Ποικιλομορφία κρυστάλλων οξαλικού ασβεστίου στα Κακτοειδή

---

Δημοσίευση: 10 Φεβρουαρίου 2019

Εισαγωγή

Το ενδιαφέρον για τους κρυστάλλους οξαλικού ασβεστίου των φυτών είναι μακροχρόνιο και έχει επικεντρωθεί στις μορφές (σχήματα), τη θέση μέσα στο σώμα του φυτού, την ανάπτυξη και την υπερδομή των κρυσταλλικών κυττάρων και, σε κάποιο βαθμό, τη λειτουργία τους. Η ύπαρξή τους στα φυτά καταγράφηκε για πρώτη φορά το 1675 από τον Ολλανδό Αντώνη Φίλιππο βαν Λέουενχουκ (Antonie Philips van Leeuwenhoek, 1632-1723), ο οποίος τους παρατήρησε με τη χρήση απλού οπτικού μικροσκοπίου. Έχει παρατηρηθεί πως τα φυτά έχουν την ικανότητα να συσσωρεύουν τους κρυστάλλους σε ποσοστό 3-80% του ξηρού τους βάρους σε όλα σχεδόν τα όργανα και τους ιστούς. Μάλιστα, η ποσότητα ασβεστίου που εναποτίθεται στους κρυστάλλους μπορεί να φθάσει και το 90% του συνολικού Ca του φυτού. Σχηματίζονται από την ένωση κατιόντων ασβεστίου με το οξαλικό οξύ, παραπροϊόν της φωτοσύνθεσης. Συναντώνται σε τρίχες,στα επιδερμικά και υποδερμικά κύτταρα,στα κυτταρικά τοιχώματα ή στα χυμοτόπια εξειδικευμένων κυττάρων, που ονομάζονται ιδιοβλάστες και βρίσκονται κυρίως στην περιοχή του μεσόφυλλου.

Μικροσκοπική απεικόνιση από δρούσες μονοένυδρου οξαλικού ασβεστίου (COM)
σε δύο Opuntia tunicata (Lehm.) Link & Otto, διαφορετικών μεγεθών.

Ανάλογα με το μέγεθος και το σχήμα τους οι κρύσταλλοι διακρίνονται στις εξής κατηγορίες:

• Ραφίδες: επιμήκεις, λεπτοί και βελονοειδείς κρύσταλλοι.
• Στηλοειδείς: κρύσταλλοι με μυτερές απολήξεις και μήκος τουλάχιστον τέσσερις φορές μεγαλύτερο από το πλάτος.
• Βοτρυόμορφοι-δρούσες: σύνθετοι κρύσταλλοι (συνδιαβλαστάνοντες) αποτελούμενοι από πολυάριθμους πρισματοειδείς ή πυραμιδοειδείς κρυστάλλους.
• Πρισματικοί: ρομβοεδρικοί ή οκταεδρικοί κρύσταλλοι που ποικίλουν σε μέγεθος.
• Κρυσταλλική άμμος: μάζα λεπτών συμπαγών μικρο-κρυστάλλων που είναι διασκορπισμένοι στα κύτταρα δίνοντάς τους αμμώδη υφή.
• Σφαιρίτες: σφαιρικοί κρύσταλλοι, που συγκροτούν ομάδες και έχουν σχετικά λεία επιφάνεια.

