TY  - THES
A1  - Niemann, Sylvia
T1  - Seed Coat Permeability of Active Ingredients
T1  - Permeabilität von Samenschalen für Aktivsubstanzen
N2  - The seed coat is the barrier controlling exchange of solutes between the plant embryo and its environment. This exchange is of importance for example in the uptake of germination inhibitors or in the uptake of agrochemicals applied as seed treatment. A thorough understanding of the basic mechanisms underlying solute permeation across the seed coat would help to improve the effectiveness of seed treatment formulations. In seed treatment formulations, additives can be used to enhance or decrease mobility or uptake of the active ingredient (AI). In the present study the seed coat barrier properties and the seed coat permeation process was examined with the model species Pisum sativum and with a set of model solutes. The lipophilic fraction of the seed coat was analysed by gas chromatography and mass spectrometry and it was found that the total lipophilic compartment of the seed coat represents 0.61 % of the weight of a swollen seed coat. The seed is covered by a lipophilic cuticle. The seed coat coverage with cuticular waxes is ten to 18-fold lower than wax coverage of pea leaves, though. In order to examine sorption of solutes in the small lipophilic compartment of the seed coat, seed coat/water partition coefficients were determined. These cover a much smaller range than the corresponding n-octanol/water partition coefficients. The lipophilic sorption compartment as calculated from the seed coat/water partition coefficient data is smaller than the analysed total lipophilic compartment of the seed coat since not all of the lipid components can act as sorption compartment. During seed swelling, the pea seed nearly doubles its weight. The uptake of water is driven by the very low water potential of the dry seed and controlled by the seed coat hydraulic conductivity both of which increase during seed swelling. Depending on the available form of water, water uptake can take place by diffusion from air humidity or by mass flow from liquid water. Water uptake by a seed in moist sand takes place by a combination of both uptake mechanisms. The basic transport mechanism underlying solute permeation of seed coats was analysed by steady-state experiments with a newly devised experimental setup. The permeance P for permeation of the set of model compounds across isolated seed coat halves ranged from 3.34 x 10-8 m s-1 for abamectin to 18.9 x 10-8 m s-1 for caffeine. It was found that solute permeation across the seed coat takes aqueous pathways. This was concluded from the facts that molar volume instead of lipophilicity of the solutes determine permeation and that the temperature effect on permeation is very small. This is in contrast to typical leaf and fruit cuticular uptake where lipophilic pathways dominate. Solute uptake across the seed coat can take place by two different mechanisms both of which take aqueous pathways. Uptake can be by diffusion and in the presence of a bulk flow of water driven by a water potential difference also by solvent drag. The presence of the solvent drag uptake mechanism shows that the aqueous pathways form an aqueous continuum across the seed coat. These findings indicate that the seed coat covering cuticle does not form a continuous barrier enclosing the seed. In order to examine solute uptake across the seed coat under conditions close to a situation taking place in the field, the process of uptake of a seed treatment AI in the field was simulated. In the situation of a treated seed in the field, the seed treatment residue dissolves and then the AI can move either into the surrounding soil or across the seed coat into the seed. Uptake across the seed coat can take place either by diffusion or during seed swelling by the solvent drag mechanism. Since the seed treatment residue depletes over time, non-steady-state uptake takes place. To simulate these processes, laboratory scale seed treatment methods were established to produce treated seeds and isolated treated seed coat halves. Experimental setups for non-steady-state uptake experiments were established with whole treated seeds and with isolated treated seed coat halves as simplified screening tool. By modelling of the AI uptake as a first-order process the rate constant k and the final relative uptake amount Mt→∞ M0-1 were obtained. With k and Mt→∞ M0-1 a quantification and comparison of the uptake curves was possible. Both in the experiments with whole treated seeds and with isolated treated seed coats, uptake of metalaxyl-M was much faster than uptake of sedaxane. In the uptake of a seed treatment AI, not only the solute's molar volume but also its water solubility determine uptake. The solute's water solubility is important for dissolution of the AI from the seed treatment residue and thus determines availability of the AI for uptake. Water solubility also controls the possible concentration in solution and thus the driving force for diffusive uptake. Furthermore, the AI amount taken up by solvent drag is determined by concentration in the inflowing water and thus by water solubility. In the experiments with whole treated seeds the additive effects on uptake were smaller than in the experiments with isolated treated seed coats or not significant. Adigor functions as an emulsifier and can lead to a slight increase of AI mobilisation from the seed treatment residue. NeoCryl A-2099 can cause a slowed down release of the AI from the seed treatment residue. The effects of both additives were smaller than the effect caused by different AI physico-chemical properties. Therefore, the most important factor determining uptake of a seed treatment AI are the AI's physico-chemical properties, especially its water solubility.
