Oberflächen und Grenzflächen in Pflanzen: Lignin, Suberin und Cutin

Beim Übergang der Pflanzen vom Wasser- zum Landleben haben komplexe phenolische Verbindungen (Lignin) und natürliche Polyester (Cutin, Suberin) eine wichtige Rolle gespielt indem sie neue Grenzflächen und Oberflächen mit hydrobisierenden Eigenschaften ermöglichten. Die Einlagerung von Lignin zwischen den Cellulose Mikrofibrillen und Hemicellulosen war wesentlich für die Entwicklung funktionsfähiger Leitbahnen (Xylem) und die mechanische Festigkeit. An den Grenzflächen zur Luft musste der Wasserverlust minimiert werden, was durch die Einlagerung von Cutin (Blätter) und Suberin (Stamm, Wurzel) erreicht wurde. Auch wenn Basiswissen über die drei Polymere vorhanden ist, macht sie ihre große Variabilität sowohl im Vorkommen als auch in ihrer Zusammensetzung und offene Fragen bezüglich der Polymerisation zu den am wenigsten verstandenen pflanzlichen Polymeren. Durch die Adaptionen um in den sehr vielfältigen Lebensräumen zu überleben entwickelten sich verschiedenartigste Erscheinungsformen, die hoch spezialisierte Gewebe erfordern um damit unterschiedliche Eigenschaften und Funktionen zu erfüllen. Das wird erreicht durch eine sich ändernde Zusammensetzung und Struktur auf den verschieden hierarchischen Ebenen (mm-m-nm) und es gibt immer noch eine große Wissenslücke bezüglich Verteilung der Polymere und Struktur auf Mikro- und Nanoebene. Wir werden diese Lücke durch die Anwendung von Raman Imaging und Rasterkraftmikroskopie (AFM) füllen. Raman Imaging ermöglicht die chemische Zusammensetzung auf Mikroebene zu verfolgen und AFM ergänzt durch die Aufklärung von Nanostruktur und -mechanik. Jedes Raman-Image basiert auf Tausenden von Spektren, wovon jedes ein molekularer Fingerabdruck der Zellwand auf Mikroebene ist. Derzeit gelingt es nur einen Teil der chemischen und strukturellen Informationen die in der Raman-Signatur stecken, zu extrahieren. Durch mehr Wissen über die Raman-Spektren der Pflanzen und ihrer Komponenten und neue Ansätze der multivariater Datenanalyse wollen wir mehr Informationen zugänglich machen. Um auf Nano-Ebene die chemische Zusammensetzung von kleinsten Oberflächen und Grenzflächen zu entschlüsseln, werden wir Tip-enhanced Raman-Spektroskopie (TERS) anwenden. Mit diesen anspruchsvollen in-situ Ansätze werden wir 1) die Lignifizierung innerhalb der nativen Zellwand verfolgen und ungelöste Fragen rund um die Lignin Polymerisation angehen 2) die Chemie und Struktur der Tracheiden und Gefäßwände auf Mikro-und Nano-Ebene und etwaige Auswirkungen auf die hydraulischen und mechanischen Eigenschaften aufklären 3) die Mikrochemie und Nanostruktur von Cuticula und Periderm und ihren Einfluss auf die Barriereeigenschaften entschlüsseln und 4) beantworten ob Trockenstress sich auch auf der Mikroebene und Nanoebene widerspiegelt. Neue Einblicke in die Variabilität, Verteilung und Zusammensetzung der Pflanzenpolymere und den Einfluss von Trockenstress werden gewonnen und wichtige Struktur-Funktions- Beziehungen aufgeklärt. Diese wissenschaftlichen Erkenntnisse können gewinnbringend für den Pflanzenbau und die Forstwirschaft sowie eine optimierte Nutzung der pflanzlichen Rohstoffe sein und vielleicht neue biomimetische Ansätzen inspirieren

