TY  - THES
A1  - Popp, Christian
T1  - Cuticular transport of hydrophilic molecules with special focus on primary metabolites and active ingredients
T1  - Kutikulärer Transport von hydrophilen Primärmetaboliten und Aktivsubstanzen
N2  - The plant cuticle as an interface between the plant interior and the adjoining atmosphere plays an important role in any interaction between the plant and its environment. Transport processes across the cuticles were the object of countless research since many decades. However, bulk of the work done was focused on transport of lipophilic molecules. It is highly plausible to examine the penetration of lipophilic compounds, since the cuticle is dominated by lipophilic compartments itself, and the most crop protection agents have lipophilic character. As a result of this research, cuticular transport of lipophilic compounds is relatively well understood. Since several years, examinations were expanded on transport of hydrophilic molecules. In the present study, a direct comparison was made between transport properties of lipophilic and hydrophilic compounds, which allows an objective assessment of the mechanism governing their penetration. The results of this present study debunked the existence of two different pathways across isolated cuticles of Hedera helix (English ivy), a lipophilic and a hydrophilic pathway. This finding was supported by examinations regarding to accelerator and temperature effects on the mobility of both pathways, because the hydrophilic path is insensitive to them - in contrary to the lipophilic one. The lipophilic pathway is rigorously restricted to lipophilic molecules and the hydrophilic pathway is only accessible for hydrophilic molecules. Uncharged hydrophilic compounds can cross the cuticle even the molecules are of relatively large dimensions. In contrast to that, dissociable compounds with a molar volume higher than 110 cm³ mol-1 are excluded from cuticular penetration. Differences in the mobility of uncharged and dissociable molecules might be a hint towards the chemical nature of the polar pathways. It is assumed, that both, cellulose and pectin fibrils, traverse the cuticle which are originated from the epidermal cell wall. While uncharged carbohydrates might be able to penetrate across a pathway made up of cellulose and pectin, dissociated amino acids might be restricted to the cellulose path. This could be a plausible explanation for the higher mobility and the higher cuticle/water partition coefficients of the carbohydrates compared with the amino acids. A hydrophilic pathway was found with isolated grapevine cuticles, too. The apparent size selectivity of the hydrophilic pathway implies transport via narrow pores. From the present data, a mean pore radius of 0.31 nm (H. helix) or rather 0.34 nm (V. vinifera) was calculated. The absolute number of pores per cm² is 1.1 x 109 for H. helix and 3.3 x 109 for V. vinifera cuticles. This finding and the enlarged pore size distribution of grapevine cuticles might be an explanation for the transport of uncharged and dissociable hydrophilic compounds of higher molar volume like paraquat dichloride - in contrast to ivy membranes Wax extraction of ivy membranes uncovers additional pores, which explains the increased mobilities of the hydrophilic compounds across dewaxed membranes. From these extensive measurements it is very conspicuous, that the bulk of cuticular water transpiration occurs via the polar pathway. Since the work was focused on cuticular penetration of primary metabolites like amino acids and carbohydrates, a mechanistic explanation of leaching processes is obtained, simultaneously. In cuticular research, an inconsistent terminology regarding the transport path of the hydrophilic compounds was used. The term ‘hydrophilic pathway’ is definitely correct, since it makes no statement with regard to the shape of this path. In contrast to that, the terms ‘polar pore’ or ‘aqueous pore’ could imply that there is a tube or rather a water-filled tube traversing the cuticle. However - at this point of time – the imagination about the shape of this path is a pathway across interfibrilar gaps within polysaccharide strains. The proposed diameter of these interfibrilar gaps fits very well to the diameter determined in this study. Therefore, the imagination of a pore is not unfounded, but it is a very narrow pore, definitely. Additionally, this pathway is a very straight pathway which corresponds to this simplified imagination. An expanded study was done with paraquat dichloride, which was applied as aqueous droplets on grapevine cuticles. It is assumed that these model membranes reflect transport properties which are very close to that of relevant crops and weeds. The predominating parameter for paraquat penetration is the moisture, either originated from a relative humidity of at least 75% or provided by added chemicals. There is a tendency for good suitability of hygroscopic additives. Increased paraquat penetration was also obtained by raised concentrations and removal of the cuticular waxes.
