pmid: "33149168"
title: "Robusta, universal e persistente adesão da secreção dos brotos em castanheiras-da-índia."
authors: "Voigt D, Kim J, Jantschke A, Varenberg M"
journal: "Scientific reports"
pubdate: "2020 Nov 04"
doi: "10.1038/s41598-020-74029-5"
source: "PMC Full Text"
Robusta, universal e persistente adesão da secreção dos brotos em castanheiras-da-índia.
Autores
Voigt D, Kim J, Jantschke A, Varenberg M
Periodico
Scientific reports (2020 Nov 04)
Conteudo
Adesão robusta, universal e persistente da secreção dos botões em castanheiras-da-Índia
Os botões das castanheiras-da-Índia são cobertos por um fluido viscoso, que permanece pegajoso após exposição prolongada ao calor, geada, radiação, precipitação, deposição de aerossóis e partículas, ataques de micróbios e artrópodes. O presente estudo demonstra que a secreção não seca em condições áridas, não derrete a 50 °C e não muda significativamente sob radiação UV ou geada em nível microscópico. É ligeiramente intumescível em condições úmidas; e, universalmente, molha e adere a substratos com diferentes polaridades. As forças de arrancamento medidas não diferem entre superfícies hidrofílicas e lipofílicas, variando entre 58 e 186 mN, e resultando em uma resistência adesiva de até 204 kPa. As propriedades mecânicas e químicas da secreção lembram as de adesivos sensíveis à pressão. Os espectros de Raman, infravermelho e ressonância magnética nuclear mostram a presença clara de hidrocarbonetos alifáticos saturados, ésteres, ácidos carboxílicos livres, bem como quantidades menores de amidas e compostos aromáticos. Sugerimos um material multicomponente (resina de hidrocarboneto alifático), incluindo alcanos, ácidos graxos, amidas e terpenoides adesivantes incorporados em uma matriz fluida (ácidos graxos) que compreende porções apolares e polares servindo às propriedades adesivas universais e robustas. Essas características são importantes para aspectos ecológico-evolutivos e podem inspirar designs inovadores de adesivos e vernizes multifuncionais, biomiméticos e sensíveis à pressão.
Introdução
Os botões brilhantes das castanheiras-da-Índia são cobertos por um fluido viscoso, que está presente desde o início do desenvolvimento do botão até seu desabrochar após cerca de 10–11 meses, sobrevivendo às condições de verão, outono e inverno. Este fluido é secretado pelos chamados coléteres (tricomas glandulares multicelulares esféricos). Ele se espalha sobre as superfícies internas e externas de seis a oito pares decussados de escamas dos botões, preenchendo os espaços entre as escamas e criando uma estrutura impregnada em múltiplas camadas. Este material protege os meristemas em desenvolvimento do ápice do broto e dos botões florais contra estresses ambientais, como alta evapotranspiração e desidratação, por exemplo. Superfícies vegetais altamente refletivas podem exibir uma redução acentuada na perda de água ao diminuir a temperatura de uma folha em 10–15 °C e, assim, reduzir a taxa de transpiração. As mucilagens da superfície vegetal podem desempenhar um papel na retenção de água devido à sua capacidade de absorver água. Além disso, exsudatos vegetais superficiais podem repelir herbívoros e patógenos, ou proteger contra irradiação.
O fluido viscoso liberado pelos coléteres dos brotos de castanha-da-índia é presumivelmente uma mistura de resina ou óleo e partículas de goma solúveis em acetona, por exemplo. Extrações com acetona ou hexano de brotos inteiros e subsequentes análises cromatográficas (GC–MS) revelam um material heterogêneo, quimicamente diverso, composto por uma porção apolar (flavonóis cristalizantes, pequenas quantidades de triterpenos) e uma porção polar semelhante a xarope, que constitui a maior parte do extrato. Frações maiores de agliconas flavonoides metiladas, como kaempferol-tri- e dimetiléter, quercetina-di- e trimetiléter, miricetina trimetiléter, rhamnazina, rhamnocitrina, kaempferida e isorhamnetina também foram detectadas. Além de propriedades antimicrobianas, os flavonoides podem absorver os comprimentos de onda solares mais energéticos (ou seja, UV-B, UV-A), diminuindo o estresse oxidativo.
