STRUCTURE, OPTICAL AND SPECTRAL CHARACTERISTICS OF EPICUTICULAR WAX OF BLUE SPRUCE NEEDLES

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

A method for separating clean plates of epicuticular wax has been proposed. The use of water, which can penetrate deeply into wax structures under the influence of van der Waals forces and expand upon freezing, allows to quickly obtain uncontaminated wax plates with a native structure without any third-party chemical impurities. Using scanning electron microscopy, images of blue spruce ( Picea pungens Engelm.) needle wax were obtained. Its morphological and structural characteristics have been determined. A distinctive feature is the presence of wax nanotubules with a characteristic diameter of ~150 nm and a length of 3-5 μm. Nanotubes lie on top of each other in stacks, forming a one-dimensional long-period lattice. Microscopic observations of the wax were made in reflected and transmitted light. It has been shown that the coating of blue spruce needles consists of microparticles of wax with a structural color. In a wide spectral range, individual particles change color from blue to red, as a result, large conglomerates of particles are white. Fluorescence spectra of needles with native wax cover and the same needles after wax removal were obtained. When comparing the width of fluorescence lines at half-height of blue spruce needles with and without wax, the influence of the wax layer on the lifetime of excited electrons in photosystem II was revealed, thereby establishing a connection between the wax cover and the process of photosynthesis. Using the matrix transfer method, transmission spectra were calculated for a lattice similar to a waxy structure, a chloroplast, and a combination of a waxy structure with a chloroplast. In the latter version, the long-wave zone of selective reflection is much wider than in individual cases. When examining a structure containing a chloroplast and epicuticular wax, there is a slight splitting of the stop zone, as if there were a defect, which contributes to a high concentration of energy at the site of splitting. Due to an increase in energy concentration, the density of photonic states at the corresponding wavelengths increases. This effect is important for photosynthesis because, according to Fermi’s golden rule, the rate of reaction is proportional to the density of photonic states. The calculation results are in good agreement with the experimental spectra.

Авторлар туралы

E. Bukhanov

Krasnoyarsk Science Centre of the Siberian Branch of Russian Academy of Science, L. V. Kirensky Institute of Physics, Russian Academy of Science, Siberian Branch; Krasnoyarsk Science Centre of the Siberian Branch of Russian Academy of Science

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: k26tony@ya.ru
Krasnoyarsk, Russian Federation; Krasnoyarsk, Russian Federation

A. Shefer

Krasnoyarsk Science Centre of the Siberian Branch of Russian Academy of Science

Email: shefer.ad@ksc.krasn.ru
Krasnoyarsk, Russian Federation

A. Shabanov

Krasnoyarsk Science Centre of the Siberian Branch of Russian Academy of Science, L. V. Kirensky Institute of Physics, Russian Academy of Science, Siberian Branch

Email: alexch_syb@mail.ru
Krasnoyarsk, Russian Federation

Yu. Gurevich

Krasnoyarsk Science Centre of the Siberian Branch of Russian Academy of Science

Email: btchem@mail.ru
Krasnoyarsk, Russian Federation

M. Krakhalev

Krasnoyarsk Science Centre of the Siberian Branch of Russian Academy of Science, L. V. Kirensky Institute of Physics, Russian Academy of Science, Siberian Branch

