Slippery surfaces of carnivorous pitcher plants (Nepenthaceae): physico-chemical properties and microscopic structure of epicuticular wax crystals in Nepenthes alata, N. albomarginata and N. intermedia

Pflanzen der Gattung Nepenthes decken einen erheblichen Anteil ihres Nährstoffbedarfs durch den Fang und die Verdauung tierischer Beute, insbesondere von Insekten. Als Fangorgane dienen kannenförmig umgewandelte Blattspreiten. Die Kanneninnenseiten sind in einer breiten Zone dicht mit epikutikulären Wachskristallen besetzt. Die Oberflächen dieser so genannten Gleitzone sind extrem rutschig für die meisten Insekten und spielen eine zentrale Rolle beim Fang und der Zurückhaltung der Beute in der Kanne. Frühere Untersuchungen beschrieben die Kristalle dabei als extrem fragil, wodurch diese unter der mechanischen Belastung eines Insekts leicht abrechen und somit der Kontakt zur Pflanzenoberfläche verloren geht. Um diese Hypothese zu überprüfen und den Mechanismus der Rutschigkeit verstehen zu können, hatte die vorliegende Arbeit zum Ziel, sowohl die strukturellen als auch die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Wachskristalle in den Kannen von drei Nepenthes-Arten vergleichend zu charakterisieren. Diese Eigenschaften können jedoch nur dann bewertet werden, wenn die chemische Zusammensetzung der Wachskristalle verlässlich bestimmt werden kann. Um die gaschromatographische Trennung und massenspektrometrische Analyse der Komponenten zu erleichtern, werden hydroxyl-haltige Verbindungen häufig durch eine Derivatisierung mit N,O-Bis(trimethylsilyl)trifluoracetamid (BSTFA) in die entsprechenden Trimethylsilyl-Ether bzw. -Ester überführt. Dabei können jedoch auch unerwünschten Nebenreaktionen carbonyl-haltiger Verbindungen auftreten, die eine quantitative Analyse der ursprünglichen Komponenten erschweren. Im ersten Teil dieser Arbeit ergab die Überprüfung der Derivatisierungsreaktion, dass aliphatische Aldehyde mit BSTFA zu cis-trans isomeren Alkenyl-Trimethylsilyl-Ethern und Alkenyl-Acetamid-Addukten reagierten. Weiterhin bildeten sich aus Aldehyden und primären Alkoholen unter den gegebenen Bedingungen, cis-trans isomere Alkenyl-Alkyl-Ether. Es konnte gezeigt werden, dass eine verlässliche und quantitative Bestimmung der ursprünglich vorhandenen Aldehyd- und Alkoholmengen nur unter einer Quantifizierung der in den resultierenden Nebenprodukten gebundenen Mengen möglich war. Im zweiten Teil dieser Arbeit zeigten rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen an den Gleitzonenoberflächen von drei Nepenthes-Arten, dass die epikutikulären Wachskristalle ein Netzwerk aus glattrandigen Plättchen bilden und senkrecht aus den Oberflächen herausstehen. Es wurden Methoden etabliert, die eine mechanische Präparation der Wachs-kristalle von den Gleitzonenoberflächen erlaubten. Dabei zeigten die Kristalle eine hohe strukturelle Integrität. Die Beprobungsstrategien erwiesen sich als selektiv für die epikutiku-lären Wachse und somit für die Schnittstelle der Pflanze-Insekten-Wechselwirkung. Die anschließenden chemischen Analysen zeigten deutliche Gradienten zwischen den Zusammen-setzungen der epikutikulären und intrakutikulären Wachskompartimente. Die epikutikulären Kristalle bestanden aus Mischungen aliphatischer Komponenten und waren von sehr lang-kettigen Aldehyden dominiert. Triacontanal war in allen Fällen die Hauptkomponente und weitgehend für die Kristallbildung verantwortlich. Diese Ergebnisse quantifizierten erstmalig direkt die Zusammensetzung epikutikulärer Wachskristalle und bestätigten die für deren Bildung ursprüngliche Hypothese einer spontanen Phasentrennung eines hochkonzentrierten Bestandteils. Die schlechte Löslichkeit der Kristalle von verschiedenen Nepenthes-Arten in Chloroform wies zudem darauf hin, dass sie polymere Formen der Aldehyde beinhalteten. Diese Vermutung konnte im dritten Teil dieser Arbeit durch ATR-FTIR-spektroskopische Untersuchungen bestätigt werden. Die Kombination dieser Analysetechnik mit einer der mechanischen Beprobungsstrategien zeigte, dass weder isolierte Kristalle, noch Kristalle auf nativen Oberflächen, monomere Aldehyde beinhalteten. Diese konnten jedoch durch Tempe-raturerhöhung oder Lösen in Chloroform unter erhöhter Temperatur freigesetzt werden. Auf Grund charakteristischer Absorptionseigenschaften, der molekularen Anordnung sowie dem Phasenverhalten der beteiligten Komponenten konnte geschlossen werden, dass die Aldehyde in nativen Kristallen in Form von Polyacetalen vorliegen. Dies lässt vermuten, dass die epikutikulären Wachskristalle dadurch nicht nur thermisch und chemisch, sondern auch mechanisch verstärkt werden. Werden alle Daten zusammengefasst, können die strukturellen sowie physikalisch-chemischen Eigenschaften der epikutikulären Wachskristalle auf den Gleitzonenoberflächen