Universiẗat, Diss., 2003--Hohenheim.

Cuticular waxes cover all above-ground growing parts of plants. They provide the outermost contact zone between plants and their environment and play a pivotal role in limiting transpirational water loss across the plant surface. The complex mechanisms in cuticular wax biosynthesis conferring proper barrier function still remain to be elucidated. The present study focuses on biosynthetic pathways in wax formation, cuticular wax accumulation and composition and its impact on the epidermal barrier property of the intact system of the astomatous tomato fruit (Lycopersicon esculentum Mill.). Fruits of all developmental stages of the wild type cultivar MicroTom and its lecer6 mutant defective in a β-ketoacyl-CoA synthase involved in very-long-chain fatty acid elongation were analyzed. This 'reverse genetic' approach clarified the importance of the β-ketoacyl-CoA synthase LeCER6 for epidermal barrier property in vivo on the biochemical-analytical level, on the transcriptional level and, furthermore, on the physiological level comparatively between MicroTom wild type and MicroTom lecer6. Surfaces of MicroTom wild type and MicroTom lecer6 fruits showed similar patterns of quantitative wax accumulation, but differed considerably in the permeance for water. Qualitative analyses of the chemical composition of fruit cuticular waxes in the course of fruit development revealed the meaning of the β-ketoacyl-CoA synthase deficiency in the lecer6 mutant. Fruits of this mutant exhibited a distinct decrease in the proportion of n-alkanes of chain lengths > C28. Moreover, a concomitant increase in pentacyclic triterpenoids became discernible in the mature green fruit stage of the mutant. Since quantitative changes of the cutin matrix were not sufficient to affect transpiration barrier properties of the lecer6 mutant presumably the shift in cuticular wax biosynthesis of the lecer6 mutant is responsible for the observed increase of water permeance. In order to investigate the molecular basis of wax formation, a microarray experiment was established that allows the simultaneous and comprehensive analysis of the timing and abundance of transcriptional changes in MicroTom wild type and MicroTom lecer6. This microarray consists of 167 oligonucleotides corresponding to EST and gene sequences of tomato potentially participating in wax biosynthesis, wax modification, transport processes and stress responsiveness. These parameters were correlated with the course of fruit development. This comparison of gene expression patterns showed a variety of differential expressed transcripts encoding for example lipid transfer proteins and the dehydrin TAS14. On the basis of these findings, it can be proposed that diverse regulatory mechanisms like lipid transfer processes or osmotic stress response are affected by the LeCER6 deficiency, which is primarily accompanied by an impaired water barrier property of the fruit cuticle. This present study correlates the continuous increase of LeCer6 gene expression and the accumulation of very-long-chain n-alkanes within the cuticular waxes during the transition from the immature green to the early breaker fruit phase displaying a developmental regulation of the cuticular wax biosynthesis. Organ-specific wax biosynthesis resulted in different cuticular wax pattern in tomato fruits and leaves. Moreover, in contrast to the fruits, LeCER6-deficient leaves showed a significantly reduced wax accumulation, mainly due to a decrease of n-alkanes with chain lengths > C30, while the proportion of pentacyclic triterpenoids were not affected. Deduced from these biochemical-analytical data on tomato fruits and leaves LeCER6 was characterized as a key enzyme in VLCFA biosynthetic pathway responsible for cuticular wax accumulation. In silico analysis of the LeCER6 sequence revealed the presence of two putative transmembrane domains in the N-terminal position. In addition, highly conserved configurations of catalytic residues in the active site of the enzyme were observed, which are probably essential to its overall structure and function in the fatty acid elongation process. High sequence homology of LeCER6 to the very-long-chain condensing enzymes GhCER6 of Gossypium hirsutum L. and AtCER6 of Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. was found, which might be a good evidence for similar biochemical functions. Apart from developmental regulation of the cuticular wax biosynthesis, environmental factors influenced the cuticular wax coverage of tomato fruits. Mechanical removal of epicuticular fruit wax evoked large-scale modifications of the quantitative and qualitative wax composition, such as a reduction of aliphatic wax components, and therewith affected the cuticular water permeability. A subsequent regeneration event was included in the regular wax biosynthesis process and led to the compensation of the detached wax amounts and increased the water barrier