CZYM POKRYTE SĄ ROŚLINY O KUTYKULI I WARSTWIE WOSKÓW EPIKUTYLARNYCH.pdf

Tom 56 2007

Numer 1–2 (274–275)

Strony 167–174

D ominik T omaszewski

Instytut Dendrologii PAN

Parkowa 5, 62-035 Kórnik

e-mail: dominito@man.poznan.pl

CZYM POKRYTE SĄ ROŚLINY? O KUTYKULI I WARSTWIE WOSKÓW

EPIKUTYKULARNYCH

Wręcz trudno sobie wyobrazić, jak wiel-

ka jest powierzchnia ciał roślin wyższych

kontaktująca się z atmosferą! Jak obliczo-

no, wynosi ona 1 200 000 000 km 2 , co ozna-

cza, że jest ośmiokrotnie większa niż obszar

wszystkich kontynentów (R ieDeReR i s chRei

beR 1995). Powierzchnię tę buduje, wydawa-

łoby się, niepozorna, dość cienka, ale bardzo

istotna dla rośliny struktura, epiderma. To

dzięki niej roślina kontaktuje się ze światem

zewnętrznym, to ona umożliwia odbieranie

i reagowanie na różnorodne czynniki fizycz-

ne i biologiczne. Światło, woda, ciepło, owa-

dy, grzyby czy zanieczyszczenia: wszystko to

wpływa na organizm. Biorąc więc pod uwagę

sumaryczną powierzchnię roślin na Ziemi, ła-

two zrozumieć, iż jest to struktura o ogrom-

nym znaczeniu w skali globalnej.

Epiderma to tkanka tworzona przez po-

wierzchniową warstwę komórek organów o

budowie pierwotnej. Cechą charakterystycz-

ną komórek epidermalnych jest obecność

kutykuli pokrywającej ich zewnętrzną ścianę

peryklinalną. Znajduje się ona na powierzch-

ni w zasadzie wszystkich organów nadziem-

nych roślin (w tym także roślin wodnych),

z wyjątkiem pędów drewniejących i miejsc

zranień (k eRsTiens 1996, h ejnowicz 2002).

Tworzy ona ciągłą warstwę na powierzch-

ni rośliny, a jedynymi miejscami, w których

owa ciągłość zostaje przerwana, są pory mię-

dzy komórkami szparkowymi (kutykula po-

krywa także listwy szparkowe). Sięga ona

także głębiej do wnętrza poru, a następnie

przechodzi w wyściółkę kutykularną na ko-

mórkach miękiszowych (h ejnowicz 2002);

tam jednakże zmienia się jej natura chemicz-

na (j effRee 1996).

Modele budowy kutykuli proponowane

były wielokrotnie (por. h olloway 1982a,

k uRczyńska 2002). Najbardziej trafny wyda-

je się jednak model przedstawiony przez j ef

fReego (1996). Zgodnie z nim na zewnątrz

od ściany komórkowej (Ryc. 1E, por. także

Ryc. 2) leży warstwa kutykularna (Ryc. 1D),

która zbudowana jest z substancji lipidowych

oraz polisacharydów (celuloza, pektyny).

Warstwę tę można podzielić na wewnętrzną

i zewnętrzną (odpowiednio bliżej i dalej ścia-

ny komórkowej). Podział ten nie ma charak-

teru uniwersalnego (nie znajduje zastosowa-

nia u wszystkich gatunków), a opiera się na

różnym stosunku substancji lipidowych do

polisacharydów: w części wewnętrznej prze-

ważają polisacharydy, w zewnętrznej — lipidy

(k uRczyńska 2002). Nad warstwą kutykular-

ną leży kutykula właściwa (Ryc. 1C), w któ-

rej nie występują już polisacharydy i która u

większości gatunków ma budowę warstwo-

waną. Udział wosków kutykularnych, w po-

równaniu z głębiej leżącymi warstwami, jest

w niej większy. Nad kutykulą właściwą znaj-

duje się warstwa wosku epikutykularnego,

często zbudowana z dwóch części. Kutykulę

właściwą pokrywa bezpośrednio amorficzny

film woskowy (Ryc. 1B), a na nim może wy-

stępować wosk w postaci bardziej uporząd-

kowanej, tzn. struktur semikrystalicznych lub

krystalicznych (Ryc. 1A). b aRThloTT i w ol

lenwebeR (1981) sugerowali, że struktury te

należałoby nazywać krystaloidami, ze wzglę-

du na ich formę zbliżoną do krystalicznej.

