Эпикутикулярный воск представляет собой восковой налет, покрывающий внешнюю поверхность кутикулы наземных растений . Он может образовывать беловатую пленку или налетать на листьях, плодах и других органах растения. Химически он состоит из гидрофобных органических соединений, в основном алифатических углеводородов с прямой цепью с множеством замещенных функциональных групп или без них . Основные функции эпикутикулярного воска – уменьшение смачивания поверхности и потери влаги. Другие функции включают отражение ультрафиолетового света, способствующее образованию ультрагидрофобной и самоочищающейся поверхности и действующее как поверхность, препятствующая подъему.
Обычными компонентами эпикутикулярного воска являются преимущественно алифатические углеводороды с прямой цепью , которые могут быть насыщенными или ненасыщенными и содержать множество функциональных групп, таких как -гидроксил , карбоксил и -кетоил в концевом положении. Это расширяет спектр состава воска до жирных кислот , первичных спиртов и альдегидов ; если замещение происходит в средней цепи, это приведет к образованию β - дикетонов и вторичных спиртов . [1] Другими основными компонентами эпикутикулярных восков являются длинноцепочечные н -алкановые кислоты, такие как C 24 , C 26 и C 28 . [2]
Эти воски могут состоять из множества соединений, которые различаются в зависимости от вида растений. Восковые трубочки и восковые пластинки часто имеют как химические, так и морфологические различия. Трубочки можно разделить на две группы; первый содержит в основном вторичные спирты, а второй - β -дикетоны. В тромбоцитах преобладают тритерпеноиды , алканы , альдегиды, сложные эфиры , вторичные спирты или флавоноиды . Однако химический состав не является диагностическим признаком канальца или тромбоцита, поскольку не определяет морфологию. [3]
Парафины встречаются , например, в листьях гороха и капусты . Листья карнаубской пальмы и банана содержат алкиловые эфиры. Асимметричный вторичный спирт 10-нонакозанол появляется в большинстве голосеменных растений , таких как гинкго двулопастный и ель ситкинская , а также во многих лютиковых , маковых и розоцветных , а также в некоторых мхах . Симметричные вторичные спирты обнаружены у Brassicaceae , включая Arabidopsis thaliana . Первичные спирты (чаще всего октакозан-1-ол ) встречаются в эвкалипте , бобовых и большинстве злаков Poaceae . Травы также могут содержать β-дикетоны, как и эвкалипт , самшит самшит и вересковые . Молодые листья бука , стебли сахарного тростника и плоды лимона содержат альдегиды. Тритерпены являются основным компонентом фруктовых восков яблок , слив и винограда . [1] [4] Циклические компоненты часто регистрируются в эпикутикулярных восках, как в Никотиане , но, как правило, являются второстепенными составляющими. Они могут включать фитостерины , такие как β-ситостерин , и пентациклические тритерпеноиды, такие как урсоловая кислота и олеаноловая кислота , и их соответствующие предшественники, α-амирин и β-амирин. [1]
Многие виды рода Primula и папоротников, такие как Cheilanthes , Pityrogramma и Notholaena , а также многие роды суккулентных растений Crassulaceae , производят мучнистый, беловатый или бледно-желтый железистый секрет, известный как фарина, который не является эпикутикулярным воском, а состоит из в основном из кристаллов другого класса полифенольных соединений, известных как флавоноиды. [5] В отличие от эпикутикулярного воска, фарина секретируется специализированными железистыми волосками , а не кутикулой всего эпидермиса. [5]
Эпикутикулярные воски при температуре окружающей среды в основном представляют собой твердые вещества с температурой плавления выше 40 ° C (100 ° F). Они растворимы в органических растворителях, таких как хлороформ и гексан , что делает их доступными для химического анализа, но у некоторых видов этерификация кислот и спиртов в эстолиды или полимеризация альдегидов могут привести к образованию нерастворимых соединений. Растворяющие экстракты восков для кутикулы содержат как эпикутикулярный, так и кутикулярный воски, часто загрязненные липидами клеточных мембран нижележащих клеток. Эпикутикулярный воск теперь также можно выделить механическими методами, которые отличают эпикутикулярный воск вне кутикулы растения от кутикулярного воска, встроенного в полимер кутикулы. [6] Как следствие, теперь известно, что эти два слоя химически различны, [7] хотя механизм, который разделяет молекулярные частицы на два слоя, неизвестен. Недавние исследования сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), атомно-силовой микроскопии (АСМ) и нейтронной рефлектометрии восстановленных восковых пленок обнаружили эпикутикулярные воски пшеницы; [8] состоит из поверхностных эпикутикулярных кристаллов и нижележащего пористого слоя фоновой пленки, который набухает при контакте с водой, что указывает на то, что фоновая пленка проницаема и восприимчива к переносу воды.
