@phdthesis{Arand2010,
  author    = {Arand, Katja},
  title     = {Charakterisierung hydrophiler Permeationswege in der pflanzlichen Kutikula anhand der Permeationseigenschaften ionischer Aminos{\"a}uren},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-49954},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {Um sich vor dem Austrocknen zu sch{\"u}tzen, haben Pflanzen eine Transpirationsbarriere entwickelt, die als Membran alle prim{\"a}ren, oberirdischen Pflanzenteile {\"u}berzieht. Diese so genannte Kutikula besteht haupts{\"a}chlich aus den lipophilen Komponenten Kutin und Wachs und reduziert so effektiv den Verlust von Wasser und wasserl{\"o}slichen N{\"a}hrstoffen aus dem Blattinneren. Trotzdem ist sie nicht vollst{\"a}ndig undurchl{\"a}ssig, und so k{\"o}nnen Wasser und gel{\"o}ste Substanzen wie organische und anorganische N{\"a}hrstoffe, Pestizide oder Umweltchemikalien die Kutikula in beiden Richtungen permeieren. Dabei ist offensichtlich, dass die zu Grunde liegenden Transportmechanismen den Ern{\"a}hrungszustand der Pflanzen, die Effizienz von Pestiziden und die Wirkung von Umweltchemikalien beeinflussen. Ein genaues Verst{\"a}ndnis der Transportprozesse auf denen die kutikul{\"a}re Permeation basiert, kann helfen die Wirkweise von blattapplizierten D{\"u}nge- und Pflanzenschutzmitteln zu optimieren, indem gezielt Wirk- oder Zusatzstoffe modelliert werden k{\"o}nnen, welche die Aufnahme steigern. In der vorliegenden Arbeit sollte deshalb der Einfluss physiko-chemischer Eigenschaften von hydrophilen Verbindungen auf die kutikul{\"a}re Permeation untersucht werden. Nicht zuletzt wegen ihrer strukturellen {\"A}hnlichkeit mit den blattapplizierten Herbiziden Glufosinat und Glyphosat wurden Aminos{\"a}uren als Modellsubstenzen ausgew{\"a}hlt. Die verwendeten Aminos{\"a}uren sind gut wasserl{\"o}slich, wobei alle Oktanol/Wasser Verteilungskoeffizienten kleiner als 1 sind. Zus{\"a}tzlich liegen alle Aminos{\"a}uren in gel{\"o}ster Form als Ionen vor, was zu einer Hydratisierung der Molek{\"u}le f{\"u}hrt. Es wird spekuliert, dass hydratisierte Molek{\"u}le keinen Zugang zur lipophilen Phase der Kutikula haben. Welche Rolle die Hydrath{\"u}lle bei der Permeation tats{\"a}chlich spielt, ist allerdings noch unklar. Viele Aktivwirkstoffe liegen nur unter ganz bestimmten Bedingungen in geladener Form vor, w{\"a}hrend die Richtung der kontinuierlichen Nettoladung der Aminos{\"a}uren durch den pH Wert modifiziert wird. Damit kann der Einfluss verschiedener Ladungszust{\"a}nde auf die kutikul{\"a}re Permeation unter Verwendung eines einheitlichen Sets von Modellsubstanzen untersucht werden. Unter nat{\"u}rlichen Bedingungen sind Aminos{\"a}uren unter anderem auf Blattoberfl{\"a}chen zu finden, wo sie blattassoziierten Mikroorganismen eine profitable Nahrungsquelle bieten. Ob {\"a}ußere Faktoren f{\"u}r die Deposition dieser Recourcen verantwortlich sind, oder ob der Ursprung innerhalb des Blattgewebes liegt, wird kontrovers diskutiert. Die Sorption von Aminos{\"a}uren in isolierte Kutikularmembranen ist sehr gering, und korreliert - anders als bei lipophilen Substanzen - nicht mit dem Oktanol/Wasser Verteilungskoeffizienten. Das zeigt, dass der Verteilung von lipophilen und hydrophilen Substanzen innerhalb der Kutikula verschiedene Mechanismen zu Grunde liegen. Unter einer gegebenen Bedingung werden die kutikul{\"a}ren Leitwerte der Aminos{\"a}uren negativ vom Molvolumen beeinflusst. Zudem {\"u}bersteigt die L{\"a}nge des Permeationswegs die eigentliche Dicke der Membran um ein Vielfaches. Diese Zusammenh{\"a}nge kennzeichnen eine gehinderte Diffusion innerhalb einer engporigen und weit verzweigten Umgebung. Eine {\"A}nderung des pH Wertes wirkt sich in unterschiedlicher Form auf die Leitwerte von Wasser und Aminos{\"a}uren