Ostatnie lata przyniosły nowe dane potwier-

dzające krystaliczną naturę przynajmniej nie-

których typów struktur woskowych (m eusel

i współaut. 2000a). U części roślin brak jest

168

D ominik T omaszewski

Ryc. 1. Model budowy kutykuli (wg j effReego

1996, zmieniona).

A — wosk epikutularny w postaci krystaloidów; B —

wosk epikutykularny w postaci amorficznego filmu;

C — kutykula właściwa; D — warstwa kutykularna; E

— wtórna ściana komórkowa).

nych. Polimer ten ma na ogół bardzo dużą

masę cząsteczkową, a tworzą go monomery

— pochodne kwasów alifatycznych o długości

łańcucha C 16 lub C 18 , połączone wiązaniami

estrowymi (h olloway 1982b, j effRee 1996).

Kutyna różnych gatunków roślin może od-

znaczać się specyficznym składem monome-

rów. Na jego podstawie dają się klasyfikować

różne typy kutyny, jednakże podział ten nie

ma zastosowania chemotaksonomicznego,

ponieważ rośliny należące do różnych, często

zupełnie ze sobą niespokrewnionych grup

mogą charakteryzować się podobnym skła-

dem jednostek tworzących ten biopolimer

(h olloway 1982b).

Kutan także jest biopolimerem, lecz jest

odporny na hydrolizę zasadową, która nor-

malnie rozrywa wiązania estrowe w kutynie.

Badania nad określeniem jego struktury do-

piero trwają i są źródłem wielu kontrowersji

(np. D eshmukh i współaut. 2005). Ostatnie

doniesienia sugerują, że występowanie ku-

tanu może być związane z przystosowaniem

roślin o fotosyntezie typu CAM (ang. crassu-

lacean acid metabolism) do życia w siedli-

skach, w których występuje niedobór wody

i konieczna jest wyjątkowo dobra ochrona

przed jej utratą (b oom i współaut. 2005).

Celuloza i pektyny tworzą polisacharydo-

wą sieć, którą wypełniają kutyna i woski. Im

bliżej komórki epidermalnej, tym udział po-

lisacharydów jest większy (Ryc. 2). W głęb-

szej części kutykula przechodzi w lamellę

pektynową, a ta w ścianę komórkową, choć

w dojrzałej epidermie lamelli może nie być,

zwłaszcza u gatunków o grubej kutykuli. La-

mella pektynowa jest ciągła z blaszką środko-

wą między ścianami antyklinalnymi (j effRee

1996).

Woski to szeroka grupa związków che-

micznych występujących w kutykuli i na jej

powierzchni, a ich cechą wspólną jest to,

że z macierzy utworzonej z kutyny, kutanu

i polisacharydów można je wyekstrahować

rozpuszczalnikami organicznymi. Ze wzglę-

du na umiejscowienie dzieli się je na woski

epikutykularne (znajdujące się na powierzch-

ni kutykuli) i intrakutykularne (wewnątrz

wspomnianej macierzy) (k eRsTiens 1996).

Woski te różnią się nie tylko miejscem wy-

stępowania, ale i składem chemicznym (j eT

TeR i współaut. 2000). Przez wiele lat bada-

nia chemiczne warstwy woskowej opierały

się na ocenie składu mieszaniny obu grup,

ponieważ podczas ekstrakcji rozpuszczalni-

kami organicznymi, np. chloroformem, wy-

płukiwane są wszelkie rozpuszczalne lipidy z

struktur woskowych; u nich warstwa wosku

epikutykularnego ogranicza się do amorficz-

nego, często bardzo cienkiego, filmu (b aRTh

loTT i współaut. 1998).

Szczególna budowa chemiczna kutykuli

umożliwia jej specyficzne funkcjonowanie, o

którym k eRsTiens (1996) pisał: „Kutykula jest

tak zaprojektowana, aby substancje rozpusz-

czone i wodę zatrzymywać wewnątrz, a wro-

gów na zewnątrz”.

Podstawowymi składnikami kutykuli

są: kutyna lub kutan [u różnych gatunków

stwierdzono obecność bądź samej kutyny,

bądź kutyny i kutanu, bądź samego kutanu

(j effRee 1996)], polisacharydy w postaci ce-

lulozy i pektyn oraz woski.

Kutyna nie jest nazwą konkretnego związ-

ku chemicznego, lecz odnosi się do rozbudo-

wanego biopolimeru, który występuje na ze-

wnętrznej powierzchni komórek epidermal-

Czym pokryte są rośliny?

