PFLANZENOBERFLÄCHEN UND GRENZFLÄCHEN: Lignin, Suberin und Cutin

Beim Übergang der Pflanzen vom Wasser zum Land spielten komplexe phenolische Verbindungen (Lignin, Extraktstoffe) und natürliche Polyester (Cutin, Suberin) eine wichtige Rolle, da sie neue Grenzflächen und Oberflächen mit hydrophobisierenden Eigenschaften ermöglichten. Um in den sehr vielfältigen Lebensräumen zu überleben entwickelten sich durch Adaptionen verschiedenartigste Pflanzenkörper mit hoch spezialisierten Gewebe- und Zelltypen, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und verschiedene Funktionen erfüllen. Das wird erreicht durch eine sich ändernde Zusammensetzung und Struktur auf den verschiedenen hierarchischen Ebenen (mm-µm-nm Bereich). Trotz prinzipieller Kenntnisse besteht immer noch eine große Wissenslücke bezüglich Polymerisation der hydrophobisierenden Inhaltsstoffe, sowie deren Verteilung, Zusammensetzung und Struktur auf Mikro- und Nanoebene. Daher soll in diesem Projekt mit Hilfe von Raman-Mikroskopie (Raman-Imaging) die chemische Zusammensetzung auf Mikroebene untersucht werden. Dabei wird mit einem Laserstrahl ein Mikrotomschnitt abgerastert und die Frequenzunterschiede zum eingestrahlten Licht aufgezeichnet. Diese charakteristischen Energien von Molekülschwingungen des Materials erlauben daher Rückschlüsse auf die molekulare Struktur (chemische Zusammensetzung) auch in Abhängigkeit von der Position. Jedes Raman-Image basiert auf Tausenden von Spektren, wovon jedes ein molekularer Fingerabdruck auf Mikroebene ist. Derzeit gelingt es nur einen Teil der chemischen und strukturellen Informationen aus den Raman-Spektren zu extrahieren. Durch das im Projekt erworbene Wissen über die Raman-Signatur der Pflanzen sowie ihrer Einzelkomponenten und die Anwendung neuer multivariater Datenanalyse-Methoden werden mehr Informationen zugänglich gemacht werden. Chemische und strukturelle Unterschiede können so mit einer räumlichen Auflösung von ≈ 0.3µm (Beugungsbegrenzung der mikroskopischen Auflösung) werden. Um gleichzeitig die Nanostruktur und –mechanik aufzuklären wird dieselbe Region mit einer scharfen Spitze(tip) eines Rasterkraftmikroskops (AFM) abgescannt. Eine Kombination beider Methoden (Tip enhanced Raman-Spektroskopie) soll die Entschlüsselung der chemischen Zusammensetzung auf der Nano-Ebene ermöglichen. Mit diesen anspruchsvollen Methoden werden wir 1) die Lignifizierung innerhalb der nativen Zellwand verfolgen und ungelöste Fragen rund um die Lignin Polymerisation angehen, 2) die Chemie und Struktur der Tracheiden und Gefäßwände auf Mikro-und Nano-Ebene und etwaige Auswirkungen auf die hydraulischen und mechanischen Eigenschaften aufklären, 3) die Mikrochemie und Nanostruktur von Cuticula und Periderm und ihren Einfluss auf die Barriereeigenschaften entschlüsseln und 4) beantworten ob und wenn ja wie sich Trockenstress auf der Mikro- und Nanoebene widerspiegelt. Neue Einblicke in die Variabilität, Verteilung und Zusammensetzung der Pflanzenpolymere und den Einfluss von Trockenstress werden gewonnen und wichtige Struktur-Funktions-Beziehungen aufgeklärt. Diese wissenschaftlichen Erkenntnisse sind gewinnbringend für die Botanik, Pflanzenbau, Forstwirtschaft und Holzwirtschaft sowie eine optimierte Nutzung der pflanzlichen Rohstoffe und können neue biomimetische Ansätze (Lernen von der Natur) inspirieren.