aus. Mit steigendem pH Wert erh{\"o}ht sich die Wasserpermeabilit{\"a}t isolierter Kutikularmembranen, was durch eine zunehmende, messbare Wassersorption in die Kutikula erkl{\"a}rt werden kann. Eine pH abh{\"a}ngige Dissoziation funktioneller Gruppen bewirkt eine Schwellung des polaren Weges, weshalb auch f{\"u}r die anionischen Aminos{\"a}uren bei pH 11 die h{\"o}chsten Leitwerte gemessen wurden. Die zwitterionischen Aminos{\"a}uren bei pH 6 wiesen hingegen die geringsten Leitwerte auf, was im Widerspruch zu der Beobachtung steht, dass bei pH 1 die geringste Wassersorption in die Kutikula stattfindet. Eine Erkl{\"a}rung hierf{\"u}r liefern die Hydrath{\"u}llen, die bei den zwitterionischen Aminos{\"a}uren am st{\"a}rksten und bei den anionischen Species am geringsten ausgepr{\"a}gt sind. Eine negative Korrelation aller gemessenen Aminos{\"a}ureleitwerte mit den entsprechenden hydratisierten Molvolumen zeigt eindeutig, dass die Hydrath{\"u}lle eine wichtige Gr{\"o}ße f{\"u}r die Permeation durch die Kutikula darstellt. Dabei nimmt der Leitwert einer hydrophilen Substanz mit definiertem Molvolumen mit kleiner werdender Hydrath{\"u}lle zu. Intakte Bl{\"a}tter wurden in fl{\"u}ssiges Wasser als Rezeptorl{\"o}sung getaucht, um steady-state Bedingungen aufrecht zu erhalten. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Permeabilit{\"a}ten von intakten Kutikularmembranen, die anhand der nat{\"u}rlichen Aminos{\"a}urekonzentration innerhalb der Bl{\"a}tter bestimmt wurden, in derselben Gr{\"o}ßenordnung liegen, wie die f{\"u}r isolierte Membranen gemessenen. Außerdem konnte ein Vergleich der Flussraten auf der Ober- und Unterseite der Bl{\"a}tter zeigen, dass die stomat{\"a}ren Poren nicht direkt in den Leachingprozess involviert sind.},
  subject      = {Permeation},
  language  = {de}
}
@article{StaigerSeufertArandetal.2019,
  author    = {Staiger, Simona and Seufert, Pascal and Arand, Katja and Burghardt, Markus and Popp, Christian and Riederer, Markus},
  title     = {The permeation barrier of plant cuticles: uptake of active ingredients is limited by very long-chain aliphatic rather than cyclic wax compounds},
  series = {Pest Management Science},
  volume    = {75},
  journal   = {Pest Management Science},
  number    = {12},
  doi       = {10.1002/ps.5589},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-204778},
  pages     = {3405-3412},
  year      = {2019},
  abstract  = {BACKGROUND: The barrier to diffusion of organic solutes across the plant cuticle is composed of waxes consisting of very long-chain aliphatic (VLCA) and, to varying degrees, cyclic compounds like pentacyclic triterpenoids. The roles of both fractions in controlling cuticular penetration by organic solutes, e.g. the active ingredients (AI) of pesticides, are unknown to date. We studied thepermeabilityof isolated leaf cuticularmembranes from Garcinia xanthochymus andPrunus laurocerasus for lipophilic azoxystrobin and theobromine as model compounds for hydrophilic AIs. RESULTS: The wax of P. laurocerasus consists of VLCA (12\%) and cyclic compounds (88\%), whereas VLCAs make up 97\% of the wax of G. xanthochymus.We showthat treating isolated cuticles with methanol almost quantitatively releases the cyclic fraction while leaving the VLCA fraction essentially intact. All VLCAs were subsequently removed using chloroform. In both species, the permeance of the two model compounds did not change significantly after methanol treatment, whereas chloroform extraction had a large effect on organic solute permeability. CONCLUSION: The VLCA wax fractionmakes up the permeability barrier for organic solutes, whereas cyclic compounds even in high amounts have a negligible role. This is of significance when optimizing the foliar uptake of pesticides.},
  language  = {en}
}