Vibrational spectroscopy as a tool to understand plant silicification

Abstract

Die Ablagerung von Siliziumdioxid ist ein verbreitetes Phänomen, das mit der Toleranz von Pflanzen gegenüber Belastungen korreliert. Die Pflanzen akkumulieren das amorphe Siliziumdioxid in mikroskopischen Partikeln, den Phytolithen, jedoch ist der exakte Mechanismus nicht vollständig aufgeklärt. Um ein besseres Verständnis über die Ablagerung von Siliziumdioxid zu erlangen, wurden verschiedene spektroskopische Techniken an Sorghumblättern und molekularen Modellen angewandt. Festkörper Kernspinresonanz und thermogravimetrische Analysen zeigen, dass die Siliziumdioxidstruktur von der Phytolithe-Extraktion abhängt. Basierend auf Raman- und IR-Daten einzelner Phytolithe lassen sich die Änderungen dieser Strukturen ermitteln. Das deutet auf unterschiedliche biologische Prozesse der Ablagerung des Siliciumdioxids hin. Die Pflanzengewebe in denen Siliciumdioxid abgelagert ist, wurden mit einem multimodalen Ansatz charakterisiert, welcher Fluoreszenz-, Hellfeld- und Rasterelektronenmikroskopie beinhaltet. Die chemische Zusammensetzung der Pflanzengewebe wurden mit Raman- und FTIR-Mikrospektroskopie kartiert. Ein neuartiger Ansatz zur Untersuchung von Pflanzengeweben wurde verwendet, basierend auf der optischen Nahfeldmikroskopie im mittleren IR-Bereich. Dieser ermöglicht eine kombinierte Analyse von mechanischen Materialeigenschaften sowie der chemischen Zusammensetzung und Struktur. Um die Rolle der organischen Matrix zu verstehen, wurden Modellverbindungen betrachtet, die die Ablagerung von Kieselsäure in den Pflanzen induzieren können. In-vitro-Reaktionen konnten eine gleichzeitige Präzipitation von Lignin und Siliciumdioxid sowie eine Polymerisation zusammen mit Peptiden simulieren. Die Ergebnisse lassen starke Wechselwirkungen zwischen diesen Verbindungen vermuten. Neben einem besseren Verständnis verschiedener Aspekte der Silifizierung von Pflanzen werden in dieser Arbeit neue Methoden zur Charakterisierung von Pflanzenproben vorgeschlagen.

Silica deposition is a common phenomenon that correlates with plant tolerance to various stresses. Plants accumulate amorphous silica in microscopic particles termed phytoliths, through yet unclear mechanisms. With the aim to gain better understanding of the processes that govern silica deposition, different vibrational techniques were used on sorghum leaves and molecular models to obtain chemical and structural information addressing different length scales. Solid-state Nuclear Magnetic Resonance and thermogravimetric analysis showed that phytolith extraction methods affect silica structure. Nevertheless, Raman and IR analysis of individual phytoliths revealed differences in the structure and composition between phytolith types, suggesting the existence of different biological pathways for silica deposition. The environment of sorghum tissues where silica is deposited was assessed using a multimodal approach consisting of fluorescence, brightfield and scanning electron microscopies, while chemical composition was mapped using Raman and Fourier transformed Infrared microspectroscopy. Scattering-type near-field optical microscopy in the mid-infrared region was used to characterize the plant tissues, in both fixed and native plant samples. The nano-IR images and the mechanical phase image enabled a combined probing of mechanical material properties together with the chemical composition and structure of both the cell walls and the phytolith structures. In vitro reactions simulating lignin-silica co-precipitation and silica polymerization with peptides revealed strong interaction between these compounds and silica, and their possible involvement in silica deposition in the plant. This thesis provides a better understanding of the chemical process that control plant silicification, suggests new methodologies to characterize plant samples, and evaluates the current methods used in plant science.