Os brotos de castanheiras-da-índia estão expostos a uma variedade de impactos abióticos e bióticos externos, como radiação (UV, IV, etc.), flutuações de umidade e temperatura, fluxo de ar, chuva, neve, granizo, deposição de partículas e aerossóis e riscos fitossanitários (micróbios, artrópodes).
Esta secreção também exibe uma notável aderência; uma vez tocada, é difícil removê-la da pele, roupas e outros materiais. No entanto, apesar de a adesão biológica atrair muito interesse de pesquisa recentemente, os adesivos vegetais receberam pouca atenção até agora, e as propriedades adesivas das secreções da castanheira-da-índia permanecem amplamente desconhecidas. Para este fim, sabendo da exposição dos brotos de castanha-da-índia a uma variedade de impactos ao longo do tempo (Fig. 1), estudamos a estrutura microscópica, composição química e, em particular, as propriedades adesivas da secreção dos brotos no contexto das mudanças ambientais.
Resultados
Aparência
(A) Fotografia mostrando ramos e galhos de castanheira-da-índia com brotos brilhantes situados distalmente (pontas de seta). (B–D) Imagens microscópicas digitais da vista lateral (B), bem como das secções longitudinal (C) e transversal (D) do broto da castanheira-da-índia. A camada brilhante de secreção na superfície do broto e entre as escamas do broto é claramente visível. (E,F) Detalhes da secreção envolvendo as escamas do broto. Os coléteres liberadores de secreção são indicados em E. (G) Vista superior de uma gota de secreção de broto em vidro normal. (H,I) A secreção pode ser esticada em filamentos finos (H) ou lamelares (I); (G–I) imagens estereomicroscópicas. (J–L) Imagens microscópicas digitais de uma formiga-de-pé-branco aderindo à secreção do broto (J,K) e um ácaro imobilizado pela secreção pegajosa do broto (L). Os apêndices distais dos artrópodes estão afundados e cobertos pela camada de secreção. bs escama do broto, co coléter, se secreção. Barras de escala: (B–D) 1000 µm, (E) 50 µm, (F–H,J,K) 200 µm, (I) 500 µm, (L) 100 µm.
A secreção translúcida cobria os botões de castanheiro-da-índia (Fig. 2A), formando uma camada superficial relativamente homogênea de 30 a 50 µm de espessura, e também estava presente internamente entre as escamas dos botões, preenchendo espaços de 10 a 150 µm de largura entre elas (Fig. 2B–F). Sobre o vidro, formava gotículas hemisféricas e achatadas (Fig. 2G). A secreção podia ser esticada em filamentos de 5 cm de comprimento (Fig. 2H,I). No campo, a superfície do botão parecia principalmente brilhante e não contaminada, e os botões estavam viçosos e não danificados (Fig. 2A,B). Às vezes, partículas, fibras ou artrópodes menores grudavam na camada superficial da secreção (Fig. 2J–L). Durante eventos de chuva, as gotículas de água, se não coalescentes, aderiam à superfície do botão e evaporavam mais tarde, mas nunca (ou raramente) rolavam.
Imagens de Cryo-MEV das escamas dos botões e da secreção do castanheiro-da-índia. (A) Corte transversal (fratura por congelamento) das escamas dos botões e da secreção incorporada. O inset indica a posição da fratura no botão. Veja as vistas ampliadas em (F) e (G). (B–E) Detalhes do corte transversal da secreção do botão após fratura por congelamento (B,C), esticada em um filamento indicando um componente fibroso (D), e a superfície não estruturada (vista superior em E). Observe a presença de estruturas em forma de micela incluídas na camada amorfa de secreção (B,C). (F,G) Fratura por congelamento das escamas dos botões e da secreção cobrindo os coléteres secretores. (H–K) Tratamentos com solventes: a superfície da escama do botão coberta com numerosos coléteres colapsados após lavagem com acetona e remoção total da secreção (H,I), coléteres parcialmente colapsados após lavagem com etanol deixando resíduos de secreção (J,K). (L–O) A interface das gotículas de secreção do botão e vidro normal, após manter a secreção a 22,7 °C, 46,6% UR (H,I), a 22,6 °C, 0,3% UR (J), e a 22,4 °C, 99,3% UR (M). (P,Q) A gotícula de secreção em contato com fita de Teflon, vista superior (P) e lateral (Q). (R) A interface entre a secreção do botão e a asa anterior de uma barata mostrando um padrão enrugado auto-organizado na borda. (S) Um ácaro preso ao botão, tendo o tegumento parcialmente coberto com secreção do botão e pernas distais enredadas com secreção e tricomas. bs escama do botão, co coléteres, cw asa anterior de barata fêmea, gl vidro, se secreção, sp padrão auto-organizado, te teflon, tr tricomas. Barras de escala: (A) 200 µm; (B,D,L) 5 µm; (C,E,G,M,N,O,P) 500 nm; (F,I,J,K,S) 20 µm; (H,Q) 100 µm; (R) 2 µm.