Email: kmn@iph.krasn.ru
Krasnoyarsk, Russian Federation

Әдебиет тізімі

  1. Буханов Е. Р., Коршунов М. А., Шабанов А. В. Оптические процессы в фотосинтезе // Сиб. лесн. журн. 2018. № 5. С. 19-32
  2. Буханов Е. Р., Шабанов А. В., Крахалев М. Н., Волочаев М. Н., Гуревич Ю. Л. Влияние строения на оптические свойства эпитикулярного воска голубой ели (Picea pungens) // Уч. зап. физ. ф-та Моск. ун-та. 2019. № 5
  3. Буханов Е. Р., Волочаев М. Н., Пятина С. А. Фотоника хлоропластов растений // Изв. РАН. Сер. физ. 2023. Т. 87. № 10. С. 1458-1462
  4. Ветров С. Я., Тимофеев И. В., Шабанов В. Ф. Локализованные моды в хиральных фотонных структурах // Успехи. физ. наук. 2020. Т. 190. № 1. С. 37-62
  5. Коршунов М. А., Шабанов А. В., Буханов Е. Р., Шабанов В. Ф. Влияние длиннопериодической упорядоченности в структуре растений на первичные стадии фотосинтеза // ДАН. 2018. Т. 478. № 3. С. 280-283
  6. Шабанов А. В., Коршунов М. А., Буханов Е. Р. Исследование электромагнитного поля в одномерных фотонных кристаллах с дефектами // Комп. опт. 2017. Т. 41. № 5. С. 680-686
  7. Barthlott W. Scanning electron microscopy of the epidermal surface in plants // Scanning electron microscopy in taxonomy and functional morphology / D. Claugher (Ed.). New York: Oxford Univ. Press, 1990. P. 69-94
  8. Barthlott W., Neinhuis C., Cutler D., Ditsch F., Meusel I., Theisen I., Wilhelmi H. Classification and terminology of plant epicuticular waxes // Bot. J. Linnean Soc. 1998. V. 126. Iss. 3. P. 237-260
  9. Bi H., Kovalchuk N., Langridge P., Tricker P. J., Lopato S., Borisjuk N. The impact of drought on wheat leaf cuticle properties // BMC Plant Biol. 2017. V. 17. N. 1. Article number: 85. 13 p
  10. Bianchi G. Plant waxes In: Waxes: chemistry, molecular biology and functions / R. J. Hamilton (Ed.). Dundee, Scotland: Oily Press, 1995. P. 175-222
  11. Bukhanov E. R., Volochaev M. N., Pyatina S. A. Photonics of plant chloroplasts // Bull.Rus. Acad. Sci.: Phys. 2023. V. 87. N. 10. P. 1488-1492 (Original Rus. text © E. R. Bukhanov, M. N. Volochaev, S. A. Pyatina, 2023, publ. in Izv. RAN. Ser. Fiz. 2023. V. 87. N. 10. P. 1458-1462)
  12. Dora S. K. Real time recrystallization study of 1, 2 dodecanediol on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) by tapping mode atomic force microscopy // World J. Nano Sci. Engineer. 2017. V. 7. N. 1. P. 1-15
  13. Dora S. K., Wandelt K. Recrystallization of tubules from natural lotus (Nelumbo nucifera) wax on a Au (111) surface // Beilstein J. Nanotechnol. 2011. V. 2. Iss. 1. P. 261-267
  14. Dora S. K., Koch K., Barthlott W., Wandelt K. Kinetics of solvent supported tubule formation of Lotus (Nelumbo nucifera) wax on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) investigated by atomic force microscopy // Beilstein J. Nanotechnol. 2018. V. 9. Iss. 1. P. 468-481
  15. Dragota S., Riederer M.Comparative study on epicuticular leaf waxes of Araucaria araucana, Agathis robusta and Wollemia nobilis (Araucariaceae) // Austral. J. Bot. 2008. V. 56. Iss. 8. P. 644-650
  16. Ensikat H. J., Neinhuis C., Barthlott W. Direct access to plant epicuticular wax crystals by a new mechanical isolation method // Int. J. Plant Sci. 2000. V. 161. N. 1. P. 143-148
  17. Ensikat H. J., Boese M., Mader W., Barthlott W., Koch K. Crystallinity of plant epicuticular waxes: electron and X-ray diffraction studies // Chem. Phys. Lipids. 2006. V. 144. Iss. 1. P. 45-59