N2  - Die Samenschale fungiert als Barriere, welche den Stoffaustausch zwischen dem pflanzlichen Embryo und seiner Umgebung kontrolliert. Dieser Stoffaustausch ist beispielsweise bei der Aufnahme von keimungshemmenden Substanzen oder aufgebeizten Pestiziden von Bedeutung. Ein besseres Verständnis des zugrundeliegenden Mechanismus bei der Permeation über die Samenschale wäre hilfreich für die Optimierung von Beizmittelformulierungen. Bei der Formulierung von Beizprodukten kann die Mobilität oder Aufnahme der Wirkstoffe je nach Bedarf durch Zugabe von Additiven beschleunigt oder verlangsamt werden. In der vorliegenden Arbeit wurden daher die Barriereeigenschaften der Samenschale und der Permeationsprozess über die Samenschale anhand der Modellpflanze Pisum sativum und mit einem Set von Modellsubstanzen untersucht. Die lipophile Fraktion der Samenschale wurde mittels Gaschromatographie und Massenspektrometrie analysiert. Hierdurch konnte ermittelt werden, dass das komplette lipophile Kompartiment der Samenschale 0.61 % des Gewichtes ausmacht. Die Samenschale wird, wie es auch bei Blättern der Fall ist, von einer lipophilen Kutikula bedeckt. Die Bedeckung mit kutikulären Wachsen ist bei Erbsensamen allerdings zehn- bis 18-fach geringer als bei Blättern von Erbsenpflanzen. Um die Sorption von Substanzen in dem kleinen lipophilen Kompartiment der Samenschale zu untersuchen, wurden Samenschale/Wasser Verteilungskoeffizienten bestimmt. Diese erfassen einen sehr viel kleineren Größenbereich als die entsprechenden n-Oktanol/Wasser Verteilungskoeffizienten. Das lipophile Sorptionskompartiment, welches mittels der Samenschale/Wasser Verteilungskoeffizienten berechnet wurde, ist kleiner als das analysierte lipophile Kompartiment, da nicht alle analysierten lipophilen Samenschalenbestandteile als Sorptionskompartiment fungieren können. Bei der Quellung von Erbsensamen kommt es nahezu zu einer Verdoppelung des Gewichtes. Die Wasseraufnahme wird durch das sehr niedrige Wasserpotential des trockenen Samens angetrieben und über die hydraulische Leitfähigkeit der Samenschale kontrolliert, wobei beide während der Quellung ansteigen. Je nachdem in welcher Form das verfügbare Wasser vorliegt kann die Wasseraufnahme durch Diffusion aus Luftfeuchte oder über einen Massenfluss aus flüssigem Wasser erfolgen. Ein Same in feuchtem Sand nimmt Wasser mittels einer Kombination beider Mechanismen auf. Der zugrunde liegende Transportmechanismus in der Substanzpermeation über Samenschalen wurde mit einem neu entwickelten Versuchsaufbau in Steady-State Versuchen analysiert. Der Leitwert P für die Permeation der Modellsubstanzen lag hierbei zwischen 3.34 x 10-8 m s-1 für Abamectin und 18.9 x 10-8 m s-1 für Koffein. Die Substanzpermeation über die Samenschale verläuft über wässrige Permeationswege. Dies wurde daraus geschlossen, dass das molare Volumen anstelle der Substanzlipophilie den Leitwert bestimmt und dass der Temperatureffekt auf die Permeation klein ist. Dies ist im Gegensatz zur typischen Permeation über die Kutikeln von Blättern und Früchten, welche meist über