Cuticle mutants of Arabidopsis thaliana L. Heynh.: quantification of cuticular permeability
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Kutikula bildet die Grenzfläche zwischen den oberirdischen Pflanzenorganen und der Umwelt. Für viele Spezies (z. B. Prunus laurocerasus) wurden in der Vergangenheit bereits transportphysiologische Untersuchungen mit isolierten Kutikularmembranen durchgeführt. Da die Blätter der Modellpflanze Arabidopsis 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 diesem Projekt konnte zum ersten Mal erfolgreich ein quantitativer Assay zur Bestimmung der Permeation von organischen Molekülen über die Kutikula von Arabidopsis thaliana am intakten Blatt etabliert werden. In den Aufnahmeexperimenten konnten unter Verwendung des radioaktiv markierten systemischen Fungizids 14C-Epoxiconazol Leitwerte berechnet werden. Der Leitwert für den Wildtyp Columbia lag bei 2.79·10-8 (±6,35·10-9 m·s-1) und war im Vergleich zu dem Leitwert der Kutikula von Prunus laurocerasus um den Faktor 66 höher. Indirekt konnte über Co-Permeationsexperimente mit verschiedenen Spezies (Prunus laurocerasus, Citrus aurantium und Hedera helix) auch eine zuverlässige Vorhersage über die Wasserpermeabilität für Arabidopsis thaliana getroffen werden. Der berechnete Wert für die kutikuläre Wasserpermeabilität von Arabidopsis thaliana war mit 6,43·10-8 m·s-1 im Schnitt 1-2 Größenordnungen höher als die Leitwerte der Arten Prunus laurocerasus, Citrus aurantium und Hedera helix. 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 und parallel dazu die Wachs- und Kutinzusammensetzung mittels Gaschromatographie und Massenspektrometrie ermittelt. Die kutikuläre Permeabilität der untersuchten Linien variierte im Bereich von 10-7 bis 10-9 m·s-1. Diese Veränderungen im Wachs und Kutin wirkten 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 in keinem Fall gezeigt werden. Die Zunahmen in der kutikulären Permeabilität waren unabhängig von einer Zu- oder Abnahme der Wachs- oder Kutinmenge. Auch bei Betrachtung verschiedener Parameter (z.B. Menge einzelner Substanzklassen oder gewichteter mittlerer Kettenlänge) konnte kein direkter Zusammenhang zur Änderung in der kutikulären Permeabilität nachgewiesen werden. Dies deutet darauf hin, dass Veränderungen in der Ultrastruktur der Kutikula die eigentliche Ursache für die Veränderungen in den Barriereeigenschaften sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2009). Dissection of the complex phenotype in cuticular mutants of Arabidopsis reveals a role of SERRATE as a mediator. Public Library of Science Genetics 5: e1000703
Voisin D, Nawrath C, Kurdyukov S, Franke R, Reina-Pinto J, Efremova N, Will I, Schreiber L, Yephremov A
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(2009). The Arabidopsis DCR encoding a soluble BAHD acyltransferase is required for cutin polyester formation and seed hydration properties. Plant Physiology 151: 1773-1789
Panikashvili D, Shi JX, Schreiber L, Aharoni A
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(2009). Water and solute permeability of plant cuticles. Measurement and data analysis. Springer, Heidelberg
Schreiber L, Schönherr J
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(2010). Transport barriers made of cutin, suberin and associated waxes. Trends in Plant Science 15: 546-553
Schreiber L
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(2011). A radioactive assay allowing the quantitative measurement of cuticular permeability of intact Arabidopsis thaliana leaves. Planta
Ballmann C, De Oliveira S, Gutenberger A, Waßmann F, Schreiber L
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(2011). The Arabidopsis ABCG13 transporter is required for flower cuticle secretion and patterning of the petal epidermis. New Phytologist
Panikashvili D, Shi JX, Schreiber L, Aharoni A