properties of the cuticular membrane again. In contrast, water-limited conditions had only minor impact on alterations in cuticular wax biosynthesis and, consequently, on the permeance for water of tomato fruits. Floral organ fusion and conditional sterility, as observed in this study, are caused as pleiotropic effects in cell-cell signaling by the loss-of-function mutation in LeCER6. These findings corroborated the functional impact of LeCER6 on the epidermal integrity and are consistent with the current knowledge on eceriferum mutants of Arabidopsis. Investigations of phenotypic and biochemical characteristics of tomato fruits allowed a broader system-orientated perspective of the fruit development of MicroTom wild type and its lecer6 mutant. These analyses highlight more precisely alterations in the fruit surface area, fresh and dry weight, epidermal cell density, photosynthetic activity or glucose content in the course of fruit development. The differences between MicroTom wild type and MicroTom lecer6 characterize very well the large-scale consequences of the LeCER6 deficiency on the physiological status of tomato fruits. Moreover, the results clearly show a part of the genetic controlled network that governs tomato fruit metabolism and mediates extensive changes of the tomato fruit life cycle. The analyses of the stem scar tissue of the tomato fruit revealed a complex set of responses caused by the harvesting process in detail. Throughout storage of the tomato fruits barrier properties were attributed to the suberized stem scar tissue in regard to water loss limitation and reduction of the fungal infection rate. Thereby the endogenous level of abscisic acid was found to be involved in the molecular signaling pathway that regulates the de novo formation of this tissue. For the first time, the chemical composition and physiological importance could be correlated with molecular changes at the transcriptional level during suberization of the stem scar of tomato fruits. In conclusion, this work indicates a novel intact model system for an integrative functional approach for plant barrier properties that was successfully established and carefully studied. The results highlight correlations between wax biosynthesis, distribution of cuticular waxes, and its relevance on the transpirational water loss across the plant surface and, thus, promote the global understanding of plant cuticle biology. / Kutikuläre Wachse bedecken alle oberirdischen Pflanzenteile und stellen somit die Kontaktzone zwischen Pflanzen und ihrer Umwelt dar. Zudem spielen sie eine entscheidende Rolle für den Schutz der Pflanzen vor unkontrolliertem Wasserverlust. Die komplexen Mechanismen der Wachsbiosynthese, die zur dieser Barrierefunktion beitragen, sind jedoch noch weitgehend unaufgeklärt. Die vorliegende Arbeit untersucht Biosynthesewege von kutikulären Wachsen, ihre chemische Beschaffenheit sowie deren funktionelle Bedeutung als Transpirationsbarriere an dem intakten System der astomatären Tomatenfrucht (Lycopersicon esculentum Mill.). Untersuchungen wurden dabei an Früchten unterschiedlicher Entwicklungsstadien des Tomatenkultivars MicroTom Wildtyp und dessen lecer6 Mutante durchgeführt. Die lecer6 Mutante ist durch einen genetisch determinierten Defekt in der β-Ketoacyl-CoA Synthase LeCER6 unfähig zur Verlängerung von sehr langkettigen Fettsäuren. Durch diesen 'reverse genetic' Ansatz wurde der Einfluss der β-Ketoacyl-CoA Synthase LeCER6 auf die Barrierefunktion der Epidermis zunächst in vivo auf der biochemisch-analytischen und physiologischen Ebene vergleichend zwischen MicroTom Wildtyp und MicroTom lecer6 analysiert. Daran schlossen sich Untersuchungen auf transkriptioneller Ebene an. Die den Früchten von MicroTom Wildtyp und der lecer6 Mutante aufgelagerten Wachse unterscheiden sich quantitativ nur wenig, weisen hingegen deutliche Unterschiede in der qualitativen Zusammensetzung und den Wasserleitwerten auf. Die Analyse der chemischen Zusammensetzung der kutikulären Wachse zeigte im Verlauf der Fruchtentwicklung, dass die Defizienz in der β-Ketoacyl-CoA Synthase LeCER6 eine Abnahme des n-Alkananteils in den Wachsen ab einer Kettenlängen > C28 bewirkt, was bereits im Stadium der reifen grünen Früchte zu erkennen ist. Die in der lecer6 Mutante vermehrt eingelagerten pentazyklischen Triterpenoide können die Transpirationsbarriereeigenschaft der aliphatischen n-Alkane nicht adäquat ersetzen. Ein möglicher Einfluss der ebenso untersuchten Kutinmatrix der Tomatenfrucht konnte ausgeschlossen werden. Für eine umfangreiche Genexpressionsanalyse von MicroTom Wildtyp und MicroTom lecer6 wurde ein microarray Experiment konzipiert, welches 167 Oligonukleotide umfasst entsprechend zu bekannten EST- und Gensequenzen der Tomate, die möglicherweise an der Wachsbiosynthese, Wachsmodifikation, relevanten Transportprozessen oder Stressreaktionen beteiligt sind. Der Vergleich der Genexpression zwischen Wildtyp und der lecer6 