lipophile Wege verläuft. Substanzaufnahme kann durch zwei verschiedene Mechanismen über die wässrigen Wege durch die Samenschale stattfinden. Aufnahme kann sowohl durch Diffusion stattfinden oder, in Gegenwart eines Volumenflusses von Wasser welcher durch eine Wasserpotentialdifferenz angetrieben wird, auch durch den solvent drag Mechanismus. Das Vorhandensein des solvent drag Aufnahmemechanismus beweist, dass die wässrigen Wege in der Samenschale ein wässriges Kontinuum durch die Samenschale bilden. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Kutikula, welche der Samenschale aufliegt, keine kontinuierliche Barriere um den Samen bildet. Um den Aufnahmeprozess von Substanzen unter anwendungsnahen Bedingungen zu untersuchen, wurde die Aufnahme eines aufgebeizten Pflanzenschutzmittelwirkstoffes im Feld in Versuchen simuliert. In der Situation eines gebeizten Samens im Feld löst sich der Beizrückstand an und der Wirkstoff kann sich entweder in Richtung umgebender Erde oder über die Samenschale in das Sameninnere bewegen. Die Aufnahme über die Samenschale kann mittels Diffusion oder durch den solvent drag Mechanismus erfolgen. Da der Beizmittelrückstand auf der Samenoberfläche mit der Zeit verarmt, liegt eine non-steady-state Aufnahmesituation vor. Um diese Prozesse zu simulieren, wurden Versuchsaufbaue für non-steady-state Versuche mit ganzen gebeizten Samen sowie als vereinfachtes Modell mit isolierten gebeizten Samenschalen etabliert. Indem die gemessene Wirkstoffaufnahme als Prozess erster Ordnung modelliert wurde, konnten die Geschwindigkeitskonstante k sowie die finale relative Aufnahmemenge Mt→∞ M0-1 berechnet werden. Mit k und Mt→∞ M0-1 konnten dann die Aufnahmekurven quantifiziert und verglichen werden. Sowohl in den Versuchen mit ganzen gebeizten Samen als auch in den Versuchen mit isolierten gebeizten Samenschalen war die Aufnahme von Metalaxyl-M um ein Vielfaches schneller als die Aufnahme von Sedaxane. Bei der Aufnahme von einem Beizmittelwirkstoff über die Samenschale spielt nicht nur das molare Volumen des Wirkstoffes eine Rolle, sondern auch seine Wasserlöslichkeit. In den Versuchen mit ganzen gebeizten Erbsen war der Effekt der Additive kleiner als in den Versuchen mit isolierten gebeizten Schalen oder nicht signifikant. In beiden Fällen war der Additiv-Effekt kleiner als der Effekt, der durch die Unterschiede in den Substanzeigenschaften hervorgerufen wurde. Daher sind die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Wirkstoffes, insbesondere seine Wasserlöslichkeit, die wichtigsten Faktoren welche die Aufnahme in den gebeizten Samen bestimmen.
KW  - Samenschale
KW  - Permeation
KW  - Saatgutbeizung
KW  - seed coat
KW  - permeation
KW  - seed treatment
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-79585
ER  - 
TY  - THES
A1  - Arand, Katja
T1  - Charakterisierung hydrophiler Permeationswege in der pflanzlichen Kutikula anhand der Permeationseigenschaften ionischer Aminosäuren
T1  - Characterisation of the hydrophilic pathway in plant cuticles by means of permeation properties of hydrophilic, ionic amino acids.