Αν και καμία δεν είναι επιστημονικά πλήρως αποδεδειγμένη, διάφορες υποθέσεις έχουν διατυπωθεί για την φυσιολογική σημασία των κρυστάλλων στους φυτικούς οργανισμούς. Αρχικά, οι κρύσταλλοι μπορεί να χρησιμεύουν ως αποθήκες ασβεστίου για τις μελλοντικές ανάγκες του φυτού. Η άποψη αυτή ενισχύεται από την παρατήρηση ότι κάποιοι κρύσταλλοι φαίνεται να απορροφώνται από το φυτό σε καταστάσεις έλλειψης ασβεστίου. Εικάζεται επίσης ότι οι κρύσταλλοι αποτελούν έναν βασικό μηχανισμό άμυνας έναντι φυτοφάγων ζώων και φυτοπαθογόνων μυκήτων. Η παρουσία τους μπορεί να τραυματίζει μηχανικά τα φυτοφάγα ζώα ή να προκαλεί βλάβες στα νεφρά τους, ενώ με την αποδόμησή τους και την απελευθέρωση οξαλικού οξέος να σκοτώνουν τους φυτοπαθογόνους μύκητες. Το οξαλικό οξύ θεωρείται ένα παραπροϊόν του μεταβολισμού και ιδιαίτερα τοξικό για το φυτό. Κατά συνέπεια, ο σχηματισμός κρυστάλλων oξαλικού ασβεστίου μπορεί να χρησιμεύει ως μέσο αδρανοποίησης του οξαλικού οξέως. Ομοίως μπορεί να συνεισφέρει στην αδρανοποίηση των βαρέων μετάλλων και του αργιλίου. Τέλος, σε ορισμένα είδη φυτών εικάζεται ότι οι κρύσταλλοι μπορεί να συμβάλλουν στη διάχυση και κατά συνέπεια την αποτελεσματικότερη διάδοση του φωτός από τις ανώτερες φωτοσυνθετικά αποδοτικές στις κατώτερες λιγότερο αποδοτικές στιβάδες του φωτοσυνθετικού ιστού.

Μόνο πρόσφατα υπήρξε μια συντονισμένη προσπάθεια για τη διεξαγωγή συγκριτικών μελετών όπως η μορφή και η κατάσταση ενυδάτωσης των κρυστάλλων εντός των σχετικών ταξινομικών βαθμίδων στο γένος, την υποοικογένεια και τις φυλές στις βαθμίδες ταξινόμησης. Λόγω αυτής της έλλειψης πληροφοριών, τα Κακτοειδή επελέγησαν επειδή έχει αποδειχθεί ότι παράγουν μια ποικιλία κρυσταλλικών μορφών και των δύο καταστάσεων ενυδάτωσης οξαλικού ασβεστίου.

Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι να προσδιοριστεί μια πιθανή σχέση μεταξύ των κρυσταλλογραφικών δεδομένων και της συστηματικής ταξινόμησης μέσα σε ολόκληρη την οικογένεια των Κακτοειδών, με μια περιεκτική εξέταση και να ερευνηθεί προσεκτικότερα η ποικιλία των κρυστάλλων οξαλικού ασβεστίου. Επιπλέον, παρέχονται πληροφορίες για να βοηθήσουν τους μελλοντικούς ερευνητές να αναπτύξουν μια πιο συνεπή ορολογία των κρυσταλλικών μορφών.

Μεθοδολογία

Για τη μελέτη των κρυστάλλων εφαρμόστηκαν τέσσερις μέθοδοι διαφορετικής ευαισθησίας και ειδικότητας:

1. Περίθλαση ακτίνων-Χ από δείγματα σε μορφή σκόνης (XRD)
2. Πολλαπλή μικροσκοπία σε εναιωρήματα απομονωμένων, θρυμματισμένων ιστών.
3. Ανατομικές διατομές των στελεχών και των φύλλων με μικροσκοπία φωτός.
4. Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (ΗΜΣ).

Τα αποτελέσματα της ανάλυσης XRD χρησίμευσαν ως βασικά δεδομένα για την ταυτοποίηση των διαφορετικών κρυσταλλικών μορφών ως COM ή COD. Ακολούθησαν τα αποτελέσματα ανάλυσης με πολλαπλή μικροσκοπία σε εναιωρήματα απομονωμένων θρυμματισμένων ιστών, όπου οι χημικές αυτές ουσίες εντοπίζονται στα κύτταρα της επιδερμίδας των φύλλων, φυλλοκλαδίων ή των σωμάτων των κάκτων, κάτω από την εφυμενίδα.

Η επιδερμίδα στα φύλλα των φυτών και στα φυλλοκλάδια των παχύφυτων και κάκτων,
βρίσκεται στο δεύτερο στρώμα, ακριβώς κάτω από την εφυμενίδα.

Αποτελέσματα

Στην έρευνα εξετάστηκαν 251 είδη και υποείδη στην οικογένεια των Κακτοειδών. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν ότι το 98% των δειγμάτων (245) τα οποία εξετάστηκαν με ακτίνες Χ σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, περιέχουν είτε κρυστάλλους μονοένυδρου οξαλικού ασβεστίου (COM) είτε κρυστάλλους διένυδρου οξαλικού ασβεστίου (COD), είτε και τα δύο εμφανιζόμενα μαζί στο ίδιο φυτό (COM+COD).