Mutante zeigte eine Vielzahl von differentiell expremierten Transkripten unter anderem Lipidtransferproteine und das Dehydrin TAS14. Anhand derer kann davon ausgegangen werden, dass der Verlust der LeCER6 Funktion unterschiedliche regulative Mechanismen beeinflusst, wie zum Beispiel Lipidtransportprozesse und Reaktionen des osmotischen Stresses, die mit einer Schwächung der kutikulären Transpirationsbarriere der Fruchtepidermis einhergehen. Die vorliegende Studie belegt zudem erstmals einen Zusammenhang zwischen der Steigerung der LeCer6 Genexpression, der nur geringfügig zeitverzögerten Anreicherung sehr langkettiger n-Alkane in den kutikulären Wachsen und der daraus resultierenden Barriereleistungsfähigkeit. Ebenso wird eine Regulation der kutikulären Wachsbiosynthese in Abhängigkeit von den jeweiligen Stadien der Fruchtentwicklung veranschaulicht. Der organspezifische Vergleich der kutikulären Wachsbiosynthese zeigte, dass sich die Wachsmuster von Früchten und Blättern der Tomatenpflanzen deutlich voneinander unterscheiden. Die Wachsakkumulation auf der Blätterepidermis ist durch die LeCER6-Defizienz hauptsächlich im Anteil sehr langkettiger n-Alkane > C30 signifikant herabgesenkt, während der Gehalt an pentazyklischen Triterpenoiden jedoch nicht, so wie in den Früchten der lecer6 Mutante beobachtet, ansteigt. Aufgrund dieser Untersuchungen der Tomatenfrüchte und -blätter konnte LeCER6 als ein Schlüsselenzym für die Verlängerung sehr langkettiger Fettsäurederivate innerhalb der kutikulären Wachsbiosynthese funktionell charakterisiert werden. Anhand von vergleichenden in silico Sequenzanalysen mit den Fettsäurenelongasen GhCER6 aus Gossypium hirsutum L. und AtCER6 aus Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. konnten sowohl zwei mögliche transmembrane Proteindomänen im N-terminalen Bereich als auch hochkonservierte Bereiche im katalytischen Zentrum des LeCER6-Enzyms lokalisiert werden, die vermutlich zur funktionellen Struktur des Enzyms beitragen. Neben der bereits angeführten entwicklungsabhängigen Regulation der Wachsbiosynthese beeinflussen auch Umweltstressoren die kutikuläre Wachsauflage der Tomatenfrüchte. Ein mechanisches Entfernen der epikutikulären Wachse führt zu einer beträchtlichen Reduktion der aliphatischen Wachsbestandteile, welche maßgeblich die Barriereeigenschaft der Kutikulamembran bestimmen. Die einsetzende Regeneration der manipulierten Wachsoberfläche führt zu einer vollständigen Kompensation der entfernten Wachskomponenten, so dass die Tomatenfrüchte in nur kurzer Zeit wieder eine dem Reifestadium entsprechende normale Verteilung der kutikulären Wachse aufweisen. Im Gegensatz dazu führt Wassermangel nur zu sehr geringfügigen qualitativen und quantitativen Veränderungen der kutikulären Wachsschicht und folglich des Wasserleitwertes der Tomatenfrüchte. Die hier dokumentierte Organfusion der Blüte und die eingeschränkte Sterilität der Tomatenpflanzen wurden als pleiotrope Effekte der lecer6 Mutation auf die Zell-Zell-Kommunikation charakterisiert, was der funktionellen Bedeutung von LeCER6 für die Epidermisintegrität entspricht und mit Beobachtungen an eceriferum Mutanten in Arabidopsis übereinstimmt. Die kombinierte Untersuchung phänotypischer und biochemischer Merkmale der Tomatenfrucht erlaubt eine breitere, systemorientierte Gegenüberstellung der Fruchtentwicklung von MicroTom Wildtyp und MicroTom lecer6. Dabei werden durch die Analysen von Größe, Frisch- und Trockengewicht, Dichte der Epidermiszellen, Photosyntheseaktivität und Glukosegehalt der Früchte die Unterschiede zwischen MicroTom Wildtyp und der lecer6 Mutante deutlich aufgezeigt. Die LeCER6-Defizienz der Mutante führt dabei zu weitreichenden Veränderungen im physiologischen Status der Frucht. Diese Ergebnisse spiegeln somit einen Teil des physiologischen Netzwerkes wider, welches weitreichende sekundäre Veränderungen im Lebenszyklus der Tomatenfrucht vermittelt. Das Stielnarbengewebe der Tomatenfrucht wird infolge der Verletzung durch den Ernteprozess gebildet. Basierend auf der de novo Suberinbiosynthese kann diesem Gewebe eine wichtige Barrierefunktion sowohl zur Einschränkung des unkontrollierten Wasserverlustes als auch zur Verringerung der Infektionsrate durch einen pilzlichen Erreger während der Lagerung von Tomatenfrüchten beigemessen werden. Eine Beteiligung der endogenen Abscisinsäure an dem der Bildung des suberinisierten Gewebes der Fruchtstielnarbe zugrunde liegendem, molekularen Signalweg konnte nachgewiesen werden. Zusammenfassend dokumentiert diese Arbeit erstmalig detaillierte Studien im Hinblick auf pflanzliche Barriereeigenschaften an einem intakten Modellsystem. Die präsentierten Ergebnisse zu molekularen Untersuchungen der Wachsbiosynthese und qualitative and quantitative Analysen der Wachsakkumulation werden im Zusammenhang des Schutzes der Pflanzenoberfläche gegen Wasserverlust durch Transpiration diskutiert und bieten somit neue Erkenntnisse über die pflanzliche Kutikula.

