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START-Preisträgerin 2013
NOTBURGA GIERLINGER
OBERFLÄCHEN UND GRENZFLÄCHEN IN PFLANZEN:
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.