Μόνο έξι είδη δεν περιέχουν κρυστάλλους μονοένυδρου οξαλικού ασβεστίου και κρυστάλλους διένυδρου οξαλικού ασβεστίου, παρ όλες τις εξονυχιστικές εξετάσεις στα χημικά εργαστήρια. Αυτά τα φυτά είναι τα: Cumulopuntia boliviana (Salm-Dyck) F.Ritter, Pterocactus reticulatus R. Kiesling, Acanthocalycium spiniflorum (K. Schumann) Backeberg, Acanthocalycium leucanthum (Gillies ex Salm-Dyck) Schlumpb. (Echinopsis leucantha), Yungasocereus inquisivensis (Cárdenas) F.Ritter ex D.R.Hunt και Armatocereus godingianus (Britton & Rose) Backeberg.

Η συστηματική κατάταξη των Κακτοειδών υπό Άντερσον (Anderson, 2001), καταδεικνύει ότι οι δύο καταστάσεις ενυδάτωσης του οξαλικού ασβεστίου κατανέμονται ασυνεχώς εντός της οικογένειας σε όλες τις ταξινομικές βαθμίδες. Παρ' όλα αυτά, υπάρχει ένα ορισμένο μοτίβο σε ορισμένες υποοικογένειες: στα Pereskioideae, στα Maihuenioideae και στα Opuntioideae όπου σχηματίζουν κυρίως κρυστάλλους COM, συχνά μαζί με μικρές ποσότητες κρυστάλλων COD. Δεν υπήρχαν ταξινομικές βαθμίδες που να σχηματίζουν αποκλειστικά κρυστάλλους COD σε αυτές τις τρεις υποοικογένειες. Αντίθετα, στα Cactoideae κυρίαρχα ήταν τα είδη φυτών που σχηματίζουν κρυστάλλους COD. Είδη που να παράγουν αποκλειστικά κρυστάλλους COM βρέθηκαν σπάνια σε αυτήν την υποοικογένεια (Πίνακας 1). Μεγάλες ποσότητες και των δύο μορφών ενυδάτωσης οξαλικού ασβεστίου στους ιστούς ενός φυτού καταγράφηκαν στην υποοικογένεια Hylocereeae.



Πηγές
Tooulakou G., Thesis, “The effect of insufficiency of carbon on calcium oxalate crystals and metabolic model Amaranthus sp.: metabolomics analyzing”, Agricultural University of Athens, 2006.

Giannopoulos, A., P., Thesis, “The Structure and Function of idioblasts depositforming oxalate and calcium carbonate and their Role in Alarm Photosynthesis”, Agricultural University of Athens, 2014.

George Gulliver, F. R. S., “Observations on Raphides and other Crystals in Plants”

Al-Rais, A.H., Myers, A., and Watson, L.T. 1971. The isolation and properties of oxalate crystals from plants. Ann. Bot. (Lond.).

Anderson, E.F. 2001. The cactus family. Timber Press, Portland, Ore.

Arnott, H.J. 1966. Studies on calcification in plants. In Calcified tissues. Edited by H. Fleisch, H.J.J. Blackwood, and M. Owen.
Springer-Verlag, Berlin, Germany.

Arnott, H.J., and Pautard, F.G.E. 1970. Calcification in plants. In Biological calcification: cellular and molecular aspects. Edited by H. Schraer. Appleton-Century-Crofts

Bailey, I.W. 1961. Comparative anatomy of the leaf-bearing Cactaceae III: Form and distribution of crystals in Pereskia, Pereskiopsis and Quiabentia. J. Arnold Arbor. Harv. Univ.
Barabeé, D., Lacroix, C., Chouteau, M., and Gibernau, M. 2004. On the presence of extracellular calcium oxalate crystals on the inflorescences of Araceae. Bot. J. Linn. Soc. 146: 181–190.

Barthlott, W., and Hunt, D.R. 1993. The families and genera of vascular plants. Edited by Kubitzki. Springer-Verlag, Berlin, Germany.