Cuticles cover all above-ground primary plant organs and are lipoid in nature consisting of a cutin matrix with cuticular waxes embedded within or deposited on its surface. The foremost function of the plant cuticle is the limitation of transpirational water loss into the surrounding atmosphere. Transpiration of water vapour from plants differs between stomatal and cuticular transpiration. Stomatal closure minimises the stomatal water loss and the remaining, much lower water transpiration occurs through the plant cuticle. Temperature influence on the transpiration barrier properties of intact leaves is not yet known, despite the importance of the cuticular transpiration especially under drought and heat conditions. The present study focuses on the temperature-dependent minimum water permeability of whole leaves, in comparison to the temperature effect on the cuticular permeance of isolated, astomatous cuticles (Chapter I - III). The minimum water permeability was determined gravimetrically from leaf drying curves and represents the cuticular water permeability of intact, stomatous leaves under conditions of complete stomatal closure. The temperature effect on the transpiration barrier of the desert plant Rhazya stricta and the Mediterranean sclerophyll Nerium oleander exposed a continuous increase of minimum water permeabilities with an increase in temperature. In contrast to other published studies, no abrupt and steep increase of the water permeability at high temperatures was detected. This steep increase indicates structural changes of the barrier properties of isolated cuticular membranes with a drastic decrease of efficiency. A stabilising impact of the cell wall on the plant cuticle of intact leaves was proposed. This steadying effect was confirmed with different experimental approaches measuring the cuticular water permeability of Prunus laurocerasus intact leaves. Physiological analysis of water transport on isolated, astomatous leaf cuticles indicated a drastic decline of the barrier properties at elevated temperatures for Prunus laurocerasus but not for Nerium oleander. Cuticular components were quantitatively and qualitatively analysed by gas chromatography with a flame ionisation detector and a mass spectrometric detector, respectively. A high accumulation of pentacyclic triterpenoids as cuticular wax components in relation to the cutin monomer coverage was detected for Nerium oleander and for Rhazya stricta leaves, too. Accordingly, reinforcing of the cutin matrix by triterpenoids was proposed to improve the mechanical strength and to reduce the extensibility of plant cuticles. Thus, structural changes of the cuticular barrier properties were potentially suppressed at elevated temperatures. The function of the cuticular wax amount and/or wax composition and its relation with the cuticular water permeability remains to be elucidated. In the second part of this work the cuticular wax quantity and quality as well as its impact on the transpiration barrier properties was analysed in order to deduce a potential relation between chemistry and function of plant cuticles (Chapter IV - V). Chemical analyses of the cuticular wax components of a wide range of plant species, including one tropical (Vanilla planifolia), temperate (Juglans regia, Plantago lanceolata), Mediterranean (Nerium oleander, Olea europaea) and one desert (Rhazya stricta) plant species, were conducted. The cuticular wax compositions of nine characteristic plant species from xeric limestone sites naturally located in Franconia (Southern Germany) were determined for the first time. The corresponding minimum or cuticular water permeabilities of both stomatous and astomatous leaf surfaces were measured to detect a potential relationship between the cuticular wax amount, wax composition and the cuticular barrier properties. It was demonstrated that abundant cuticular wax amounts did not constitute more efficient transpiration barriers. However, 55% of the cuticular barrier function can be attributed to the very-long-chain aliphatic wax coverages. These new findings provide evidence that the acyclic wax constituents play a pivotal role establishing efficient transpiration barriers. Additionally, these findings strengthen the hypothesis that cyclic components, such as pentacyclic triterpenoids, do not hinder the water diffusion through plant cuticles as effectively as acyclic constituents. For the first time a relationship between the cuticular wax composition and the transpiration barrier properties of a wide range of plant species proved insights into the potential relation between chemistry and function of plant cuticles. / Die Kutikula bedeckt die Epidermis aller primären oberirdischen Pflanzenorgane. Diese lipophile Membran besteht aus dem Polymer Kutin und ein- bzw. aufgelagerten kutikulären Wachsen. Die wichtigste Aufgabe der Kutikula ist der Schutz der Pflanze vor Austrocknung, indem der unkontrollierte Wasserverlust in die Atmosphäre reduziert wird. Spaltöffnungen unterbrechen die kontinuierliche Schutzschicht, wobei die stomatäre Transpiration durch Spaltenschluss minimiert wird und die verbleibende, stark reduzierte Transpiration ausschließlich durch die pflanzliche Kutikula erfolgt. Der Temperatureinfluss auf die Transportbarriere intakter Blätter ist bislang unerforscht, obwohl die kutikuläre Transpiration vor allem an trockenen und heißen Standorten eine wichtige Rolle spielt. Im Rahmen dieser Dissertation wurde die temperaturabhängige kutikuläre Wasserpermeabilität ganzer Blätter und isolierter Kutikularmembranen verglichen (Kapitel I - III). Die minimale Wasserpermeabilität wurde gravimetrisch mittels