N2  - Die pflanzliche Kutikula als Grenzfläche zwischen der Pflanze und ihrer Umgebung nimmt eine wichtige Aufgabe hinsichtlich der Interaktion Pflanze/Umwelt ein. Kutikuläre Transportprozesse sind bereits seit Jahrzehnten Gegenstand zahlreicher Forschungen. Das Hauptaugenmerk war dabei jedoch größtenteils auf lipophile Verbindungen gerichtet, was auch plausibel ist, da die Kutikula an sich eine lipophile Membran darstellt und nicht zuletzt auch viele Aktivsubstanzen aus dem Bereich des Pflanzenschutzes lipophil sind. Daraus resultiert ein sehr gutes Verständnis hinsichtlich der Transportmechanismen lipophiler Moleküle. In den letzten Jahren wurde die Forschung jedoch auf hydrophile Modellverbindungen ausgeweitet. Die vorliegende Studie beruht auf einem direkten Vergleich der Transporteigenschaften von lipophilen und hydrophilen Verbindungen, der Unterschiede in den jeweiligen Mechanismen aufzeigen soll. Die Ergebnisse dieser Messungen erbrachten den Nachweis für die Existenz zweier klar differenzierbarer Transportwege in isolierten Kutikularmembranen von Efeu (H. helix); einen lipophilen und einen hydrophilen Pfad. Diese Unterscheidung wurde durch weitere Experimente untermauert, da der lipophile Weg - im Gegensatz zum hydrophilen Weg - tensid- und temperatursensitiv ist. Lipophile Moleküle können ausschließlich über den lipophilen Weg permeieren, während der hydrophile Weg ausschließlich für hydrophile Verbindungen zur Verfügung steht. Eine Besonderheit hinsichtlich der Ladung hydrophiler Verbindungen wurde gefunden: Ungeladene hydrophile Moleküle können auch bei größerem Molvolumen noch durch die Membran transportiert werden. Im Gegensatz dazu wurde für hydrophile dissoziierbare Moleküle mit einem Molvolumen größer als 110 cm3 mol-1 ein Transportausschluss festgestellt. Unterschiede in der Mobilität geladener und dissoziierbarer hydrophiler Verbindungen könnten ein Hinweis in Richtung der Chemie des hydrophilen Weges sein. Es wird angenommen, dass sowohl Cellulose- als auch Pektinfibrillen die Kutikula durchziehen. Ursprung dieser Fibrillen ist die epidermale Zellwand. Eine höhere Mobilität der Kohlenhydrate gegenüber den Aminosäuren könnte dadurch erklärt werden. Ungeladene Kohlenhydrate können demnach sowohl über Cellulose- als auch Pektinfibrillen transportiert werden, während dissoziierte Aminosäuren möglicherweise nur über Cellulosefibrillen permeieren können. Diese Hypothese würde auch die im Vergleich zu den Aminosäuren höheren Verteilungskoeffizienten der Kohlenhydrate erklären. Auch für Blattkutikeln von Wein (V. vinifera cv. Nelly) wurde ein hydrophiler Weg gefunden. Die ausgeprägte Größenselektivität des hydrophilen Weges impliziert einen Transport durch enge Poren. Aus den gemessenen Daten ließ sich ein mittlerer Porenradius von 0.31 nm für Efeu und 0.34 nm für Wein bestimmen. Die absolute Porenanzahl pro Quadratzentimeter beträgt bei Efeu 1.1 x 109 und bei Wein 3.3 x 109. Diese Ergebnisse und die breitere Verteilung des mittleren Porenradius’ bei Wein können den Transport von Paraquat durch Weinmembranen und den Transportausschluss bei Efeumembranen erklären. Eine Extraktion der kutikulären Wachse bei Efeukutikeln legt weitere Poren frei, die ansonsten blind in der Wachsschicht enden und für Transportprozesse daher nicht zur Verfügung stehen. Aus der Auftragung aller Daten ergibt sich, daß Wasser hauptsächlich über den polaren Weg transportiert wird. Die vorliegenden Daten liefern gleichzeitig eine mechanistische Erklärung für das Auswaschen von Primärmetaboliten aus Blättern, was bereits vor vielen Jahrzehnten beobachtet wurde. Im Verlauf der Arbeit wurden verschiedene Begriffe für den Transportweg der hydrophilen Verbindungen verwendet. Der Ausdruck ‚hydrophiler Weg’ (hydrophilic pathway) ist günstig, da er keinerlei Aussagen über die Beschaffenheit dieses Weges macht. Im Gegensatz dazu beinhalten die in der Literatur präferierten Begriffe ‚polare Pore’ (polar pore) oder ‚wässrige Pore’ (aqueous pore) scheinbar Informationen hinsichtlich der Gestalt dieser Wege. Aus den bisherigen Erkenntnissen lässt sich dennoch ein Vorschlag für die Gestalt des hydrophilen Weges machen. Die Tatsache dass zu Fibrillen aggregierte einzelne Cellulosestränge einen Abstand von ca. 0.8 nm aufweisen, was dem postulierten Porenradius sehr nahe kommt, könnten interfibrilläre Zwischenräume den hydrophilen Weg darstellen. Der Begriff einer ‚Pore’ ist daher möglicherweise gar nicht abwegig. Jedenfalls ist der hydrophile Weg, im Gegensatz zum lipophilen Weg, ein ungewundener Weg, was der Vorstellung einer ‚Pore’ entgegen kommt.
KW  - Kutikula
KW  - Membrantransport
KW  - Metabolit
KW  - Kutikula
KW  - Transport
KW  - Primärmetabolite
KW  - Aktivsubstanzen
KW  - Leaching
KW  - cuticle
KW  - transport
KW  - primary metabolites
KW  - active ingredients
KW  - leaching
Y1  - 2005
UR  - https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/1293
UR  - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-15174
ER  -