Borchert, R. 1986. Calcium acetate induces calcium uptake and formation of calcium oxalate crystals in isolated leaflets of Gleditsia
triacanthos L. Planta

Bouropoulos, N., Weiner, S., and Addadi, L. 2001. Calcium oxalates crystals in tomato and tobacco plants: morphology and in vitro interactions of crystal-associated macromolecules.

Butterworth, C.A., Cota-Sanches, J., and Wallace, R.S. 2002. Molecular systematics of tribe Cacteae (Cactaceae, Cactoideae). A phylogeny based on rpl16 intron sequence variation.

Cody, A.M., and Horner, H.T. 1984. Crystallographic analysis of crystal images in scanning electron micrographs and their application to phytocrystalline studies.

Cody, A.M., and Horner, H.T. 1985. Analytical resolution of the crystalline sand pyramids.

Conde, L.F. 1975. Anatomical comparison of five species of Opuntia (Cactaceae).

Franceschi, V.R. 1984. Developmental features of calcium oxalate crystal sand deposition in Beta vulgaris L. leaves.

Franceschi, V.R., and Horner, H.T., Jr. 1980. Calcium oxalate crystals in plants.

Franceschi, V.R., and Nakata, P.A. 2005. Calcium oxalate in plants: formation and function.

Frey, A. 1923. Les formes cristallines de l’ oxalate de calcium dans la plante et les causes qui de terminent ces formes.

Frey-Wyssling, A. 1981. Crystallography of the two hydrates of crystalline calcium oxalate in plants.

Garvie, L.A.J. 2003. Decay induced biomineralization of the saguaro cactus (Carnegiea gigantea).

Gibson, A.C., and Horak, K.E. 1978. Systematic anatomy and phylogeny of Mexican columnar cacti.

Gibson, A.C., and Nobel, P.S. 1986. The cactus primer. Harvard University Press, Cambridge, Mass.

Hartl, W.P. 2000. Anatomische, kristallographische und palynologische Untersuchungen an Rhipsalideae (Cactaceae). Ph.D. thesis, Nees Institute for Biodiversity of Plants, University of Bonn, Bonn, Germany.

Hartl, W.P., Barbier, B., Klapper, H., Muller, P., and Barthlott, W. 2003. Dimorphism of calcium oxalate crystals in stem tissues of
Rhipsalideae (Cactaceae). Bot. Jahrb. Syst. Pflanzengesch.

Metcalfe, C.R. 1983. Secreted mineral substances. In Anatomy of the dicotyledons. Edited by C.R. Metcalfe and L.Chalk. Vol. 2.
Clarendon Press, Oxford, UK.

Monje, P.V., and Baran, E.J. 2002. Characterization of calcium oxalates_ generated as biominerals in cacti.

Nyffeler, R. 2002. Phylogenetic relationship in the cactus family (Cactaceae) based on evidence from trnK/matK and trnL-trnF
sequences.

Prychid, C.J., and Rudall, P.J. 1999. Calcium oxalate crystals in monocotyledons: a review of their structure and systematics.

Prychid, C.J., Furness, C.A., and Rudall, P.J. 2003. Systematic significance of cell inclusions in Haemodoraceae and allied families: Silica bodies and tapetal raphides.

Rivera, E.R., and Smith, B.N. 1979. Crystal morphology and 13Carbon / 12Carbon composition of solid oxalate in cacti.

Scurfield, G., Michell, A.J., and Silva, S.R. 1973. Crystals in woody stems. Bot. J. Linn. Soc. 66: 277–289.

Tazzoli, V., and Domeneghetti, C. 1980. The crystal structures of whewellite and weddellite; reexamination and comparison.

Volk, G.M., Lynch-Holm, V.J., Kostman, T.A., Goss, L.J., and Franceschi, V.R. 2002. The role of druse and raphide calcium oxalate crystals in tissue calcium regulation in Pistia stratiotes leaves.

Wallace, R.S., and Gibson, A.C. 2002. Evolution and systematics In Cacti: biology and uses. Edited by P.S. Nobel. University of
California Press, Berkeley, Calif.

Webb, M.A. 1999. Cell-mediated crystallization of calcium oxalate in plants.

Zindler-Frank, E., Honow, R., and Hesse, A. 2001. Calcium and oxalate content of leaves of Phaseolus vulgaris at different calcium supply in relation to calcium oxalate crystal formation.
.