Blattaustrocknungskurven bestimmt. Sie ist ein Maß für die kutikuläre Wasserdurchlässigkeit intakter, stomatärer Blätter bei geschlossenen Spaltöffnungen. Die minimale Wasserpermeabilität intakter Blätter von Rhazya stricta und Nerium oleander zeigte einen kontinuierlichen Anstieg mit zunehmender Temperatur. Im Gegensatz zu anderen Veröffentlichungen wurde kein abrupter, steiler Anstieg der Wasserpermeabilität bei erhöhten Temperaturen detektiert, welcher auf strukturelle Veränderungen der Transpirationsbarriere isolierter Kutikularmembranen und auf eine damit einhergehende, stark verminderte Effizienz hindeutet. Dies kann auf einen stabilisierenden Einfluss der Zellwand auf die pflanzliche Kutikula zurückgeführt werden. Verschiedene experimentelle Ansätze zur Bestimmung der temperaturabhängigen kutikulären Wasserpermeabilität von Prunus laurocerasus Blättern konnten dies bestätigen. Bei erhöhten Temperaturen wiesen die isolierten, astomatären Kutikularmembranen von Prunus laurocerasus Blättern eine starke Abnahme der Barrierefunktion auf, die isolierten Kutikularmembranen von Nerium oleander Blättern jedoch nicht. Die kutikulären Wachs- und Kutinkomponenten wurden quantitativ mittels Gaschromtograph mit Flammenionisationsdetektor und qualitativ mittels Gaschromatograph gekoppelt mit Massenspektrometer analysiert. Ein sehr hoher Gehalt an pentazyklischen Triterpenoiden im kutikulären Wachs in Bezug auf den Kutingehalt wurde sowohl für die Blätter von Nerium oleander als auch für Rhazya stricta bestimmt. Triterpenoide erhöhen möglicherweise die mechanische Festigkeit und reduzieren die Dehnbarkeit der Kutikula, indem sie die Kutinmatrix verstärken. Hierdurch könnten strukturelle Veränderungen der Transpirationsbarriere bei erhöhten Temperaturen herabgesetzt werden. Die weit verbreitete Ansicht, dass die Wasserpermeabilität von der kutikulären Wachsmenge und/oder der Wachszusammensetzung bestimmt wird, konnte bislang nicht bestätigt werden. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurden chemisch-analytische Methoden angewandt, um den Einfluss der Wachskomponenten auf die Transpirationsbarriere zu ermitteln, und somit einen potentiellen Zusammenhang zwischen der Chemie und der Funktion der pflanzlichen Kutikula abzuleiten (Kapitel IV - V). Um Hinweise auf die Auswirkung der chemischen Zusammensetzung der Kutikula auf die Transpirationsbarriere zu erhalten, wurden die kutikulären Wachse eines breiten Artenspektrums analysiert, darunter eine tropische Pflanzenart (Vanilla planifolia), mediterrane Arten (Nerium oleander, Olea europaea), Pflanzenarten der gemäßigten Zone (Juglans regia, Plantago lanceolata) und eine Wüstenpflanze (Rhazya stricta). Zusätzlich wurde die kutikuläre Wachszusammensetzung von neun charakteristischen Pflanzenarten des Mainfränkischen Trockenrasens erstmals untersucht. Die entsprechende minimale oder kutikuläre Wasserpermeabilität von stomatären und astomatären Blattoberflächen dieser Pflanzenarten wurde bestimmt, um einen möglichen Zusammenhang zwischen der Wachschemie mit der Barrierefunktion aufzuklären. Es konnte gezeigt werden, dass hohe Wachsmengen keine effizienteren Transpirationsbarrieren bilden. Jedoch konnten rund 55% der Barrierefunktion dem Anteil an langkettigen aliphatischen Komponenten zugeordnet werden. Diese neuen Erkenntnisse erbringen den Nachweis, dass die kutikuläre Transpirationsbarriere entscheidend von azyklischen Wachskomponenten beeinflusst wird. Zudem konnte bestätigt werden, dass zyklische Wachskomponenten die Wasserpermeabilität weniger stark beeinflussen als azyklische Bestandteile. Diese Ergebnisse zeigen zum ersten Mal einen Zusammenhang zwischen der chemischen Zusammensetzung der kutikulären Wachse und der kutikulären Transportbarriere anhand eines breiten Artenspektrums.

Universiẗat, Diss., 2005--Bonn.

The cuticle, a complex lipidic layer synthesized by epidermal cells, covers and protects primary organs of all land plants. Its main function is to avoid plant desiccation by limiting non-stomatal water loss. The cuticular properties vary widely among plant species. So far, most of the cuticle-related studies have focused on a limited number of species, and studies addressing phylogenetically related plant species are rare. Moreover, comparative studies among organs from the same plant species are still scarce. Thus, this study focus on organ-specificities of the cuticle within and between plant species of the Solanaceae family. Twenty-seven plant species of ten genera, including cultivated and non- cultivated species, were investigated to identify potential cuticular similarities. Structural, chemical and functional traits of fully expanded leaves, inflated fruiting calyces, and ripe fruits were analyzed. The surface morphology was investigated by scanning electron microscopy. Leaves were mainly amphistomatic and covered by an epicuticular wax film. The diversity and distribution of trichomes varied among species. Only the leaves of S. grandiflora were glabrous. Plant species of the Leptostemonum subgenus had numerous prickles and non-glandular stellate trichomes. Fruits were stomata-free, except for S. muricatum, and a wax film covered their surface. Last, lenticel- like structures and remaining scars of broken trichomes were found on the surface of some Solanum fruits. Cuticular water permeability was used as indicators of the cuticular transpiration barrier efficiency. The water permeability differed among plant species, organs and fruit types with values ranging up to one hundred-fold. The minimum leaf conductance ranged from 0.35 × 10-5 m s-1 in S. grandiflora to 31.54 × 10-5 m s-1 in S. muricatum. Cuticular permeability of fruits