Эпикутикулярный воск может отражать ультрафиолетовый свет, например, белое меловое восковое покрытие Dudleya brittonii , которое имеет самую высокую отражательную способность к ультрафиолетовому свету (УФ) среди всех известных биологических веществ природного происхождения. [9]
Термин «сизоватый» используется для обозначения любой листвы, например, семейства Crassulaceae , которая кажется беловатой из-за воскового покрытия. Покрытия из эпикутикулярных флавоноидов можно назвать «фарина», а сами растения описываются как «мучные» или « мучные ». [10] : 51
Эпикутикулярный воск образует на поверхности растений кристаллические выступы, которые усиливают их водоотталкивающие свойства [11] , создают свойство самоочищения, известное как эффект лотоса [12] и отражают УФ- излучение. Форма кристаллов зависит от присутствующих в них восковых соединений. Асимметричные вторичные спирты и β-дикетоны образуют полые восковые нанотрубки , а первичные спирты и симметричные вторичные спирты образуют плоские пластины [13] [14] . Хотя они наблюдались с помощью просвечивающего электронного микроскопа [13] [15] и сканирующего электронного микроскопа [16]. ] процесс роста кристаллов никогда не наблюдался напрямую, пока Кох и его коллеги [17] [18] не изучили рост кристаллов воска на листьях подснежника ( Galanthus nivalis ) и других видов с помощью атомно-силового микроскопа . Эти исследования показывают, что кристаллы растут за счет расширения своих кончиков, что поднимает интересные вопросы о механизме транспорта молекул.
Эпикутикулярные воски извлекаются из наземной, морской и озерной среды, что позволяет экстрагировать биомаркеры растворителем, а затем качественно и количественно определять профили с помощью газовой хроматографии, масс-спектрометрии (ГХ-МС) и пламенно-ионизационного детектора ГХ (ГХ-ПИД). ГХ-МС и ГХ-ПИД предпочтительны для идентификации и количественного определения н -алканов и н -алкановых кислот. Анализ изотопного соотношения (GC-IRMS) измеряет относительное содержание углерода, водорода и других изотопов с высокой точностью. Соотношение изотопов углерода между углеродом-13 и углеродом-12 выражается как δ 13 C относительно международного стандарта. Соотношение изотопов водорода между дейтерием и протием выражается как δD относительно международного стандарта. [19]
[19] Эпикутикулярный воск использовался в качестве биомаркера для наблюдения за закономерностями эволюции человека. Эти липиды этих растительных восков были проанализированы при их извлечении из кернов океанов и озер , проектов бурения палеоозёр, археологических и геологических обнажений , пещерных отложений и антропогенных отложений . Эти данные дают представление об экологии растений в прошлом и стрессах окружающей среды , в частности, путем реконструкции ландшафтов с высоким таксономическим разрешением.
Эпикутикулярный воск δ 13 C является благоприятным биомаркером благодаря своим преимуществам: он не склонен к питанию, как биомаркеры зубной эмали , и более широко распространен, чем карбонаты палеопочв , которые смещены в зависимости от количества осадков. Этот маркер также может идентифицировать пути фотосинтеза C3 и C4 . Биосинтез этих липидов приводит к дальнейшему фракционированию , что приводит к уменьшению массы δ 13 C. Исследования стабильности изотопов , характеризующие диагенетический процесс, могут выявить изменение углерода и водорода посредством химической и микробной активности, но эти исследования часто дают неоднозначные результаты. Состояние сохранности растительного воска в почвах и отложениях до сих пор неизвестно из-за сложных взаимодействий в среде отложения, включая pH , микробные сообщества , щелочность , температуру и содержание кислорода/влаги.
δ 13 C растений высших порядков использовался на археологических памятниках голоцена и плейстоцена . Разнообразная среда современной Африки была проанализирована посредством интерпретации эпикутикулярных восковых прокси: от лесисто- луговой растительности (где гомолог C 31 наиболее распространен) до засушливых и полузасушливых регионов южной Африки (характеризующихся обилием C 29 ). Отложения палеоозера Туркана с востока (формация Варголо 3,45–3,4 млн лет назад) и запада (формация Начукуи 1,9–1,4 млн лет назад) позволяют предположить, что контролируемая прецессией летняя инсоляция является основным фактором гидрологии плиоцена и плейстоцена в бассейне. Вариации δD и δ 13 C в определенные даты совпадают с изменениями таких переменных, как эксцентриситет орбиты и орудия гоминидов . [19]
Эпикутикулярный воск и его преемники алифатические соединения также используются в качестве биомаркеров высших растений. Длинноцепочечные n -алкильные соединения из листьев сосудистых растений являются основными компонентами эпикутикулярных восков, которые устойчивы к деградации и, следовательно, являются эффективными биомаркерами для высших растений. Эти наземные биомаркеры также могут присутствовать в морских отложениях. Из-за отсутствия материала высших растений в водных средах наличие биомаркеров высших растений в этих экосистемах позволяет предположить, что эти биомаркеры были перенесены из их исходной наземной среды. Изотопный состав углерода, в частности, его значение δ 13 C, отражает их метаболизм и окружающую среду, поскольку 13 C дискриминируется во время фотосинтеза. [20]