Beim Übergang der Pflanzen vom Wasser auf das Festland, spielten drei komplexe Polymere, Lignin, Suberin und Cutin, eine wichtige Rolle. Diese hydrophoben Komponenten imprägnieren Pflanzenoberflächen und -grenzflächen, um das Überleben der Pflanzen in einer Vielzahl von terrestrischen Lebensräumen zu gewährleisten. Pflanzen bauen Gewebe mit unterschiedlichen Eigenschaften und Funktionen auf, indem sie die Zusammensetzung und Struktur auf den verschiedenen hierarchischen Ebenen (mm-m-nm) optimieren. Zellulose-Mikrofibrillen und andere Kohlenhydrate bilden die Grundlage, und dann verändern aromatische und lipidische Komponenten die Oberflächen und Grenzflächen der Pflanzen. Diese "Modifikatoren" gehören zu den am wenigsten verstandenen Pflanzenpolymeren, da sie in Menge und Struktur sehr variabel sind und ihre Verteilung und Wechselwirkungen auf der Mikro- und Nanoebene weitgehend unbekannt sind. In diesem Projekt haben wir die Mikrochemie von nativem Pflanzengewebe mittels Raman-Mikroskopie erforscht. Diese spektroskopische Bildgebung basiert auf der Wechselwirkung von Laserlicht mit den Molekülen der Pflanze, wobei die Energie der Laserphotonen nach oben oder unten verschoben wird. Die Energieverschiebung wird im Raman-Spektrum erfasst und gibt Aufschluss über die Schwingungsmoden und damit die Molekülstruktur an jedem Pixel (0,3 x 0,3 m). Bei jedem Scan werden Tausende von Raman-Spektren aufgenommen und darauf basierend chemische Bilder erstellt. Insbesondere Algorithmen zur spektralen Entmischung und Mischung ergaben die informativsten chemischen Bilder und die reinsten Spektren einzelner Komponenten. Die errechneten und aufgenommenen Spektren wurden mit Einträgen unserer einzigartigen Spektraldatenbank, die inzwischen etwa 300 pflanzenrelevante Referenzspektren umfasst, verglichen bzw. lineare Kombinationen berechnet. Dies ermöglichte es uns, Mehrkomponentenspektren zu interpretieren und Kohlenhydrate, Aromaten und Lipide, in den nativen Pflanzengeweben und -oberflächen auf der Mikroskala gleichzeitig zu visualisieren. Unsere methodischen Fortschritte ermöglichten neue Einblicke in die Lignifizierung von Pflanzenzellwänden bei verschiedenen Arten und Mutanten und zeigten die Auswirkungen von Lignin auf die mechanischen Eigenschaften sowie den Einfluss von Trockenheit. In Pflanzenoberflächen konnten wir erstmals Phenolsäuren und Flavonoide innerhalb der Kutikula und an der Grenzfläche zur Epidermis darstellen, was zu neuen Kutikula-Modellen und einer Diskussion über die Rolle der Aromaten in der Kutikula führte. Um den Blick auf die Nanoskala zu erweitern, kombinierten wir Raman- und Rasterkraftmikroskopie. Durch Abtasten der Oberfläche mit einer Spitze gelang es uns aus den Verteilungen der Adhäsionswerte die Zellwandpolymere in deformierten Holz auf Nanoebene abzubilden. Die Ergebnisse deuten auf ein neues "lockereres" Zellwandmodell aus flexiblen Lignin-Nanodomänen und erweitern unser Wissen über die molekulare Reorganisation während der Holzverformung. Unsere Forschung gibt neue wissenschaftliche Einblicke auf dem Gebiet der Holzforschung und Pflanzenphysiologie, ist wichtig für die Produktion pflanzlicher Rohstoffe (Forstwirtschaft, Landwirtschaft, Züchtung, Gentechnik) sowie deren Nutzung (Bioraffinerie, Zellstoff und Papier, Biopolymere) und kann biomimetische, naturbasierte Lösungen inspirieren.