Gut zu wissen:

Die Pflanzen, die als Vorbild für innovative Oberflächen-beschichtungen dienten heißen botanisch korrekt Lotosblumen (Nelumbo). Dennoch schreibt man „Lotuseffekt“. Hierbei handelt es sich um ein patent- und markenrechtlich geschütztes Wort. Hintergrund ist, dass im Englischen der Trivialname Lotus für die Pflanzengattung Nelumbo gebraucht wird.

Schutzschicht ist nicht gleich Schutzschicht

Je nach Aufgabe synthetisiert ein und dieselbe Pflanze diverse Wachsschichten

23.08.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Das Abschlussgewebe, die Epidermis, und auch Trichome auf Blättern und nicht verholzten Sprossachsen sind von einer wachsartigen Schicht (Cuticula) überzogen. (Bildquelle: © Frost Museum / flickr; CC BY 2.0)
Das Abschlussgewebe, die Epidermis, und auch Trichome auf Blättern und nicht verholzten Sprossachsen sind von einer wachsartigen Schicht (Cuticula) überzogen. (Bildquelle: © Frost Museum / flickr; CC BY 2.0)

Forscher entdeckten, dass die schützende Wachsschicht um Blätter und Sprossachsen sich in ihrer Zusammensetzung von der Wachsschicht unterscheidet, die Pflanzenhaare (Trichome) umhüllt.  

Die Oberfläche von Blättern ist bei Pflanzen die äußerste Schutzbarriere, um sich beispielsweise vor Schädlingen oder dem Austrocknen zu schützen, aber auch um sich von Schmutz schneller zu befreien. Besonders bekannt ist sie bei den Lotosblumen (Nelumbo) - hier perlt Wasser einfach ab. Sie waren das biologische Vorbild für innovative, selbstreinigende Oberflächenbeschichtungen mit sogenanntem „Lotuseffekt“.

Universeller Schutz

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Lotuseffekt: Einige Pflanzen z. B. die Lotosblumen besitzen eine wasserabweisende Blattoberfläche. Von ihr perlt Wasser einfach ab. Auch Schmutzpartikel können nicht gut auf der Oberfläche haften und werden mit dem abtropfenden Wasser vom Blatt gewaschen.

Lotuseffekt: Einige Pflanzen z. B. die Lotosblumen besitzen eine wasserabweisende Blattoberfläche. Von ihr perlt Wasser einfach ab. Auch Schmutzpartikel können nicht gut auf der Oberfläche haften und werden mit dem abtropfenden Wasser vom Blatt gewaschen.

Quelle: © H. Zell/wikimedia.org; CC BY-SA 3.0

Betrachtet man das Gewebe von Blättern und nicht verholzten Sprossachsen genauer, ist das Abschlussgewebe, die Epidermis, von einer wachsartigen Schicht (Cuticula) überzogen. Die Schicht besteht aus dem Polymer Cutin und pflanzlichen Wachsen, die ein Gemisch von unterschiedlichen Stoffklassen, wie z. B. Alkoholen, Alkanen und Ester von Fettsäuren, darstellen. Diese Bestandteile sorgen dafür, dass die Oberflächen für Wasser undurchlässige sind. Dadurch wird ein unkontrolliertes Verdunsten von Wasser durch die Cuticula verhindert. Über die Spaltöffnungen (Stomata), die sich in der Epidermis befinden, wird der Gasaustausch und Wasserhaushalt gezielt geregelt.

Auf der Oberfläche befinden sich bei vielen Arten auch Pflanzenhaare, sogenannte Trichome, die aus Epidermiszellen gebildet werden. Trichome erfüllen unterschiedliche Funktionen, es gibt z. B. Drüsenhaare, die Flüssigkeiten produzieren, um Feinde abzuwehren oder im Fall von fleischfressenden Pflanzen als Sensoren einer ausgeklügelten Insektenfalle dienen. Da die Haare aber herausragen, sind sie stärker den Unbilden der Natur ausgesetzt. Sie sind z. B. durch den Wind stärker von Abrieb betroffen und haben ein höheres Austrocknungsrisiko. Das könnte also bedeuten, dass die Wachshülle um die Haare anders aufgebaut sein muss, um diesen Herausforderungen zu begegnen.