Freeze-fractured cross-sections elucidated the amorphous nature of the secretion and a variation in thickness of the secretion layers on and between the bud scales (Fig. 3A–G). Cartwheel-shaped micelle-like inclusions of 3.7 µm in diameter were randomly found in the secretion without any specific distribution pattern (Fig. 3B,C). The filaments mentioned above could also be observed with cryo-scanning electron microscopy (cryo-SEM), which elucidated extended fibers embedded in a fluid matrix (Fig. 3D). The surface of secretion appeared rather smooth (Fig. 3E). Multicellular glands, about 70-µm wide and 50-µm high, the spherical colleters, emerged from the bud scale surface and were totally covered with the secretion (Fig. 2E–G). Removal of secretion by washing with ethanol or acetone allowed visualizing the precise position of, however, collapsed colleters (Fig. 3H–K).
Physico-chemical properties
The secretion on the bud remained viscous throughout the whole bud growing season and even after the burst of buds under natural conditions.
(A) Sessile contact angles of differently conditioned bud secretion droplets on various substrates, as well as of water and oil droplets on a native alive bud. Different small letters indicate statistical differences between substrates for the same conditioning, capital letters between conditioning for the same substrate (two-way analysis of variance, balanced design, followed by all pairwise multiple comparison procedures Tukey test, p = 0.05; substrate: F3,199 = 653.3, p < 0.001; condition: F3,199 = 4.3, p = 0.002; substrate and secretion conditioning did not exert interactive effects: substrate × condition: F3,199 = 1.8, p = 0.057). The asterisk corresponds to the statistical difference between the water and oil contact angles on bud: t test, t = − 6.3, p ≤ 0.001 (n = 10 per fluid). (B) Images of the bud secretion droplets on different substrates and a bud with an abaxially adhering droplet of water. (C) Relative change of the bud secretion mass on the normal glass after 7-day storage at different conditions. No significant differences in mass before and after storage for the same condition were detected (Table S3). Different small letters indicate statistic differences between treatments (Kruskal–Wallis one-way ANOVA on ranks, H3,98 = 80.1, p ≤ 0.001, followed by all pairwise multiple comparison procedures Tukey Test, p < 0.05).
A secreção foi capaz de molhar todos os substratos observados, estabelecendo ângulos de contato (CA) que, em partes, diferiram significativamente entre si (Figs. 2G, 3L–S, 4A,B, Tabela S1). Ela se espalhou sobre o tegumento lipoide dos artrópodes, resultando no menor CA de 0° (Figs. 2J–L, 3R,S, 4A,B). O efeito do substrato não interferiu com o da condição da secreção (ANOVA de dois fatores, delineamento balanceado, substrato × condição: F3,199 = 1.8, p = 0.057). Após ser mantida em atmosfera saturada de água, a secreção apareceu ligeiramente opaca (leitosa) e intumescida, mas não dissolvida (para o aspecto intumescido, veja Fig. 3O). Em nível microscópico, a radiação UV não causou uma mudança distinta na secreção. O aquecimento seco resultou em um estado mais fluido e elástico, enquanto o congelamento levou a um comportamento mais plástico, com CAs significativamente maiores da secreção sobre vidro (Fig. 4A). Gotas de água isoladas sobre o broto mantiveram uma forma hemisférica (CA 82.5° ± 9.74°, média ± dp) e não rolaram quando os brotos foram rotacionados a 180° a 10 mm s⁻¹ (Fig. 4B, Vídeo S1). Gotas de óleo apareceram significativamente mais achatadas (CA 54.6° ± 10.21°; teste t, t = − 6.3, p ≤ 0.001). Tanto o óleo quanto a água deixaram padrões circulares distintos sobre a secreção após o contato.