N2  - Um sich vor dem Austrocknen zu schützen, haben Pflanzen eine Transpirationsbarriere entwickelt, die als Membran alle primären, oberirdischen Pflanzenteile überzieht. Diese so genannte Kutikula besteht hauptsächlich aus den lipophilen Komponenten Kutin und Wachs und reduziert so effektiv den Verlust von Wasser und wasserlöslichen Nährstoffen aus dem Blattinneren. Trotzdem ist sie nicht vollständig undurchlässig, und so können Wasser und gelöste Substanzen wie organische und anorganische Nährstoffe, Pestizide oder Umweltchemikalien die Kutikula in beiden Richtungen permeieren. Dabei ist offensichtlich, dass die zu Grunde liegenden Transportmechanismen den Ernährungszustand der Pflanzen, die Effizienz von Pestiziden und die Wirkung von Umweltchemikalien beeinflussen. Ein genaues Verständnis der Transportprozesse auf denen die kutikuläre Permeation basiert, kann helfen die Wirkweise von blattapplizierten Dünge- und Pflanzenschutzmitteln zu optimieren, indem gezielt Wirk- oder Zusatzstoffe modelliert werden können, welche die Aufnahme steigern. In der vorliegenden Arbeit sollte deshalb der Einfluss physiko-chemischer Eigenschaften von hydrophilen Verbindungen auf die kutikuläre Permeation untersucht werden. Nicht zuletzt wegen ihrer strukturellen Ähnlichkeit mit den blattapplizierten Herbiziden Glufosinat und Glyphosat wurden Aminosäuren als Modellsubstenzen ausgewählt. Die verwendeten Aminosäuren sind gut wasserlöslich, wobei alle Oktanol/Wasser Verteilungskoeffizienten kleiner als 1 sind. Zusätzlich liegen alle Aminosäuren in gelöster Form als Ionen vor, was zu einer Hydratisierung der Moleküle führt. Es wird spekuliert, dass hydratisierte Moleküle keinen Zugang zur lipophilen Phase der Kutikula haben. Welche Rolle die Hydrathülle bei der Permeation tatsächlich spielt, ist allerdings noch unklar. Viele Aktivwirkstoffe liegen nur unter ganz bestimmten Bedingungen in geladener Form vor, während die Richtung der kontinuierlichen Nettoladung der Aminosäuren durch den pH Wert modifiziert wird. Damit kann der Einfluss verschiedener Ladungszustände auf die kutikuläre Permeation unter Verwendung eines einheitlichen Sets von Modellsubstanzen untersucht werden. Unter natürlichen Bedingungen sind Aminosäuren unter anderem auf Blattoberflächen zu finden, wo sie blattassoziierten Mikroorganismen eine profitable Nahrungsquelle bieten. Ob äußere Faktoren für die Deposition dieser Recourcen verantwortlich sind, oder ob der Ursprung innerhalb des Blattgewebes liegt, wird kontrovers diskutiert. Die Sorption von Aminosäuren 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 kutikulären Leitwerte der Aminosäuren negativ vom Molvolumen beeinflusst. Zudem übersteigt die Länge des Permeationswegs die eigentliche Dicke der Membran um ein Vielfaches. Diese Zusammenhänge kennzeichnen eine gehinderte Diffusion innerhalb einer engporigen und weit verzweigten Umgebung. Eine Änderung des pH Wertes wirkt sich in unterschiedlicher Form auf die Leitwerte von Wasser und Aminosäuren aus. Mit steigendem pH Wert erhöht sich die Wasserpermeabilität isolierter Kutikularmembranen, was durch eine zunehmende, messbare Wassersorption in die Kutikula erklärt werden kann. Eine pH abhängige Dissoziation funktioneller Gruppen bewirkt eine Schwellung des polaren Weges, weshalb auch für die anionischen Aminosäuren bei pH 11 die höchsten Leitwerte gemessen wurden. Die zwitterionischen Aminosäuren 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 Erklärung hierfür liefern die Hydrathüllen, die bei den zwitterionischen Aminosäuren am stärksten und bei den anionischen Species am geringsten ausgeprägt sind. Eine negative Korrelation aller gemessenen Aminosäureleitwerte mit den entsprechenden hydratisierten Molvolumen zeigt eindeutig, dass die Hydrathülle eine wichtige Größe für die Permeation durch die Kutikula darstellt. Dabei nimmt der Leitwert einer hydrophilen Substanz mit definiertem Molvolumen mit kleiner werdender Hydrathülle zu. Intakte Blätter wurden in flüssiges Wasser als Rezeptorlösung getaucht, um steady-state Bedingungen aufrecht zu erhalten. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Permeabilitäten von intakten Kutikularmembranen, die anhand der natürlichen Aminosäurekonzentration innerhalb der Blätter bestimmt wurden, in derselben Größenordnung liegen, wie die für isolierte Membranen gemessenen. Außerdem konnte ein Vergleich der Flussraten auf der Ober- und Unterseite der Blätter zeigen, dass die stomatären Poren nicht direkt in den Leachingprozess involviert sind.