169

Ryc. 2. Ultrastruktura zewnętrznej ściany pery-

klinalnej właściwej komórki epidermalnej i ku-

tykuli na stronie odosiowej liścia Salix alba .

k — kutykula; sf — substancje fibrylarne; śk — ściana

komórkowa; skala 0,4 μm).

dowie wosków, jednak wyniki późniejszych

badań zweryfikowały ten pogląd. Błąd obli-

czeń wynikał z faktu, że podczas prowadze-

nia analiz łatwo są one utleniane do kwasów

(b ianchi 1995). Jeśli natomiast występują w

formie spolimeryzowanej, zaniżony wynik

jest efektem metodycznych trudności w ich

ekstrakcji. W konsekwencji rzeczywisty ich

udział w budowaniu wosków może być zani-

żony nawet dziesięciokrotnie (h aas i współ-

aut. 2001);

— kwasy tłuszczowe występują w formie

związków o łańcuchach prostych i rozga-

łęzionych, nasyconych i nienasyconych (te

drugie przeważają). Ich procentowy udział w

tworzeniu wosków jest znaczny; u sorga do-

chodzi do 40%;

— diole rzadko spotyka się w formie wol-

nej, zazwyczaj występują ich formy zestryfi-

kowane w postaci diestrów lub estolidów;

— estry (monoestry, diestry, poliestry, es-

tolidy i glicerydy) występują powszechnie,

a ich udział w tworzeniu wosków może do-

chodzić nawet do 80%;

— β -diketony i podstawione β -diketony to

ważna grupa związków, której udział w ma-

sie wosku może sięgać nawet 67–80%;

— terpenoidy — postuluje się (o liveiRa i

współaut. 2003), że odgrywają istotniejszą

rolę w oddziaływaniu na owady żywiące się

liśćmi niż w tworzeniu bariery ograniczającej

transpirację przez kutykulę;

— związki fenolowe.

U wielu roślin obserwuje się zmiany w

składzie wosku epikutykularnego następujące

w czasie rozwoju badanych organów (g ülz i

b ooR 1992, g ülz i m ülleR 1992). Jak podaje

b ianchi (1995), różnice te można wyjaśnić:

(i) zmianami pór roku i pogody, (ii) faktem

powtórnego metabolizowania składników

utworzonych w początkowych stadiach roz-

wojowych, (iii) wykorzystywaniem w czasie

ontogenezy różnych dróg syntezy związków

tworzących woski. Należałoby dodać tu jesz-

cze jedną możliwość, a mianowicie wycofy-

wanie określonych grup związków do wnę-

trza kutykuli lub nawet głębiej, co sugerują

j eTTeR i s chäffeR (2001).

Istotne różnice w wykształcaniu i chemi-

zmie warstwy woskowej stwierdzono na od-

osiowej i doosiowej stronie liścia (j eTTeR i

współaut. 2000, g niwoTTa i współaut. 2005).

Zmiany ilościowe oraz jakościowe obserwu-

je się także u roślin uprawianych w różnych

warunkach (temperatura, natężenie światła,

UV-B, wilgotność, CO 2 ) (m aRTin i j unipeR

1970, h ull i współaut. 1975, g oRDon i p eR

całej kutykuli. W latach 80. XX w. wprowa-

dzono, stosowaną do dziś, analizę indywidu-

alną dzięki zastosowaniu metod fizycznej izo-

lacji obu warstw (R enTschleR 1982, e nsikaT i

współaut. 2000, j eTTeR i współaut. 2000, j eT

TeR i s chäffeR 2001, R ieDel i współaut. 2003,

g niwoTTa i współaut. 2005).

Skład chemiczny wosków kutykularnych

jest bardzo zróżnicowany, jednak związki je

tworzące można pogrupować w dziewięć

głównych klas (za: b ianchi 1995):

— węglowodory (n-alkany, alkany o łańcu-

chach rozgałęzionych i alkeny) to powszech-

nie występująca w woskach powierzchnio-

wych grupa związków, których udział tylko

w rzadkich przypadkach przekracza 50%

(np. u Prunus laurocerasus nawet 72–88%

(s TammiTTi i współaut. 1996, j eTTeR i współ-

aut. 2000)). Istnieją doniesienia sugerujące,

że związki odgrywają istotną rolę w ograni-

czaniu transpiracji przez kutykulę (o liveiRa i

współaut. 2003);

— alkohole pierwszorzędowe stanowią

grupę występującą powszechnie, a ich udział

w ogólnej masie wosku wynosi od ilości śla-

dowych do wartości przekraczających 60%;

— aldehydy początkowo uznawane były za

klasę związków o niewielkim udziale w bu-

170

D ominik T omaszewski

cy 1999, p ilon i współaut. 1999, v anhaTalo

i współaut. 2001, k och i współaut. 2006b).