Quando a secreção do broto foi colocada em lâminas de vidro e armazenada sob diferentes condições por 7 dias, sua massa não mudou significativamente (Fig. 4C, Tabelas S2, S3). A massa diminuiu menos de 0.3% após armazenamento a 22.6 °C, 0.3% UR, e a 22.7 °C, 46.6% UR, e mais de 3.5% após armazenamento a 50 °C, 0.3% UR. Sob uma atmosfera saturada de vapor d'água (22.4 °C, 99.3% UR), a secreção ganhou 8.2% de massa, o que diferiu significativamente de todas as outras condições (p ≤ 0.001).
Composição química da secreção natural do broto de castanheiro-da-índia. (A) Espectro Raman e (B) espectro ATR FTIR. Ambos os espectros mostram bandas espectrais características dos grupos OH/NH, CH2, C=O (éster e ácido) e amida (C=O–NH) e, portanto, a presença de alcanos de cadeia longa e saturados, ácidos graxos e ésteres, bem como amidas.
Os espectros médios de Raman (Fig. 5A) e infravermelho (IV) (Fig. 5B) obtidos para a secreção pura não tratada do broto de castanheiro-da-índia representaram uma mistura de diferentes biomoléculas, como carboidratos, lipídios e peptídeos. Por esse motivo, as bandas apareceram bastante largas e podem ser resultado da contribuição espectral de vários constituintes diferentes. Ambos os espectros (Fig. 5) foram dominados pela presença de alcanos saturados e ácidos graxos e mostraram seus padrões de banda característicos (atribuição de bandas na Tabela Suplementar S4). Os espectros Raman de ácidos graxos saturados foram caracterizados por bandas Raman típicas em 2935 e 2850 cm⁻¹ (estiramento assimétrico C–H atribuído a CH2), 1443 cm⁻¹ (dobramento de CH2) e 716 cm⁻¹ (balanço de CH2). O espectro IV de ácidos graxos mostrou bandas de estiramento e dobramento C-H da cadeia alquila (2930–2800 cm⁻¹; 1457 cm⁻¹ e 721 cm⁻¹) e o estiramento da carbonila (1750–1690 cm⁻¹), respectivamente.
A vibração de estiramento C–H da ligação dupla cis (=C–H), que são tipicamente observadas em 3005 cm−1, bem como em 1264 cm−1 (dobramento =C–H) e 974 cm−1 (dobramento =C–H fora do plano), estavam ausentes, o que indica que ácidos graxos insaturados ou outros hidrocarbonetos insaturados eram menos prováveis de estar presentes. Observamos uma banda em 1655 cm−1 em ambos os espectros, o que poderia significar uma vibração de estiramento de dupla ligação (C=C), tipicamente ocorrendo em torno de 1648 cm−1, mas, muito provavelmente, a ser atribuída a amidas secundárias (R–CO–NH–R).
Os espectros Raman e IV de diferentes ácidos graxos eram muito semelhantes e variavam apenas ligeiramente com o aumento do comprimento da cadeia. Ácidos graxos saturados no estado sólido possuem bandas estreitas definidas, enquanto as bandas de ácidos graxos de cadeia curta no estado líquido parecem bastante largas. Além disso, na espectroscopia Raman, sabe-se que as razões espectrais são úteis para determinar o número de ligações C=C (razão 1655/1444 cm−1) do comprimento da cadeia do ácido graxo (por exemplo, a razão entre 2850/2935 cm−1). Levando tudo isso em consideração, suspeitamos de um ácido graxo bastante curto (< C12) no estado líquido. Se comparados a um banco de dados espectrais, os espectros mostraram alta semelhança com ácidos graxos saturados < C10, especialmente com o ácido nãoanoico saturado de cadeia linear (= pelargônico) (C9H18O2). Esta suposição foi ainda confirmada pela razão de intensidade de banda Raman 2850/2935 cm−1, que resulta em um valor correspondente a C9.
Além do Raman, o espectro IV mostrou duas bandas características em 1731 e 1706 cm−1 na região da absorção de carbonila (C=O, 1750–1690 cm−1), indicando a presença de ambos ésteres e ácidos carboxílicos livres.