Wachszusammensetzung untersucht

Um dies zu klären, untersuchten Forscher nun, ob zelltypspezifische Unterschiede bei der Wachszusammensetzung auf Trichomen und anderen epidermalen Zellen bestehen. Dies klingt auf den ersten Blick banal. Ist es jedoch nicht. Denn die biologische Funktion der Schutzschicht hängt von den physikalischen Eigenschaften ab, die wiederum von der chemischen Zusammensetzung bedingt werden. Kennt man die Bestandteile, kann man Rückschlüsse auf die Funktion der Schicht erhalten.

Die Wachsschicht ist darüber hinaus nicht nur für die Abwehr und das Überleben der Pflanze wichtig – pflanzliche Wachse werden auch vom Menschen als nachwachsende Rohstoffe genutzt, z. B. als Bestandteil von Naturkosmetikprodukten oder als Holzpflegemittel. Daher ist es von Interesse, die Zusammensetzung, Biosynthese und genetische Grundlage der Schutzschicht zu kennen.

Zwei Wege, ein Ergebnis

Als Versuchspflanze diente dem Forscherteam die Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Sie untersuchten den Wachsüberzug der unterschiedlichen Zelltypen mit Hilfe von einem chemischen und einem molekularen Ansatz: Zum einen analysierten die Wissenschaftler die Zusammensetzung der Gesamtheit der pflanzlichen Wachse von Mutanten, die keine Trichome ausbilden und verglichen dies mit dem Profil von Pflanzen, die überproportional viele aufweisen sowie mit dem Wildtyp. Darüber hinaus extrahierten und analysierten sie die Wachse, die lediglich von den Trichomen stammten und verglichen sie mit denen von anderen epidermalen Zellen. Zum anderen betrachteten die Forscher die Genexpressionsmuster von Trichomen und anderen epidermalen Zellen, indem sie bereits publizierten Transkriptom-Daten nutzten.

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Trichome sind haarähnliche Strukturen, die sich auf der Oberfläche von Pflanzen befinden, daher nennt man sie auch Pflanzenhaare. Sie erfüllen unterschiedliche Funktionen und lassen sich auch bei Nutzpflanzen, wie hier der Tomate, finden.

Trichome sind haarähnliche Strukturen, die sich auf der Oberfläche von Pflanzen befinden, daher nennt man sie auch Pflanzenhaare. Sie erfüllen unterschiedliche Funktionen und lassen sich auch bei Nutzpflanzen, wie hier der Tomate, finden.

Quelle: © Denise / pixelio.de

Wachschicht unterscheidet sich

Die chemischen Analysen ergaben, dass sich sowohl an den Sprossachsen als auch den Blättern die Zusammensetzungen der Wachsschicht zwischen Trichomen und anderen Zellen unterschied. Die Wachsschicht der Trichome enthält erstens eine leicht andere Konzentration der unterschiedlichen Stoffklassen und zweitens einen höheren Anteil von sehr langkettigen Kohlenwasserstoffen (C32+).

Die Transkriptom-Daten zeigten ergänzend, dass bestimmte (KCS-)Gene in den unterschiedlichen Zelltypen unterschiedlich exprimiert werden. Diese Gene kodieren für Enzyme, die am Aufbau langkettiger Kohlenwasserstoffe beteiligt sind.

Aus ihren Erkenntnissen schlossen die Forscher, dass Trichome einen eigenen, unabhängigen Biosyntheseweg für die Wachsschicht haben. Sie vermuten, dass Trichome Enzyme nutzen könnten, die nur hier zum Einsatz kommen. Darüber hinaus könnten die Wachs-Biosynthese-Gene anders reguliert sein als bei anderen Epidermiszellen. Hier ist weitere Forschung nötig, um die genetischen Grundlagen weiter aufzuklären. Allerdings konnten die Forscher durch die Kombination der chemischen Ergebnisse mit den Genexpressionsmustern vielversprechende Kandidatengene identifizieren, die für den Aufbau der Wachsschicht und speziell für die Biosynthese von langkettigen (C32+) nicht aromatischen (aliphatischen) Kohlenwasserstoffketten verantwortlich sein könnten.

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