Die Kutikula ist die erste Panzerungslinie eines Blattes gegen die Umwelt. Isabel Molina und Kollegen waren es genaue Untersuchung der Kutikula erwachsener Maispflanzen. „Unsere Gruppe konzentriert sich darauf zu verstehen, wie Pflanzen schützende Lipidbarrieren produzieren, die sich an der Schnittstelle zur Umwelt ablagern“, sagte Molina. „Diese Barrieren sind die Kutikula von Trieben und Suberin (oder Kork) von Baumrinde, Wurzeln und Kartoffelschalen. Das Team hat einen Großteil seiner früheren Arbeiten an der gut charakterisierten Modellanlage durchgeführt Arabidopsis thaliana – eine Pflanze aus der Familie der Senfgewächse. Obwohl Arabidopsis in keiner Weise eine Kulturpflanze ist, ist sie für das Studium vieler Bereiche der Pflanzenbiologie sehr nützlich. Viele Arabidopsis Es gibt Mutanten, die Möglichkeiten bieten, Genprodukten – Enzymen und Proteinen (Transkriptionsfaktoren), die an den Wegen beteiligt sind, die zur Biogenese der Kutikula führen – Funktionen zuzuweisen. Die Möglichkeit, das technische Know-how und die wissenschaftlichen Erkenntnisse der Gruppe auf eine wichtige Kulturpflanze wie Mais anzuwenden, war natürlich sehr attraktiv. Wir wussten, dass wir einen wertvollen Beitrag leisten können.“
Die Kutikula ist ein wichtiger Teil der Pflanze, sagte Molina. „Alle Pflanzen und Tiere müssen durch Barrieren geschützt werden, die sie vor der Umwelt schützen. Ähnlich wie die Haut von Tieren ist die Kutikula eine wachsartige Schicht, die den oberirdischen Teil von Pflanzen bedeckt, wo sie Schutz vor Angriffen von Insekten und mikrobiellen Krankheitserregern, extremen Temperaturen und ultravioletter Strahlung und Austrocknung bietet. Aber die vielleicht wichtigste Rolle der Kutikula besteht darin, den Wasserverlust der Pflanze zu verhindern und Austrocknung zu verhindern. Die Kutikula besteht aus der äußersten Zellschicht, der Epidermis, und besteht aus Cutin, einem komplexen Lipid, das durch die Verknüpfung vieler Fettsäuren zu einem starken Polymer und Wachsen hergestellt wird. Neben anderen Nebenbestandteilen besteht das Wachs größtenteils aus verschiedenen Arten von Verbindungen, die lange Kohlenwasserstoffketten enthalten.“
Normalerweise beginnt man damit, sich die Blätter von Setzlingen anzusehen, aber stattdessen untersuchten Molina und Kollegen die erwachsene Pflanze. Die Untersuchung der erwachsenen Pflanzen war wichtig, zumal so viele andere Leute an jungen Pflanzen gearbeitet hatten. Molina sagte, dass jugendliche Blätter einen auffallenden Kontrast zu erwachsenen Blättern bildeten. „Voll entwickelte juvenile Blätter, die ersten 6 – 8 Blätter, die von der Pflanze produziert werden, weisen bei der Reife eine ganz andere Cuticula-Zusammensetzung auf als erwachsene Blätter. Zum Beispiel haben jugendliche Blätter eine dichte Beschichtung aus Wachskristallen, die erwachsenen Blättern fehlt. Auch Wachse aus reifen juvenilen Blättern werden von sehr langkettigen Alkoholen und Aldehyden dominiert, mit geringeren Anteilen an Alkanen und Estern. Die meisten jungen Blätter werden normalerweise während der Blüten- und Samenentwicklung abgebaut und fallen von der Pflanze ab, wenn Trockenstress den Getreideertrag am stärksten beeinträchtigt. Aus agronomischer Sicht ist dies zweifellos eine wichtigere Phase der Pflanzenlebensdauer, daher ist es auch unerlässlich, die Zusammensetzung/Struktur/Funktion der Kutikula in erwachsenen Blättern und ihre Rolle bei der Dürretoleranz gründlich zu untersuchen.“