Substancje woskowe na powierzchni ku-

tykuli mogą tworzyć nie tylko amorficzny

film, ale także przybierać różnorakie, czasem

bardzo skomplikowane i uporządkowane for-

my. Różnorodność tę próbowano wielokrot-

nie sklasyfikować. Najczęściej stosowana jest

klasyfikacja zaproponowana przez b aRThloT

Ta i współpracowników (1998), a opracowa-

na na podstawie analizy ok. 13 tysięcy gatun-

ków ze wszystkich głównych grup roślin na-

siennych. Propozycja obejmuje ok. 20 typów

tworów woskowych, pogrupowanych w trzy

główne zespoły: filmy (ang. films), warstwy

skorupiaste (ang. layers & crusts) oraz krysta-

loidy (ang. crystaloids).

Filmy definiowane są jako warstwy bar-

dzo cienkie (kilka nanometrów), niewykazu-

jące spękań podczas wysychania epidermy.

Warstwy skorupiaste są grubsze (ok. 0,5–10

μm), mogą mieć nierówną powierzchnię, a

niektóre pękają na mniejsze bloki. Autorzy

proponują trzy podgrupy: warstwy gładkie

(ang. smooth layers), skorupy (ang. crusts)

oraz warstwy pękające (ang. fissured layers).

Najbardziej rozbudowanym zespołem struk-

tur woskowych są krystaloidy. Cechują się

one swoistym kształtem, wielkością i zorien-

towaniem w stosunku do powierzchni, na

której się znajdują, mogą także tworzyć agre-

gaty lub zgrupowania. Również ta grupa zo-

stała podzielona, a wyróżniono w niej: grudki

(ang. granules), płytki i płyty (ang . platelets

and plates) (Ryc. 3), pręciki (ang. rodlets),

nici (ang. threads), rurki (ang. tubules) (Ryc.

4) i formy pośrednie.

Według tych samych autorów (b aRTh

loTT i współaut. 1998) agregacje i zgrupo-

wania zostały podzielone na dwie główne

grupy ze względu na podstawowe jednostki

je budujące, tzn. płytki i pręciki/rurki. Dla

agregacji i zgrupowań płytek zaproponowa-

no określenia: rozetki (ang. rosettes), płytki

w szeregach (ang. parallel platelets), płytki

w rzędach (ang. parallel grouped/stacked

platelets), a dla pręcików/rurek: kępki rurek

(ang. clusters of tubules), kępki pręcików

(ang. clusters of rodlets) oraz pręciki złączo-

ne wzdłużnie (ang. longitudinally aggregated

rodlets).

Struktura warstwy woskowej u roślin

jest także związana ze składem chemicznym

substancji ją tworzących (w eTTsTein k now

les von 1995, b aRThloTT i współaut. 2003).

Najlepiej udowodniony jest związek pomię-

dzy formą rurkowatą wosku (ang. tubules) i

Ryc. 3. Wosk epikutykularny w formie płytek

na powierzchni odosiowej strony liścia dębu

omszonego ( Quercus pubescens ) (skala 10 μm).

wysoką zawartością nonakosan-10-olu (b aR

ThloTT i współaut. 1998).

Jak dotąd nie jest znany dokładny prze-

bieg procesu transportu wosku na po-

wierzchnię organu rośliny, choć istnieją pró-

by wyjaśnienia tego zjawiska. Jedna z teorii

zakłada istnienie mikrokanałów w kutykuli,

którymi substancje lipidowe miałyby się wy-

dostawać na zewnątrz, jednakże brak jed-

noznacznych dowodów na obecność takich

struktur (j effRee 1996). Odkryto także, naj-

pierw w wosku epikutykularnym brokuła,

białka transportujące lipidy (LTP), które mia-

łyby być odpowiedzialne za transport tych

związków poza kutykulę, ale i ten mecha-

nizm nie jest do końca udowodniony (k unsT

i s amuels 2003, b eRgel i współaut. 2004).

Bardzo ciekawą hipotezę wyjaśniającą mecha-

nizm pojawiania się wosku epikutykularnego

na powierzchni rośliny zaproponował zespół

niemieckich naukowców (n einhuis i współ-

aut. 2001). Autorzy, przeprowadziwszy serię

pomysłowo zaprojektowanych doświadczeń,

postulują, że transport cząsteczek tworzących

wosk epikutykularny odbywa się przez kuty-

kulę wraz z wodą i towarzyszy transpiracji

Czym pokryte są rośliny?