ranged from 0.64 × 10-5 m s-1 in S. dulcamara (fleshy berry) to 34.98 × 10-5 m s-1 in N. tabacum (capsule). Generally, the cuticular water loss of dry fruits was about to 5-fold higher than that of fleshy fruits. Interestingly, comparisons between cultivated and non-cultivated species showed that wild species have the most efficient cuticular transpiration barrier in leaves and fruits. The average permeability of leaves and fruits of wild plant species was up to three-fold lower in comparison to the cultivated ones. Moreover, ripe fruits of P. ixocarpa and P. peruviana showed two-times lower cuticular transpiration when enclosed by the inflated fruiting calyx. The cuticular chemical composition was examined using gas chromatography. Very-long-chain aliphatic compounds primarily composed the cuticular waxes, being mostly dominated by n- alkanes (up to 80% of the total wax load). Primary alkanols, alkanoic acids, alkyl esters and branched iso- and anteiso-alkanes were also frequently found. Although in minor amounts, sterols, pentacyclic triterpenoids, phenylmethyl esters, coumaric acid esters, and tocopherols were identified in the cuticular waxes. Cuticular wax coverages highly varied in solanaceous (62- fold variation). The cuticular wax load of fruits ranged from 0.55 μg cm−2 (Nicandra physalodes) to 33.99 μg cm−2 (S. pennellii), whereas the wax amount of leaves varied from 0.90 μg cm−2 (N. physalodes) to 28.42 μg cm−2 (S. burchellii). Finally, the wax load of inflated fruiting calyces ranged from 0.56 μg cm−2 in P. peruviana to 2.00 μg cm−2 in N. physalodes. For the first time, a comparative study on the efficiency of the cuticular transpiration barrier in different plant organs of closely related plant species was conducted. Altogether, the cuticular chemical variability found in solanaceous species highlight species-, and organ-specific wax biosynthesis. These chemical variabilities might relate to the waterproofing properties of the plant cuticle, thereby influencing leaf and fruit performances. Additionally, the high cuticular water permeabilities of cultivated plant species suggest a potential existence of a trade-off between fruit organoleptic properties and the efficiency of the cuticular transpiration barrier. Last, the high cuticular water loss of the solanaceous dry fruits might be a physiological adaptation favouring seed dispersion. / Die Kutikula, eine von Epidermiszellen gebildete, komplexe Lipidschicht, bedeckt und schützt die primären Organe niederer und höherer Landpflanzen. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Austrocknung der Pflanzen zu vermeiden, indem der nicht-stomatäre Wasserverlust an die Atmosphäre begrenzt wird. Ihre Eigenschaften können je nach Pflanzenart stark variieren, dennoch wurden kutikuläre Charakteristika unter phylogenetisch nah verwandten Pflanzenarten bisher wenig diskutiert. Die meisten Studien im Zusammenhang mit der Kutikula fokussierten sich auf eine begrenzte Anzahl von Pflanzenarten. Vergleichsstudien zwischen Organen derselben Pflanzenart sind kaum vorhanden. Die vorliegende Studie konzentriert sich daher auf die Kutikula von Pflanzenarten aus der Familie der Solanaceae und deren Organe. Die kutikulären Eigenschaften von 27 Pflanzenarten aus zehn verschiedenen Pflanzengattungen wurden untersucht, einschließlich Wild- und Kulturarten. Strukturelle, chemische und funktionelle Merkmale wurden für vollständig entwickelte Blätter, vergrößerte Blütenkelche und reife Früchte vergleichend analysiert. Die Oberflächenmorphologie wurde mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Strukturell wiesen die meisten Blätter eine amphistomatische Oberfläche auf, die mit einem epikutikulären Wachsfilm bedeckt war, wobei einfache Trichome und Trichome mit Drüsen eine artspezifische Verteilung und Vielfalt aufzeigten. Bei den meisten Blättern der Untergattung Leptostemonum wurden Stacheln und zahlreiche sternenförmige Trichome beobachtet. Allein Solandra grandiflora hatte eine Blattoberfläche ohne Trichome. Früchte zeichneten sich hauptsächlich durch einen epikutikulären Wachsfilm aus, der ihre Oberfläche bedeckte. Als einzige Pflanzenart besaß Solanum muricatum auf der Fruchtoberfläche Stomata, dennoch wurden Lentizellen und Fragmente von Trichomen auf der Fruchtoberfläche von Solanum tuberosum, Solanum quitoense und Solanum lycopersicum gefunden. Für die Effizienzbestimmung der kutikulären Transpirationsbarriere von Oberflächen mit und ohne Stomata wurden die minimale Wasserleitfähigkeit unter Bedingungen des maximalen Stomaschlusses beziehungsweise die kutikuläre Wasserpermeabilität untersucht. Dieses ergab ein art-, organ- und fruchttypspezifisches Muster. Die Werte variierten zwischen den Pflanzenarten bis zu hundertfach und lagen zwischen 10-6 m s-1 und 10-4 m s-1. Im Gegensatz zu den Ergebnissen früherer Studien zeigte der Vergleich der Wasserpermeabilität von verschiedenen Organen derselben Pflanzenarten, dass eine höhere Wasserpermeabilität für Blätter oder für Früchte gefunden werden kann oder dass sie für beide Organe nahezu gleich sein kann. Die minimale Wasserleitfähigkeit der Blätter lag im Bereich von 0.35 × 10–5 m s–1 für S. grandiflora bis 31.54 × 10–5 m s–1 für S. muricatum. Die kutikuläre Wasserpermeabilität lag im Bereich von 0.64 × 10–5 m s –1 für fleischige Früchte von Solanum dulcamara bis 34.98 × 10–5 m s–1 für Kapselfrüchte von Nicotiana tabacum. Allgemein zeigte sich, dass trockene Früchte eine etwa fünffach höhere kutikuläre Wasserpermeabilität als fleischige Früchte besaßen. Interessanterweise zeigten Vergleiche zwischen Wild- und Kulturarten, dass Wildarten eine wirksamere kutikuläre Transpirationsbarriere der