Untersuchung der Reparaturmechanismen von Mikrorissen in Apfelkutikula mittels laserinduzierter Mikrorissbildung

• Antragsteller: Professor Dr. Dag Heinemann
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525156988

Das Erscheinungsbild der Oberfläche ist bei vielen Obstsorten ein wichtiges Qualitätsmerkmal. Die Fruchtoberfläche leidet oft unter verschiedenen Mängeln oder Störungen, wie Berostung, Hautflecken, Makrorissen oder Schrumpfung. Obwohl es sich in den meisten Fällen um kosmetische Schäden handelt, verursachen diese Mängel den kommerziellen Obstbauern erhebliche wirtschaftliche Verluste. Die primären Oberflächen der oberirdischen Organe von Landpflanzen (einschließlich Früchten) sind von einer Kutikula umhüllt, einem Biopolymer, das aus Kutin, Wachsen und Polysacchariden besteht. Als polymere Umhüllung der Pflanzenoberfläche erfüllt die Kutikula wichtige Funktionen. Sie wirkt als Barriere gegen Wasserbewegungen und das Eindringen von Krankheitserregern, schränkt den Gasaustausch ein und schützt die Zellbestandteile vor UV-B-Strahlung. Während der Fruchtentwicklung ist die Kutikula starken Belastungen ausgesetzt, die sich aus dem Wachstum der Frucht und der Vergrößerung der Oberfläche ergeben. Diese Spannungen führen zu einer Dehnung der Kutikula, die teilweise durch zusätzliche Ablagerung von Kutin und Wachsen in eine plastische Dehnung umgewandelt wird. Eine übermäßige elastische Dehnung führt zur Bildung von Mikrorissen in der Kutikula, die zur Entwicklung von Obsthauterkrankungen führen können. Eine rechtzeitige Reparatur von Mikrorissen minimiert oder verhindert die Entwicklung von Obsthauterkrankungen. Die möglichen Reparaturmechanismen sind die Heilung von Mikrorissen durch Wachsablagerung und die Bedeckung der gerissenen Oberfläche durch die Bildung von Periderm, wobei Letzteres zur Berostung der Fruchtoberfläche führt. In elektronenmikroskopischen Untersuchungen wurde die Bildung von kristallinem Wachs in Mikrorissen nachgewiesen. Ein direkter Nachweis für die Wachsablagerung in Mikrorissen fehlt jedoch. Um diesen Nachweis zu erbringen, ist ein experimentelles System erforderlich, das es ermöglicht, Mikrorisse in der Kutikula zu erzeugen und zu quantifizieren. Im Projekt sollen standardisierte Mikrorisse in der Kutikula von Apfelfrüchten durch Lasereinschnitte erzeugt werden. Der anschließende Reparaturprozess wird mit einer Kombination aus optischer Spektroskopie, Mikroskopie und mechanischen Methoden überwacht und quantifiziert. Diese Kombination ermöglicht es, definierte Einschnitte als induzierte Mikrorisse auf kontrollierte Weise zu erzeugen und die anschließende Reparatur von Mikrorissen zu untersuchen, die aufgrund der hohen Variabilität der natürlichen Mikrorisse sonst nicht zu verfolgen wäre. Die zugehörigen Forschungsschwerpunkte sind: 1. Ermittlung von Prozessparametern zur Induktion standardisierter Mikrorisse in Apfelkutikula ohne Hitzeartefakte 2. Einfluss von Umweltbedingungen auf die Reparaturmechanismen von Mikrorissen in isolierter Kutikula 3. Auswirkungen der Mikrorissgröße auf die Barrierefunktionen der Kutikula 4. Reparatur und Entwicklung von Mikrorissen in wachsenden Äpfeln in vivo

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Moritz Knoche