Mechanismen und Manipulationsmöglichkeiten der Wasseraufnahme durch die Fruchtoberfläche von Süßkirschen (Prunus avium L.)

Abstract

Die Wasseraufnahme über die Fruchtoberfläche ist ein entscheidender Faktor beim Platzen von Süßkirschfrüchten (Prunus avium L.). Mit der vorliegenden Arbeit sollten folgende Aspekte bearbeitet werden: (1) Nachweis polarer Penetrationswege im Kirschexokarp, (2) Einfluss ausgewählter Salze auf die Wasseraufnahme, (3) Wirkung von Fe-Salzen, (4) Praxistauglichkeit von Fe-Salzen. (1) Die Wasseraufnahme durch das Exokarp von intakten Kirschfrüchten wurde gravimetrisch in Immersionstests untersucht. Zwischen der osmotischen Wasserleitfähigkeit (Pf) des Kirschexokarps und dem Kehrwert der Viskosität der Inkubationslösung bestand eine lineare Beziehung. Bei der Inkubation von Kirschfrüchten in isotonischen Lösungen ausgewählter Osmotika nahm mit ansteigendem Molekulargewicht des Osmotikums die Wasseraufnahme ab und das apparente Wasserpotential zu. In einem Infinite-Dose-Diffusionszellensystem wurde die Selbstdiffusionsleitfähigkeit (Pd) von Exokarpsegmenten (ES) und isolierten Kutikulas (CM) für radioaktiv markierte Substanzen bestimmt. Die Pd von Kirsch-ES für 1-Naphthyl[1-14C]Essigsäure (NAA, pKa = 4.2) und die Aktivierungsenergie (Ea) der NAA-Penetration war für die überwiegend undissoziierte (lipophile) NAA (pH 2.2) signifikant höher als für die vorwiegend dissoziierte (polare) NAA (pH 6.2) Diese Ergebnisse belegen die Existenz von polaren Transportwegen mit porösem Charakter durch das Kirschexokarp, die eine Wasseraufnahme durch viskosen Fluss ermöglichen. (2) Die Wasseraufnahmerate (F) in Kirschfrüchte wurde in Anwesenheit bestimmter Mineralsalze (10 mM) verringert. Die größte Verringerung der Wasseraufnahme (-40 bis -60%) wurde bei Inkubation der Früchte in CuCl2, HgCl2, AlCl3 und FeCl3 erzielt. (3) Versuche zur Aufklärung der Wirkung von FeCl3 wurden vorrangig im Infinite-Dose-System durchgeführt. Nach Zusatz von FeCl3 (10 mM) zum Donor verringerte sich die Pd von Kirsch-ES für 3H2O um ca. 60%. Für die Fe-Wirkung auf die Pd von 3H2O muss ein pH-Gradient zwischen dem FeCl3-Donor und der wässrigen Receiverlösung vorliegen. FeCl3 verringerte ebenfalls die Pd von Kirsch-ES für NAA und 2,4-Dichlor[14C]Phenoxyessigsäure (2,4-D, pKa = 2.6). Die Verringerung war für die überwiegend dissoziierten (polaren) Säuren (pH 6.2) größer als für die vorwiegend undissoziierten (lipophilen) Säuren (pH 2.2). Diese Daten belegen, dass FeCl3 den Transport von Wasser und anderen polaren Substanzen durch das Exokarp aufgrund einer pH-abhängigen Ausfällungsreaktion in den polaren Transportwegen verringert (siehe 1). (4) In Laborversuchen zur Wasseraufnahme und in Platzversuchen mit Kirschfrüchten wurden praxisrelevante Eigenschaften ausgewählter Fe-Salze untersucht. Die Wasseraufnahme durch Risse im Exokarp wurde durch FeCl3 signifikant herabgesetzt, nicht aber die Wasseraufnahme durch Löcher im Exokarp oder entlang der Stiel/Fruchtverbindung. Versuche zum Platzen von Kirschfrüchten mit FeCl3 und Fe(III)-Glucoheptonat ergaben, dass die Verringerung des Platzens nach einer Spritzapplikation im Feld erheblich kleiner war im Vergleich zur Tauchbehandlung im Labor. Darüber hinaus verursachten Fe-haltige Lösungen schwarze Verfärbungen auf den Kirschfrüchten, die eine Vermarktung der Früchte verhindern. Dennoch bietet der am Beispiel des Fe identifizierte Wirkungsmechanismus des Verstopfens polarer Transportwege eine erfolgversprechende Strategie zur Verbesserung der Platzfestigkeit.

Water uptake through the fruit surface is an important factor in cracking of sweet cherry fruit (Prunus avium L.). The objectives of this study were to (1) provide evidence for polar pathways across the sweet cherry exocarp, (2) investigate the effect of selected salts on water uptake, (3) establish the mechanism of Fe-salts in reducing water uptake, and (4) determine whether Fe-salts are suitable for applications under field conditions. (1) Water uptake through the exocarp of intact cherry fruit was determined gravimetrically using an immersion assay. The osmotic water permeability (Pf) of the exocarp was linearly related to the inverse of viscosity of the incubation solution. When fruit were incubated in isotonic solutions of selected osmotica, water uptake decreased and the apparent water potentials increased as molecular weight of the osmotica increased. The self diffusion permeability (Pd) of exocarp segments (ES) and isolated cuticular membranes (CM) for radio labeled substances was determined using an Infinite-Dose-Diffusion system. The Pd of sweet cherry ES for 1-naphthyl[1-14C]acetic acid (NAA, pKa = 4.2) and the activation energy (Ea) of NAA penetration was significantly higher for the predominantly undissociated (lipophilic) NAA (pH 2.2) than for the predominantly dissociated (polar) NAA (pH 6.2). These data provide evidence for the presence of porous polar pathways through the cherry exokarp that allow water uptake by viscous flow. (2) The rate of water uptake (F) in cherry fruit was reduced in the presence of some mineral salts (10 mM). The largest decrease in water uptake (-40 to -60%) was achieved, when fruit were incubated in CuCl2, HgCl2, AlCl3 and FeCl3. (3) The mechanism of FeCl3 in decreasing water uptake was investigated using the Infinite-Dose-Diffusion technique. Adding FeCl3 (10 mM) to the donor decreased Pd of cherry ES for 3H2O by about 60%. The decrease in Pd of 3H2O always required the presence of a pH gradient between the FeCl3 donor and the aqueous receiver solution. FeCl3 also decreased the Pd for NAA and 2,4-dichloro[14C]phenoxyacetic acid (2,4-D, pKa = 2.6) through cherry ES. The decrease was larger for the predominantly dissociated (polar, pH 6.2) than for the undissociated (lipophilic, pH 2.2) acids. The data suggest that FeCl3 decreased transport of water and other polar substances by a pH-dependent precipitation reaction that occurs in the polar pathways across the sweet cherry fruit exocarp (see 1). (4) Characteristics that are relevant for spray application of Fe-salts in the field were investigated using laboratory immersion assays and cracking tests. FeCl3 decreased water uptake through microcracks in the exocarp, but had no significant effect on uptake through holes in the exocarp or on uptake along the pedicel/fruit juncture. The reduction in fruit cracking obtained after spray application of FeCl3 and Fe(III)-glucoheptonate in the field was markedly smaller than that after incubating fruit in the solutions of the Fe-salts. Unfortunately, Fe-salts caused severe black discoloration of fruit that is inacceptable from a marketing point of view. Nevertheless, the identified mechanism of decreasing water uptake by a precipitation reaction that plugs polar pathways across the exocarp is a promising strategy for reducing fruit cracking.