Blätter und Früchte aufwiesen, da ihre Wasserpermeabilität etwa zwei- bis dreifach niedriger war als die der kultivierten Pflanzenarten. Des Weiteren zeigten Physalis ixocarpa und Physalis peruviana, deren Früchte von einem vergrößerten Blütenkelch umschlossen waren, einen schützenden Einfluss dieses Blütenkelches auf die reife Frucht. Eine Reduktion der kutikulären Wasserpermeabilität um den Faktor zwei wurde nachgewiesen. Die chemische Zusammensetzung der kutikulären Transpirationsbarriere wurde mit Hilfe der Gaschromatographie detektiert. Die Analysen ergaben art- und organspezifische Mengen und Zusammensetzungen der kutikulären Wachse, die vor allem aus sehr langkettigen aliphatischen Verbindungen bestanden. Bis zu 80% der kutikulären Wachszusammensetzung bildete die Stoffklasse der n-Alkane. Andere häufig identifizierte Stoffklassen waren primäre Alkanole, Alkansäuren, Alkylester sowie iso- und anteiso-Alkane. Obwohl in geringen Mengen, wurden in den meisten kutikulären Wachsen auch alicyclische und aromatische Stoffklassen gefunden. Hauptsächlich handelte es sich um Phytosterole, pentacyclische Triterpenoide, Phenylmethylester, Cumarsäureester, Tocopherole und Flavonoide. Die kutikuläre Wachsschicht variierte zwischen den Pflanzenarten bis zu 62-fach und betrug zwischen 0.55 μg cm-2 für Nicandra physalodes und 33.99 μg cm-2 für Solanum pennellii, wobei sowohl niedrigste als auch höchste kutikuläre Wachsmenge für Früchte gefunden wurde. Die kutikulären Wachse der Blätter reichten von 0.90 μg cm-2 für N. physalodes bis 28.42 μg cm-2 für Solanum burchellii. Die kutikuläre Wachsmenge der vergrößerten Blütenkelche lag zwischen 0.56 μg cm-2 für P. peruviana und 2.00 μg cm-2 für N. physalodes. Zum ersten Mal wurde eine umfangreiche Studie zur Effizienz der kutikulären Transpirationsbarriere verschiedener Pflanzenorgane von phylogenetisch nah verwandten Pflanzenarten durchgeführt. Insgesamt zeigt die vergleichende Untersuchung innerhalb der Familie der Solanaceae die funktionelle und chemische Variabilität der kutikulären Wasserpermeabilität und der kutikulären Wachsbiosynthese. Die art- und organspezifische Divergenz kann dabei einen Einfluss auf die hydrophoben Eigenschaften der Kutikula haben und wichtige Konsequenzen für die Blatt- und Fruchtleistung mit sich führen. Darüber hinaus deuten diese Ergebnisse auf einen Kompromiss zwischen Fruchteigenschaften und Oberflächenschutz bei den Kulturarten hin. Es wird auch vermutet, dass die verringerte kutikuläre Barriereleistung der trockenen Früchte eine physiologische Anpassung an die Samenausbreitung dieser Pflanzenarten ist.

Universiẗat, Diss., 2004--Heidelberg.

The cuticle is constituted of the biopolymer cutin and intra- and epicuticular waxes. In some cases, it has epicuticular wax crystals, protruding from the epicuticular wax film. One of the most important tasks is protection against desiccation. Many investigations were conducted to find the transport limiting component of the cuticle. It is evidentially confirmed that the waxes form this barrier. These waxes are multifactorial blends made of very-long-chain aliphatic (VLCA) compounds and triterpenoids (TRP). The VLCAs were proposed to constitute the transpiration barrier to water. However, experimental confirmation was lacking so far. The present study focuses on the development of a method to selectively extract TRPs from the cuticle and the impact of the removal on the transpiration barrier. The plants deployed in this study exhibited several features. They had no epicuticular crystals on their surfaces, were astomatous, had a rather durable and possibly isolatable cuticle. A broad range of wax compositions was covered from plants with no TRP content and low wax load like Hedera helix and Zamioculcas zamiifolia to plants with high TRP content and high wax load like Nerium oleander. The selective extraction was conducted using a sequence of solvents. TRPs were extracted almost exhaustively from CMs with the first MeOH extract. Only a minor amount of shorter chained VLCAs was obtained. The remaining waxes, consisting mostly of VLCAs and some remnant TRPs, were removed with the following TCM extract. After the extractions, the water permeance of native cuticular membranes (CM), MeOH extracted (M) and dewaxed cuticular discs (MX) was investigated gravimetrically. Compared to the water permeance of CMs, Ms showed no or only a small increase in water conductance. MXs, however, always showed strongly increased values. The knowledge about the wax compounds constituting the transport-limiting properties is vital for different projects. For various issues, it would be favourable to have a standardized wax mixture as an initial point of research. It could be used to develop screening procedures to investigate the impact of adjuvants on cuticular waxes or the influence of wax constituents on the properties of cuticular waxes. This work concentrated on the development of an artificial wax mixture, which mimics the physical properties of a plant leaf wax sufficiently. As target wax, the leaf wax of Schefflera elegantissima was chosen. The wax of this plant species consisted almost exclusively of VLCAs, had a rather simple composition regarding compound classes and chain length distribution and CMs could be isolated. Artificial binary, ternary and quaternary waxes corresponding to the conditions within the plant wax were investigated using differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction (XRD) techniques and Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy. Phase diagrams were mapped out for a series of binary, ternary and quaternary wax mixtures. FTIR experiments were conducted