verschiedener Nepenthes-Arten im Kontext ihrer ökologischen Funktion neu beurteilt werden. Auf diesen Ergebnissen basierend kann die Hypothese aufgestellt werden, dass die Kristalle im Kräftebereich, den ein Haftorgan eines Insektes auf sie ausübt, mechanisch stabil sind und somit andere Mechanismen die Rutschigkeit verursachen.Plants in the genus Nepenthes obtain a substantial nutrient supply by trapping and digesting animal prey, especially insects. The trapping organs are highly modified leaf blades forming pitcher-like pitfalls. A broad zone of the inner surface of these traps is densely covered with epicuticular wax crystals. It was long known that these surfaces are extremely slippery for most insects and play a pivotal role in trapping and retaining of pray in the pitcher. Earlier investigations described the crystals as extremely fragile, breaking easily under the mechanical load of an insect and hence preventing contact to the plant surface. To test this hypothesis and to understand the mechanism of slipperiness, this work aimed to comparatively characterize the structural as well as the physico-chemical properties of the wax crystals in the pitchers of N. alata, N. albomarginata and N. intermedia. However, these properties can only be judged if the chemical composition of the crystals can be determined reliably. Cuticular waxes commonly represent complex mixtures of cyclic and aliphatic substances with different functional groups. To facilitate the gas chromato-graphic separation and mass spectrometric identification of the components, hydroxyl-containing compounds are often transformed into the corresponding trimethylsilyl ethers or esters by derivatization with N,O-bis(trimethylsilyl)trifluoroacetamide (BSTFA). During this reaction however, also undesired side products of carbonyl-containing compounds may occur, impeding a quantitative analysis of the original compounds. In the first part of this work the examination of the derivatization reaction showed that aliphatic aldehydes reacted with BSTFA to cis-trans isomeric alkenyltrimethylsilyl ethers and alkenylacetamide adducts. Furthermore, aldehydes formed cis-trans isomeric alkenylalkyl ethers with primary alcohols under the given conditions. It was shown that reliable and quantitative determinations of the original aldehyde and alcohol contents were only possible by quantification also of their amounts present in side products. In the second part of this work scanning electron microscopic studies on the inner surfaces of the pitchers revealed the crystals to form a network of entire platelets protruding perpen-dicularly from the surfaces. Methods for the mechanical preparation of the wax crystals were established in which the crystals showed a high structural integrity. The sampling strategies proved to be highly selective for the epicuticular wax material and hence, for the interface of the plant-insect interaction. The following chemical analyses revealed distinct gradients between the compositions of the epicuticular and intracuticular compartments. The epi-cuticular crystals consisted of a mixture of aliphatic components that was dominated by very long-chain aldehydes. In all cases, triacontanal was the major constituent and largely responsible for crystal formation. These results for the first time directly quantified the composition of epicuticular wax crystals and confirmed the original hypothesis that described crystal formation as a spontaneous phase separation of one highly concentrated constituent. The low solubility of the crystals from different Nepenthes species indicated moreover, that they contained polymeric forms of the aldehydes. This assumption could be verified by ATR-FTIR spectroscopic studies. The combination of this analytical technique with one of the mechanical sampling strategies showed that neither isolated crystals nor those crystals on native surfaces contained monomeric aldehydes. These however could be released by heating or dissolving the crystals in chloroform at elevated temperatures. From the characteristic absorption properties, the molecular arrangement as well as the phase behaviour of the involved components it was concluded that the aldehydes in native crystals existed as polyacetals. From this the epicuticular wax crystals are assumed not only to be reinforced thermally and chemically but also mechanically. Combining all data, the structural and physico-chemical properties of the epicuticular wax crystals on the slippery surfaces of different Nepenthes species can be newly judged with regard to their ecological function. Based on these results, it is hypothesized that the crystals are mechanically stable in the force range applied by an insect attachment device and therefore other mechanisms cause the slipperiness