Pflanzen müssen Sonnenlicht ausgesetzt sein, um Kohlendioxid in Kohlenwasserstoffe umzuwandeln. Neben den benötigten blauen und roten Photonen gibt es auch Kugeln aus UV-B-Licht. UV-B kann biologisches Gewebe und DNA schädigen. Während die Ozonschicht das meiste UV-B absorbiert, gelangt genug an die Erdoberfläche, um ein Problem zu verursachen. Der erste Teil einer Pflanze, auf den UV-B trifft, ist die Kutikula, ein Film, der die Epidermis bedeckt. Während viel darüber gearbeitet wurde, wie die Kutikula den Wasserverlust reduziert, vor Krankheitserregern schützt oder eine Pflanze unterstützt, haben nur wenige Menschen untersucht, wie sie mit UV-B interagiert. Ana González Moreno und Kollegen haben eine Studie in veröffentlicht Nature Communications veröffentlicht , zeigt wie phenolische Verbindungen in der Kutikula eine Pflanze vor UV-B schützen können.
Phenole oder Phenole sind eine besondere Art organischer Verbindungen, die die Fähigkeit von Kohlenstoff, sich mit sich selbst zu verbinden, auf die Spitze treiben. Kohlenstoff kann lange Ketten bilden, die als Polymere bezeichnet werden, und ein Rückgrat aus Kohlenstoffatomen kann verschiedene chemische Gruppen enthalten, um komplexe Moleküle zu bilden. Phenole sind das, was passiert, wenn sich dieses Rückgrat in sich selbst zurückbiegt, um einen Ring zu bilden, wobei ein Teil des Rings eine Hydroxylgruppe (-OH) enthält.
González Moreno und Kollegen stellen fest, dass zwar viele Phenolsäuren in der Kutikula vorhanden sind, aber Cumarin-, Kaffee- und Ferulasäuren eine Acylgruppe haben, die entweder trans- oder cis-gebildet sein kann. Diese Kennzeichnung bedeutet, dass die Säuren die gleichen Atome haben, sich aber leicht in ihrer Anordnung unterscheiden.
Die Wissenschaftler verwendeten transiente Absorptionsspektroskopie, um zu sehen, wie diese phenolischen Verbindungen mit UV-B interagieren. Sie trafen eine Epidermis mit UV-B-Photonen und untersuchten, welches Licht die Epidermis als Antwort abgab. Das Team stellte fest, dass etwas Seltsames geschah, als UV-B auf die Phenole in der trans-Konfiguration traf.
„Die in der Kutikula vorhandenen Zimtsäuren haben eine aromatische Molekülstruktur, die mit einer Doppelbindung konjugiert ist, die Strahlung absorbiert, insbesondere im UV-B-Spektrum. Das Molekül absorbiert Energie und dreht sich sofort“, sagte Co-Autorin Eva Domínguez in einer Pressemitteilung.
Wenn UV-B auf das Molekül trifft, braucht es die Energie, um in eine neue Konfiguration zu schnappen. Diese Änderung ist extrem schnell. Die Messungen zeigen, dass es weniger als eine Millionstel Sekunde dauert. Wenn dies alles wäre, würden Pflanzen eine konstante Versorgung mit Phenolen als Schutzschild gegen neue UV-B-Photonen benötigen. Die neue Konfiguration ist jedoch nicht stabil, und diese Instabilität hilft der Anlage.
Das umkonfigurierte Molekül gibt die aus dem UV-Licht gewonnene Energie wieder ab, während es in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. In diesem Fall wird die Energie bei einer längeren Wellenlänge freigesetzt, wodurch das UV-Licht effektiv in Wärme umgewandelt wird, die viel weniger Schaden anrichtet. Sobald sich das Molekül zurückgesetzt hat, ist es bereit, ein weiteres UV-Photon zu absorbieren.
González Moreno und Kollegen schreiben, dass diese Phenolsäuren in Nagelhaut im gesamten Pflanzenreich auftauchen, mit p-Cumarsäure ist sehr verbreitet. Sie stellen auch fest, dass Paläontologen identifiziert haben p-Cumarsäure in fossilen Pflanzencuticula.
Was Verbindungen als Schutzschilde so nützlich macht, ist ihre Selektivität. Sie reagieren auf UV-Licht, aber nicht auf sichtbares Licht. Das bedeutet, dass die roten und blauen Photonen, die Pflanzen für die Photosynthese benötigen, passieren können.
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González Moreno, A., de Cózar, A., Prieto, P., Domínguez, E. und Heredia, A. (2022) „Strahlungsloser Mechanismus der UV-Deaktivierung durch Kutikulaphenole in Pflanzen“, Nature Communications, 13(1), https://doi.org/10.1038/s41467-022-29460-9
