Massenspektrometrische Untersuchung der Wurzelaufnahme, Translokation und räumlichen Verteilung von Pflanzenschutzmitteln in Nutzpflanzen

Abstract

In der modernen Landwirtschaft werden weltweit chemische Pflanzenschutzmittel in großen Mengen eingesetzt, um Ernteerträge zu sichern und die globale Lebensmittelversorgung zu gewährleisten. Ein großer Anteil der applizierten Pflanzenschutzmittel befindet sich nach der Applikation gelöst im Porenwasser des Bodens, aus welchem diese über die Wurzeln von Nutzpflanzen aufgenommen werden können. Zur Vertiefung des Verständnisses der Wurzelaufnahme, Translokation und des Metabolismus von Pflanzenschutzmitteln in Nutzpflanzen wurden im Rahmen dieser Arbeit hydroponische Aufnahmeexperimente durchgeführt und der Verbleib der Wirkstoffe mittels hochauflösender massenspektrometrischer Techniken untersucht. Durch die Untersuchung der Aufnahme und Translokation strukturell unterschiedlicher Pflanzenschutzmittel in den Nutzpflanzen Mais, Weizen und Soja wurde gezeigt, dass ihre Verteilung in den Pflanzen artspezifische Unterschiede aufwies. In diesen Aufnahmeexperimenten konnten zudem neue Erkenntnisse bezüglich des Einflusses der Expositionskonzentration und -dauer auf die Aufnahme und Verteilung der Substanzen gewonnen werden. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass die Molekülgröße einen großen Einfluss auf die Akkumulation in den Wurzeln und die Lipophilie einen großen Einfluss auf das Ausmaß des Transports in den Pflanzenspross hat. Dabei stellte sich heraus, dass die Korrelation deutlich größer beim Vergleich innerhalb strukturell verwandter Substanzgruppen als unter Einbezug verschiedener Substanzklassen war. Die Verteilung verschiedener Pflanzenschutzmittel und ihrer Metaboliten in unterschiedlichen Pflanzenorganen konnte mithilfe der bildgebenden Massenspektrometrie im µm Maßstab gezeigt werden. Durch diese hohe laterale Auflösung ermöglichte MALDI-MSI erstmals eine präzise Zuordnung von Pflanzenschutzmitteln zu Leitbündelstrukturen wie Xylem und Phloem. In Kombination mit HPLC-HRMS konnten so komplexe Fragestellungen bezüglich verschiedener innerpflanzlicher Transportprozesse beantwortet werden. Auch zuvor unbekannte Unterschiede in der Aufnahme und Translokation von Pflanzenschutzmitteln und ihren Metaboliten konnten aufgeklärt werden. Auf diese Weise konnte unter anderem gezeigt werden, dass hier untersuchte Pflanzenschutzmittel nach Wurzelaufnahme zunächst akropetal über das Xylem transportiert werden und im Anschluss phloemmobile Metaboliten zu wachsenden Pflanzenteilen umverteilt werden.