171

Ryc. 4. Powierzchnia igły cisa pospolitego ( Ta-

xus baccata ) pokryta splątanymi rurkami wo-

skowymi (skala 5 μm).

niż formy pierwotnie występujące na liściu

(n einhuis i współaut. 2001).

Autorzy wielu prac dowodzą (np. k och

i współaut. 2004, n einhuis i współaut. 2001,

patrz także Kurczyńska 2002), że na po-

wierzchnię kutykuli woski transportowane są

w postaci monomerów, które dopiero tam łą-

czą się i krystalizują. Za taką samoorganizacją

substancji je tworzących mogą przemawiać

wyniki prac na temat rekrystalizacji wosków

w warunkach in vitro , choć, niestety, nie

zawsze w wyniku tego procesu otrzymywa-

no ten sam typ struktur (j effRee i współaut.

1975). Wiadomo, że składnik dominujący w

mieszaninie nie musi być odpowiedzialny

za kształt rekrystalizującej struktury; wpływ

mają także dodatkowe związki (występujące

w mniejszych ilościach), a także inne, nie-

określone bliżej czynniki (j effRee i współaut.

1976; m eusel i współaut. 1999, 2000b), przy

czym dowiedziono, że ważną rolę w organi-

zowaniu się molekuł tworzących krystaloidy

odgrywa także podłoże, na którym zachodzi

krystalizacja (k och i współaut. 2006a).

Na wyników podstawie prac analizują-

cych funkcje kutykuli i wosków (k eRsTiens

1996, m ülleR i R ieDeReR 2005) można stwier-

dzić że:

— zmniejszają straty wody i substancji

znajdujących się w apoplaście. Wydaje się,

że grubość kutykuli powinna negatywnie ko-

relować z możliwościami przenikania wody

przez kutykulę, jednak badania dowodzą, że

tak nie jest (R ieDeReR i s chReibeR 2001). Oka-

zało się, że w przepuszczalności kutykuli dla

wody decydującą rolę odgrywa struktura wo-

sków intrakutykularnych: wewnątrz kutykuli

znajdują się liczne poziome warstwy wosku

w postaci krystalicznej, a pomiędzy nimi

wosk amorficzny; dyfuzja cząsteczek wody

może zachodzić tylko w strefie amorficznej

(R ieDeReR i s chReibeR 1995, v ogg i współaut.

2004);

— tworzą mechaniczną barierę zmniej-

szającą możliwości penetracji przez strzęp-

ki grzybów i zgryzania przez owady, a tak-

że wpływają na mechaniczne właściwości

powierzchni rośliny, co utrudnia owadom

przemieszczanie się po niej (j unipeR 1995;

e igenbRoDe 1996, 2004; f eDeRle i współaut.

1997; e igenbRoDe i j eTTeR 2002; g oRb i g oRb

2002). Utrudnienia te powodują, że rośliny o

liściach gładkich są silniej atakowane przez

owady niż te o liściach pokrytych woskiem

w formie krystaloidów (m ülleR i R ieDeReR

2005). Powierzchnia pokryta specyficzny-

mi strukturami woskowymi wykorzystywana

kutykularnej. Zjawisko to nosi nazwę destyla-

cji z parą wodną i dotyczy związków o wy-

sokiej temperaturze wrzenia, które są słabo

rozpuszczalne bądź wręcz nierozpuszczalne

w wodzie, a więc takich, jakie na ogół two-

rzą warstwę woskową u roślin. To mogłoby

tłumaczyć, dlaczego wosk nie pojawia się na

powierzchni organów zanurzonych u roślin

wodnych oraz dlaczego zaczyna się pojawiać

na młodej blaszce liściowej dopiero wów-

czas, gdy obie jej połówki przestają się stykać

i może zachodzić transpiracja kutykularna.

Wydzielanie wosku jest procesem szyb-

kim. Dowodzą tego doświadczenia nad rege-

neracją utraconej warstwy wosków epikuty-

kularnych. W eksperymentach tych wykaza-

no, że pierwsze oznaki pojawienia się nowej

porcji wosku można zaobserwować już kilka-

dziesiąt minut po całkowitym usunięciu sta-

rej warstwy (k och i współaut. 2004).

Regeneracja wosków epikutykularnych za-

chodzi w różny sposób u różnych roślin. Jest

możliwa w czasie wzrostu liścia lub po jego

zakończeniu, może też nie zachodzić wcale.

Na ogół regeneracja nie jest pełna, a krysta-

loidy mogą mieć odmienną mikromorfologię

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: