Эпикутикулярный воск — это воскообразное покрытие, которое покрывает внешнюю поверхность кутикулы растений у наземных растений . Он может образовывать беловатую пленку или налет на листьях, плодах и других органах растений. Химически он состоит из гидрофобных органических соединений, в основном линейных алифатических углеводородов с различными замещенными функциональными группами или без них . Основные функции эпикутикулярного воска — уменьшение смачивания поверхности и потери влаги. Другие функции включают отражение ультрафиолетового света, помощь в формировании ультрагидрофобной и самоочищающейся поверхности и действие в качестве противозаползающей поверхности.
Обычные компоненты эпикутикулярного воска — это преимущественно алифатические углеводороды с прямой цепью , которые могут быть насыщенными или ненасыщенными и содержать различные функциональные группы, такие как -гидроксил , карбоксил и -кетоил в терминальном положении. Это расширяет спектр состава воска до жирных кислот , первичных спиртов и альдегидов ; если замещение происходит в середине цепи, это приведет к β - дикетонам и вторичным спиртам . [1] Другими основными компонентами эпикутикулярных восков являются длинноцепочечные н- алкановые кислоты, такие как C24 , C26 и C28 . [ 2]
Эти воски могут состоять из множества соединений, которые различаются между видами растений. Восковые трубочки и восковые пластинки часто имеют как химические, так и морфологические различия. Трубочки можно разделить на две группы: первая в основном содержит вторичные спирты, а вторая содержит β -дикетоны. Тромбоциты либо состоят из тритерпеноидов , алканов , альдегидов, эфиров , вторичных спиртов или флавоноидов . Однако химический состав не является диагностическим признаком трубочки или тромбоцита, поскольку он 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 встречается в большинстве голосеменных, таких как гинкго билоба и ель ситхинская, а также во многих лютиковых , маковых и розоцветных и некоторых мхах . Симметричные вторичные спирты встречаются в капустных, включая Arabidopsis thaliana . Первичные спирты (чаще всего октакозан-1-ол ) встречаются в эвкалипте , бобовых и большинстве злаковых . Злаки также могут содержать β-дикетоны, как и эвкалипт , самшит и вересковые . Молодые листья бука , стебли сахарного тростника и плоды лимона содержат альдегиды. Тритерпены являются основным компонентом восков плодов яблок , слив и винограда . [1] [4] Циклические компоненты часто регистрируются в эпикутикулярных восках, как в Nicotiana, но, как правило, являются второстепенными компонентами. Они могут включать фитостеролы, такие как β-ситостерол , и пентациклические тритерпеноиды, такие как урсоловая кислота и олеаноловая кислота , а также их соответствующие предшественники, α-амирин и β-амирин. [1]
Многие виды рода Primula и папоротники, такие как Cheilanthes , Pityrogramma и Notholaena , а также многие роды суккулентных растений семейства Crassulaceae , производят мучнистый, беловатый или бледно-желтый железистый секрет, известный как фарина, который не является эпикутикулярным воском, но в основном состоит 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 в основном являются твердыми веществами при температуре окружающей среды с температурой плавления выше примерно 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 может привести к образованию нерастворимых соединений. Экстракты растворителей кутикулярных восков содержат как эпикутикулярные, так и кутикулярные воски, часто загрязненные липидами клеточных мембран нижележащих клеток. Эпикутикулярный воск теперь также можно выделить механическими методами, которые отличают эпикутикулярный воск снаружи кутикулы растения от кутикулярного воска, встроенного в полимер кутикулы. [6] Как следствие, теперь известно, что эти два вещества химически различны, [7] хотя механизм, который разделяет молекулярные виды на два слоя, неизвестен. Недавние исследования с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), атомно-силовой микроскопии (АСМ) и нейтронной рефлектометрии на восстановленных восковых пленках обнаружили пшеничные эпикутикулярные воски; [8] состоит из поверхностных эпикутикулярных кристаллов и нижележащего пористого фонового слоя пленки, который подвергается набуханию при контакте с водой, что указывает на то, что фоновая пленка проницаема и восприимчива к транспортировке воды.
Эпикутикулярный воск может отражать ультрафиолетовый свет, как, например, белый, меловой восковой налет Dudleya brittonii , который имеет самую высокую отражательную способность ультрафиолетового света (УФ) среди всех известных природных биологических веществ. [9]
Термин «сизый» используется для обозначения любой листвы, например, листвы семейства толстянковых , которая кажется беловатой из-за воскового покрытия. Покрытия эпикутикулярных флавоноидов могут называться «фаринными», а сами растения описываются как «мучнистые» или « мучнистые ». [10] : 51
Эпикутикулярный воск образует кристаллические выступы на поверхности растения, которые усиливают их водоотталкивающие свойства, [11] создают свойство самоочищения, известное как эффект лотоса [12], и отражают УФ- излучение. Формы кристаллов зависят от присутствующих в них восковых соединений. Асимметричные вторичные спирты и β-дикетоны образуют полые восковые нанотрубки , в то время как 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 растущие кристаллы воска на листьях подснежника ( Galanthus nivalis ) и других видов с помощью атомно-силового микроскопа . Эти исследования показывают, что кристаллы растут путем расширения от своих кончиков, поднимая интересные вопросы о механизме транспорта молекул.
Эпикутикулярные воски извлекаются из наземных, морских и озерных сред, что позволяет проводить экстракцию биомаркеров растворителем, а затем качественное и количественное профилирование с помощью газовой хроматографии и масс-спектрометрии (ГХ-МС) и пламенно-ионизационного детектора ГХ (ГХ-ПИД). ГХ-МС и ГХ-ПИД являются предпочтительными для идентификации и количественного определения н -алканов и н -алкановых кислот. Анализ изотопных соотношений (ГХ-ИРМС) измеряет относительное содержание углерода, водорода и других изотопов с высокой точностью. Изотопное соотношение углерода выражается между углеродом-13 и углеродом-12 как δ 13 C относительно международного стандарта. Изотопное соотношение водорода между дейтерием и протием выражается как δD относительно международного стандарта. [19]
[19] Эпикутикулярный воск использовался в качестве биомаркера для наблюдения за моделями эволюции человека. Эти липиды этих растительных восков были проанализированы при извлечении из океанических и озерных кернов, проектов бурения палеоозеров, археологических и геологических обнажений , пещерных отложений и человеческих отложений . Эти данные дают представление о прошлой экологии растений и экологических стрессах , в частности, путем реконструкции ландшафтов с высоким таксономическим разрешением.
Эпикутикулярный воск δ 13 C является благоприятным биомаркером из-за своих преимуществ: он не склонен к питанию, как биомаркеры зубной эмали , и более распространен, чем палеосолевые карбонаты, которые склонны к смещению в зависимости от количества осадков. Этот маркер также может идентифицировать фотосинтетические пути C 3 и C 4 . Биосинтез этих липидов приводит к дальнейшему фракционированию , что приводит к более легкому объему δ 13 C. Исследования стабильности изотопов , характеризующие диагенетический процесс, могут идентифицировать 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 осадочных средах, включая pH , микробные сообщества , щелочность , температуру и содержание кислорода/влаги.
δ 13 C растений высшего порядка использовался на археологических объектах голоцена и плейстоцена . Разнообразные среды в современной Африке были проанализированы с помощью интерпретации эпикутикулярных восковых прокси, от лесистой травянистой растительности (где гомолог C 31 наиболее распространен) до засушливых и полузасушливых регионов южной Африки (характеризующихся обилием C 29 ). Палеоозёрные отложения Турканы с востока (формация Варголо 3,45-3,4 млн лет) и запада (формация Начукуи 1,9-1,4 млн лет) предполагают, что летняя инсоляция, контролируемая прецессией, является основным фактором плиоценовой и плейстоценовой гидрологии в бассейне. Дисперсия δD и δ 13 C в определенные даты совпадают с изменениями в таких переменных, как орбитальный эксцентриситет и орудия гоминидов . [19]
Эпикутикулярный воск и его последующие алифатические соединения также используются в качестве биомаркеров для высших растений. Длинноцепочечные н -алкильные соединения из листьев сосудистых растений являются основными компонентами эпикутикулярных восков, которые устойчивы к деградации и, таким образом, являются эффективными биомаркерами для высших растений. Эти наземные биомаркеры также могут присутствовать в морских отложениях. Из-за отсутствия материала высших растений в водных условиях присутствие биомаркеров высших растений в этих экосистемах предполагает, что эти биомаркеры были перенесены из их первоначальной наземной среды. Изотопный состав углерода, в частности, их значение δ 13 C, отражает их метаболизм и окружающую среду, поскольку 13 C дискриминируется во время фотосинтеза. [20]