Das Team wählte Blatt Nr. 8, das erste ausgewachsene Blatt, für seine Untersuchung aus. Wie die Forscher in ihrer Studie feststellten, wächst dieses Blatt von der Basis her, wodurch ein Entwicklungsgradient in den Zellen entlang des Blattes entsteht. Die Wasserbarriere bildet sich, sobald die Blattzellen ihr Wachstum einstellen, sodass auch die Entwicklung der Kutikula entlang des Blattes einen Gradienten aufweist. Dies sei keine Überraschung gewesen, so Molina, doch die Ergebnisse enthielten eine unerwartete Information. „Was die chemische Zusammensetzung angeht, erwarteten wir große Unterschiede zwischen den unteren, noch im Wachstum befindlichen Bereichen des Blattes und den oberen, am weitesten entwickelten Bereichen. Hält man das Blatt oder Teile davon in der Hand, werden diese Unterschiede deutlich sichtbar. Steifigkeit und Dicke nehmen mit zunehmender Blattlänge deutlich zu. Auch der Glanz der Oberfläche verändert sich entlang des Blattes. Überraschend war jedoch der hohe Gesamtwachsgehalt in den unteren Blattabschnitten – die Art der vorhandenen Wachse verändert sich mit zunehmender Blattlänge so stark. Strukturell betrachtet nimmt die Dicke der Kutikula zwischen 2–4 cm und 10 cm nur um etwa 33 % zu – darüber hinaus bleibt sie konstant. Blattsteifigkeit und -dicke hängen daher möglicherweise eher mit anderen strukturellen Faktoren als der Kutikula zusammen.“
Es sind die chemischen Unterschiede entlang des Blattes, die den Hinweis darauf geben, was in der Entwicklung passiert, sagte Molina. „Die Verknüpfung der chemischen Zusammensetzung, der beobachtbaren Struktur und der Wasserbarrierefunktion der Kutikula des erwachsenen Maisblatts führte uns zu dem Schluss, dass die Kutikula gleichzeitig zu einer effizienten Wasserbarriere wird, wenn ein Anstieg des Anteils an Wachsestern beobachtet wird und wann der Aufbau des Cutin-Polymers ist signifikant. Daher scheinen diese beiden Komponenten für die Wasserbarrierefunktion der Cuticula von erwachsenen Maisblättern entscheidend zu sein.“
Die chemischen Untersuchungen sind zwar wichtig, aber nur Teil eines größeren Projekts zur Erforschung von Mais und zur Unterstützung von Landwirten im Kampf gegen das zunehmende Dürrerisiko. Molina erklärte, dass noch viel Arbeit vor ihnen liege. „Diese Veröffentlichung beschreibt nur einen Teil eines größeren, laborübergreifenden Projekts, das großzügig von der National Science Foundation (USA) gefördert wurde. In naher Zukunft wollen wir auf den Grundlagen dieser Publikation aufbauen. Wir planen die Veröffentlichung einer Studie, die die Genexpression speziell in den Epidermiszellen entlang des in dieser Arbeit beschriebenen Entwicklungsverlaufs beschreibt. Es gibt eine Gruppe von etwa 500 etablierten Maissorten oder -linien mit großen Unterschieden in ihrer Dürretoleranz (Wasserverlust über die Wachstumsperiode).“
die Nagelhaut). Unter Ausnutzung der extremen genetischen Vielfalt, die in den vielen unterschiedlichen Linien von domestiziertem Mais vorhanden ist, werden wir Kandidatengene identifizieren, die mit der Funktion der Kutikula in Verbindung stehen, um erwachsene Blätter vor Austrocknung zu schützen.“
Durch die Identifizierung von Kandidatengenen, die für die Funktion der Kutikula wichtig sind, soll die Pflanzenzüchtung so gesteuert werden, dass sie widerstandsfähigere Pflanzen produziert, als Wasserknappheit bewältigen kann. Eine Pflanze, die ihre Wasserversorgung effizienter verwalten kann, ist eine Pflanze, die effizienter Photosynthese betreiben kann. Das bedeutet mehr Ertrag im Mais und weniger Schäden durch Wasserstress.
