome. Disparate biomineralization of the parts of individual, unicellular trichomes clearly indicates an extraordinary degree of physiological control over this process.

<strong>Morphologie, Ontogenie und Biomineralisation von Trichomen ausgewählter höherer Pflanzen</strong><br /> Die vorliegende Doktorarbeit beschreibt die Morphologie und Biomineralisation von Trichomen, die in verschiedenen Pflanzengruppen vorkommen. Untersucht wurden (i) die Morphologie und die allgemeinen ontogenetischen Entwicklungsstadien von Brennhaaren und scabrid-glochidiaten Trichomen in 14 repräsentativen Arten der Familie Loasaceae sowie der Prozess der Biomineralisation; (ii) die Muster multipler Biomineralisation mit Calciumphosphat, Silica (Siliciumdioxid) und Calciumcarbonat in Brennhaaren und scabrid-glochidiaten Trichomen in 31 Arten der Familie Loasaceae; (iii) ein Vergleich der Biomineralisation der Brennhaare in 17 repräsentativen Arten aus fünf verschiedenen Pflanzenfamilien; (iv) die Verteilung der drei Biomineralien in 42 Arten aus neun Familien der Ordnung Boraginales; (v) eine Erfassung der Verteilung des Biominerals Calciumphosphat, in Kombination mit Calciumcarbonat und Silica, in den Wänden einzelliger Trichome von bisher 94 verschiedenen häufig und weit verbreitetet vorkommenden Arten unterschiedlicher Pflanzengruppen. <br /> Die Mehrzahl der Rasterelektronenmikroskopie-Untersuchungen (Rasterelektronen-mikroskop, REM) wurden mit frischem Pflanzenmaterial aus dem Botanischen Garten der Universität Bonn durchgeführt; Herbarmaterial wurde nur in wenigen Fällen verwandt. Zum Nachweis und zur Lokalisation der mineralischen Elemente wurden REMs mit Systemen zur energiedispersiven Röntgenanalyse (energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX) eingesetzt. Es wurden verschiedene REM-Methoden wie Kryo-REM, Kritisch-Punkt-Trocknung (CPD) und Kryo-Abtrennung von Trichomen angewandt. Mit Hilfe der Raman-Spektroskopie wurde die Identifizierung der Biomineralien ergänzt. Aufnahmen per Lichtmikroskopie ermöglichten Einblicke in die Entwicklung der inneren Struktur von isolierten Brennhaaren. <br /> Es hat sich gezeigt, dass Trichome der Familie Loasaceae mit bis zu drei verschiedenen Biomineralien mineralisiert sind: Calciumphosphat, Calciumcarbonat und Silica. Sehr frühe Stadien der verschiedenen Trichomtypen (Brennhaare und scabrid-glochidiate Trichome) zeigten noch keine Mineralisation. Die Entwicklung der Trichome setzte sehr früh in der Organentwicklung ein und die verschiedenen Trichomtypen begannen ihre charakteristische Morphology zu einem sehr frühen Stadium herauszubilden. Der Prozess der Biomineralisation begann mit der Ablagerung von Calciumphosphat oder Silica in der Spitze und setzte sich ungleichmäßig im Schaft und bis zur Basis fort. Üblicherweise wurden bis zu drei Biomineralien – Calciumphosphat, Calciumcarbonat und Silica – in drei verschiedenen Zonen der Trichome abgelagert: die Spitzen enthielten entweder Silica oder Calciumphosphat; der Schaft wies meistens Calciumcarbonat oder in wenigen Fällen Calciumphosphat auf; in der Basis wurde häufig zusätzlich Silica neben Calciumcarbonat nachgewiesen. Überraschenderweise wurde das Biomineral Calciumphosphat in den Trichomen vieler Spezies der Ordnungen Boraginales, Brassicales, Cornales, Malpighiales und Rosales gefunden. Trichome in den Boraginales (Boraginales I and Boraginales II) zeigten entweder eine Mineralisation mit allen drei Komponenten (Calciumphosphat, Calciumcarbonat und Silica) oder Silica ersetzte Calciumphosphat. Die Spitzen der Brennhaare von Urticaceae waren grundsätzlich mit Silica mineralisiert, Caricaceae und Namaceae mit Calciumphosphat, sowie Loasaceae mit Einlagerungen beider Mineralien. Lediglich Brennhaare der Gattung Cnidoscolus (Euphorbiaceae) waren nicht mineralisiert.<br /> Insgesamt haben die Untersuchungen das Wissen und Verständnis der Diversität der Biomineralisierung in Pflanzen erweitert, sowohl zwischen unterschiedlichen Pflanzengattungen, als auch in verschiedenen Trichomtypen, bis hin zu verschiedenen Bereichen innerhalb eines Trichoms. Die differenzierte Biomineralisation von Teilen einzelner, einzelliger Trichome zeigt deutlich einen außerordentlichen Grad an physiologischer Kontrolle über diesen Prozess.