using, ternary and a quaternary artificial wax blends. The blends were chosen to represent the conditions within the wax of the adaxial CM plant wax. The FTIR experiments exhibited an increasing resemblance of the artificial wax to the plant wax (adaxial CM wax) with an increasing number of compounds in the artificial wax. The same trend was found for DSC thermograms. Thermograms of ternary and quaternary blends exhibited more overlapping peaks and occurred in a temperature range more similar to the range of the whole leaf plant wax. The XRD spectrum at room temperature showed good conformity with the quaternary blend. The current work illustrates a method for selective extraction of TRPs from isolated CMs. It gives direct experimental proof of the association of the water permeance barrier with the VLCA rather than to the TRPs. Furthermore, the possibility to mimic cuticular waxes using commercially available wax compounds is investigated. The results show promising feasibility for its viability, enabling it to perform as a standardized initial point for further research (e.g. to examine the influence of different constituents on waxes), revealing valuable knowledge about the structure and the chemistry-function relationship of cuticular waxes. / Die Kutikula ist eine der vielen Anpassungen, die Pflanzen entwickelten um nach der Besiedelung des Landes mit den Herausforderungen ihrer neuen Umgebung fertig zu werden. Sie überzieht überirdische Pflanzenorgane, wie Blüten oder Blätter und erfüllt verschiedene Aufgaben. Hierzu besteht sie aus dem biopolymer Kutin und intra- sowie epikutikulären Wachs. Studien, die sich mit der Lokalisierung der transporteinschänkenden Barriere beschäftigten, zeigten, dass die Wachse sie bilden. Diese sind vielschichtige Mischungen aus langkettigen aliphatischen Verbindungen (VLCA) und pentazyklischen Verbindung wie Triterpenen (TRP). Es wird davon ausgegangen, dass VLCAs die Barriere aufbauen, ein direkter experimenteller Nachweis dafür wurde jedoch noch nicht erbracht. In dieser Arbeit wurde daher ein Verfahren zur selektiven Extraktion von TRPs aus isolierten kutikulären Membranen (CM) entwickelt und deren Auswirkung auf die Transpirationsbarriere untersucht. Die untersuchten Pflanzen wiesen keine epikutikuläre Kristalle auf, hatten keine Stomata auf der Kutikula der Blattoberseite und es war möglich ihre Kutikula zu isolieren. Die Zusammensetzung der Wachse variierte von wenig Wachs ohne TRPs (z. B. Hedera helix, Zamioculcas zamiifolia) hin zu pflanzen mit großer Wachsmenge und hohem TRP- Anteil (Nerium oleander). Die selektive Extraktion wurde durch die sequenzielle Nutzung zweier Lösemittel erreicht. TRPs wurden fast vollständig mit Methanol (MeOH) entfernt, während VLCAs überwiegend nur mit Chloroform (TCM) extrahiert werden konnten. Die gravimetrische Bestimmung der Wassertranspiration von unbehandelten, mit Methanol extrahierten (M) und entwachsten Membranen (MX) in Transpirationskammern zeigte bei allen untersuchten Pflanzenarten einen einheitlichen Trend auf. Im Vergleich zu CMs erhöhte sich die Transpirationsrate bei Ms nicht oder nur geringfügig, während bei MXs ein starker Anstieg festgestellt werden konnte. Diese Ergebnisse stellen den ersten direkten experimentellen Nachweis der Verbindung von VLCAs zur Transpirationsbarriere kutikulärer Wachse dar. Mit dem Wissen, sich bei der Untersuchung der Permeation durch die Kutikula sich nur auf die VLCA Fraktion beschränken zu müssen können weitere Projekte effizient angegangen werden. Ein leicht erhältliches Standartwachsgemisch könnte Ausgangspunkt für die Untersuchung des Einflusses verschiedener Pflanzenwachskomponenten auf deren physikalische Eigenschaften dienen. Als Zielwachs diente das Blattwachs von Schefflera elegantissima. Es bestand fast ausschließlich aus VLCAs, hatte eine recht einfache Zusammensetzung bezüglich der Stoffklassen und Kettenlängenverteilung und die Kutikula war isolierbar. Mit Hilfe von dynamische Differentialkalorimetrie (DSC), Röntgenbeugung (XRD) und Fouriertransformierter Infrarot (FTIR) Spektroskopie wurden binäre, ternäre und quaternäre Gemische, die Verhältnisse im Pflanzenwachs wiederspiegelten, untersucht und Phasendiagramme erstellt. Phasendiagramme wurden von einer Reihe der binären Gemische, bestehend aus Alkanen oder Alkoholen, ternären Gemischen aus zwei Alkanen und einem Alkohol und quaternären Gemischen aus zwei Alkanen und zwei Alkoholen erstellt. FTIR-spektroskopische Versuche zeigten mit zunehmender Komponentenzahl eine erhöhte Ähnlichkeit der artifiziellen Wachse zum Pflanzenwachs (adaxiale isolierte Kutikula). Ein ähnlicher Trend wurde für die Ähnlichkeit der Thermogramme der artifiziellen Gemische zum Pflanzenwachs (aus dem Extrakt ganzer Blätter) ersichtlich. Das Diffraktogramm des quaternären Waches stimmte auf Raumtemperatur gut mit dem des Pflanzenwachses (adaxiale isolierte Kutikula) ein. Diese Arbeit beschreibt eine Methode zur selektiven Extraktion von TRPs aus isolierten kutikulären Membranen. Sie zeigt einen direkten experimentellen Nachweis für die Assoziation der Transpirationsbarriere zu den VLCAs und nicht zu den TRPs. Zusätzlich wird die Möglichkeit kutikulare Wachse mit Hilfe von kommerziell erhältlichen Wachskomponenten nachzustellen untersucht, was vielversprechende Ergebnisse liefert. Dieses Wachs könnte daher als standardisierter Ausgangspunkt für weitere Experimente (z. B. zur Untersuchung des Einflusses verschiedener Wachskomponenten auf dessen physikalische Eigenschaften) dienen. Dies könnte wertvolle Informationen über die Struktur und die Beziehung zwischen chemischer Zusammensetzung und der Funktion kutikulärer Wachse liefern.