N2  - In order to overcome the risk of withering, all primary, aerial plant parts are bordered against the atmosphere with a transpiration barrier membrane, the so called cuticle. It is mainly composed of the lipophilic compounds cutin and waxes and therefore ensure an essentially reduction of uncontrolled loss of water and water soluble metabolites from plant tissues. Nevertheless, the cuticle is partially permeable for water and solutes like organic and inorganic nutrients, pesticides or environmental chemicals, and the flow can occur in both directions. It is obvious, that the basic transport processes are important for the survival of plants, agricultural success or environmental pollution. Therefore, the knowledge of the meachanisms, underlying cuticular permeation, can improve the effectiveness of foliar applied nutrients and pesticides, in the way of modelling ideal active ingredients or additives to enhance cuticular uptake. In the present study aminio acids were used as model compounds to understand the influence of the physico-chemical properties of hydrophilic solutes on cuticular permeability. This is not only because of their structural similarity to foliar applied herbicides like glyphosate and glufosinate. Amino acids are water soluble with octanol/water partition coefficients always smaller than 1 and they carry charges. The resulting hydration of the molecules renders them insoluble in the waxy layer of the cuticle and therefore the actual role of the associated hydration shell for cuticular permeation is still questionable. In contrast to many active ingredients, which are ionised only under certain conditions, the continuous net charge of amino acids is modified by pH. This provides an insight into the effect of anionic, zwitterionic and cationic properties on cuticular permeability by using the same set of solutes. Furthermore, amino acids are frequently found on leaf surfaces where leaf associated microorganisms benefit from their nutritional significance. It is still controversial, if amino acids originate from airborne particles or from the underlying leaf tissue. The sorption of amino acids into isolated cuticular membranes was very low and cuticle/water partition coefficients were not correlated to octanol/water partition coefficients, as is true for lipophilic solutes. This proves the existence of two different mechanisms for cuticular penetration of lipophilic and hydrophilic solutes. Under a given condition, permeances were determined by the molar volume of the amino acids and the pathway was much longer than the membrane thickness, which indicates a hindered diffusion in a porous and tortuous environment. Permeances for water and amino acids were affected by pH but in different ways. The water permeance increased with increasing pH which can be explained by a higher water sorption caused by dissociation of weak acidic groups within the cuticle above pH 6. Due to the maximum swelling of the pathway at pH 11 amino acid permeances were highest for the anionic form. Surprisingly, permeances were lowest for the zwitterionic species at intermediate pH and not for the cationic amino acids at pH 1 where the least water sorption occurs. The reason becomes obvious, when - next to the molar volume of the amino acids - the hydration shell is taken into account. Since the zwitterionic species at pH 6 possess the biggest and the anionic amino acids the smallest hydration shells, overall permeances are well correlated with the hydrated molar volume. Thus, it was shown that the hydration shell plays an important role in cuticular permeability in the way that smaller hydration shells favour an increase in permeances, given that the molar volume of the “naked” molecule remain constant. One exception was found for the amino acid permeability of isolated rose cuticles at pH 1. The fact, that under this condition, permeances are partially controlled by octanol/water partition coefficient shows clearly, that the lipophilic and the hydrophilic pathway are not strictly separated from each other. Amino acids with large lipophilic side chains can also benefit from partitioning within the lipophilic phase of the cuticle. It is still a matter of debate, if permeation experiments with isolated cuticular membranes reflect the real situation in intact plants, because isolation processes could alter cuticular properties. To proof the authority of this set up, additional leaching experiments were performed with intact leafs. It was shown that permeances of intact cuticles, which were driven by the natural amino acid content in the leaf tissue, are in deed in the same order of magnitude as for isolated cuticular membranes, when liquid water was used as receiver. Furthermore, a comparison between fluxes from the upper and the lower leaf side showed that stomatal pores are not directly involved into the leaching process.
KW  - Permeation
KW  - Aminosäuren
KW  - Kutikula
KW  - Efeu
KW  - pH-Wert
KW  - Rose
KW  - Hydrathülle
KW  - Amino acids
KW  - aqueous pathways
KW  - hydration
KW  - permeability
KW  - plant cuticle
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-49954
ER  -