  18. Grant R. H., Heisler G. M., Gao W., Jenks M. Ultraviolet leaf reflectance of common urban trees and the prediction of reflectance from leaf surface characteristics // Agr. For. Meteorol. 2003. V. 120. Iss. 1-4. P. 127-139
  19. Guo J., Xu W., Yu X., Shen H., Li H., Cheng D., Liu A., Liu J., Liu C., Zhao S., Song J. Cuticular wax accumulation is associated with drought tolerance in wheat near-isogenic lines // Front. Plant Sci. 2016. V. 7. Article 01809. 10 p
  20. Harrington C. A., Carlson W. C. Morphology and accumulation of epicuticular wax on needles of Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii var. menziesii) // Northwest Sci. 2016. V. 89. Iss. 4. P. 401-408
  21. Holmes M. G., Keiller D. R. Effects of pubescence and waxes on the reflectance of leaves in the ultraviolet and photosynthetic wavebands: a comparison of a range of species // Plant, Cell Environ. 2002. V. 25. Iss. 1. P. 85-93
  22. Koch K., Barthlott W., Koch S., Hommes A., Wandelt K., Mamdouh W., De-Feyter S., Broekmann P. Structural analysis of wheat wax (Triticum aestivum, c. v. ‘Naturastar’ L.): from the molecular level to three dimensional crystals // Planta. 2006a. V. 223. Iss. 2. P. 258-270
  23. Koch K. A., Dommisse A., Barthlott W. Chemistry and crystal growth of plant wax tubules of lotus (Nelumbo nucifera) and nasturtium (Tropaeolum majus) leaves on technical substrates // Crystal Growth & Design. 2006b. V. 6. N. 11. P. 2571-2578
  24. Korshunov M. A., Shabanov A. V., Bukhanov E. R., Shabanov V. F. Effect of long-period ordering of the structure of a plant on the initial stages of photosynthesis // Dokl. Phys. 2018. V. 63. P. 1-4 (Original Rus. Text © M. A. Korshunov, A. V. Shabanov, E. R. Bukhanov, V. F. Shabanov, 2018, publ. in Dokl. Akad. Nauk. 2018. V. 478. N. 3. P. 280-283)
  25. Kunst L., Samuels A. S. Biosynthesis and secretion of plant cuticular wax // Progr. Lipid Res. 2003. V. 42. Iss. 1. P. 51-80
  26. Lee D. Nature’s palette: The science of plant color. Chicago: Univ. Chicago Press, 2010. 432 p
  27. Poinern G. E. J., Le X. T., Fawcett D. Superhydrophobic nature of nanostructures on an indigenous Australian eucalyptus plant and its potential application // Nanotechnol., Sci. Appl. 2011. V. 4. Iss. 1. P. 113-121
  28. Reicosky D. A., Hanover J. M. Physiological effects of surface waxes: I. Light reflectance for glaucous and nonglaucous Picea pungens // Plant Physiol. 1978. V. 62. Iss. 1. P. 101-104
  29. Thomas K. R., Kolle M., Whitney H. M., Glover B. J., Steiner U. Function of blue iridescence in tropical understorey plants //j. Royal Soc.Interface. 2010. V. 7. Iss. 53. P. 1699-1707
  30. Vetrov S. Ya., Timofeev I. V., Shabanov V. F. Localized modes in chiral photonic structures // Physics-Uspekhi. 2020. V. 63. N. 1. P. 33-56 (Original Rus. text © S. Ya. Vetrov, I. V. Timofeev, V. F. Shabanov, 2020, publ. in Usp. Fiz. Nauk, Rus. Acad. Sci. 2020. V. 190. N. 1. P. 37-62)
  31. Vignolini S., Moyroud E., Glover B. J., Steiner U. Analysing photonic structures in plants //j. Royal Soc.Interface. 2013. V. 10. Iss. 87. P. 1-9
  32. Walton T. J. Waxes, cutin and suberin // Methods in plant biochemistry. V. 4: Lipids, membranes and aspects of photobiology /j. L. Harwood and J. Boyer (Eds.). San Diego, CA: Acad. Press, 1990. P. 105-158
  33. Weaver J. M., Lohrey G., Tomasi P., Dyer J. M., Jenks M. A., Feldmann K. A. Cuticular wax variants in a population of switchgrass (Panicum virgatum L.) // Industr. Crops and Products. 2018. V. 117. P. 310-316

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».