Um exame cuidadoso dos espectros IV e Raman revelou alguns componentes menores significativos. Uma banda fraca em 3070 cm−1 (estiramento C–H aromático) indicou a presença de um composto aromático, o que foi apoiado pela banda IV em 1594 cm−1 e pela banda Raman em 1614 cm−1 que caracterizam vibrações esqueléticas aromáticas C=C.
Um estudo complementar de espectroscopia de ressonância magnética nuclear de alta resolução (RMN de alta resolução) apoiou os achados do Raman e IV por dados de RMN de 1H e 13C (ver Fig. S1 para método e dados). Ambos os espectros de RMN foram dominados por sinais alifáticos (CH2/CH3) e mostram contribuições de ácidos carboxílicos e ésteres. Este resultado está em boa concordância com alcanos saturados, ácidos graxos e ésteres como os principais componentes. Deslocamentos químicos típicos para os prótons N–H/Hα e as posições Cα em amidas secundárias também foram observados, mas em quantidades menores. Nos espectros de RMN, sinais de baixa intensidade foram encontrados na região aromática, apoiando a presença de um composto aromático menor. Comparados aos sinais alifáticos, as outras regiões (grupos carboxílicos, insaturados/aromáticos, amidas) constituem menos de 2% da intensidade integral do espectro de RMN de 1H.
Adesão
Propriedades adesivas da secreção viscosa liberada pelos botões de castanheiras-da-índia. (A) Um exemplo de curvas força-tempo obtidas durante experimentos de força de descolamento com secreção colocada entre lâminas de vidro. As imagens inseridas indicam o desenho experimental e o procedimento de medição. (B) Uma curva força-distância representativa transformada a partir dos dados força-tempo em A, exibindo o trabalho necessário para separar a secreção do botão entre duas lâminas de vidro a uma distância de 50 µm. Observe que também o trabalho necessário para deformar o sensor de força está incluído nesta medida de dois componentes. (C) Confiabilidade da secreção do botão investigada por uma série de 100 testes de descolamento repetidos com a mesma amostra (n = 3). A força não diminuiu com o aumento do número de ciclos (RL, R2 = 0.01). A imagem inserida ilustra diferentes formas de filamentos puxados de secreção observados durante os experimentos. (D) Força de descolamento medida em função da velocidade de descolamento (médias e barras de erro, n = 3), mostrando uma relação positiva (RN, R2 = 0.82). (E) Força de descolamento medida em função da pré-carga (médias e barras de erro, n = 3), mostrando uma relação positiva (RN, R2 = 0.48). (F) Forças de descolamento e resistência adesiva medidas em três substratos (asa anterior quitinosa de uma barata americana fêmea, Teflon: politetrafluoretileno, vidro comum) e com cinco amostras de secreção condicionadas de forma diferente em vidro comum após serem mantidas por 5 dias não tratadas, congeladas, aquecidas, irradiadas com UV ou hidratadas (médias e barras de erro). Letras maiúsculas indicam diferenças estatísticas nos valores de força ou resistência adesiva entre substratos; letras minúsculas indicam diferenças estatísticas nos valores de força ou resistência adesiva entre condições da secreção: ANOVA de um fator seguida pelo procedimento de comparação múltipla pareada de Tukey, p = 0.05; força de descolamento @ condição: F4,49 = 2.6, p = 0.046; força de descolamento @ substrato F2,69 = 1.1, p = 0.363; resistência adesiva @ condição F2,29 = 3.9, p = 0.008; resistência adesiva @ substrato F2,29 = 9.5, p < 0.001. (G) Imagens de MEV de baixo vácuo mostrando um exemplo de secreção descolada dentro de 53 s.
Os experimentos de força de descolamento provaram que a secreção do botão de castanheira-da-índia é um adesivo (Fig. 6, Tabela S5, Vídeo S2), que manteve suas propriedades após 100 tentativas repetidas (Fig. 6C), demonstrando a força variando de 48.5 a 85 mN (64–78 kPa). A forma das curvas força-tempo obtidas indicou uma perda abrupta de adesão apesar dos filamentos de secreção estendidos (Fig. 6A), o que exigiu um baixo trabalho para serem separados (Fig. 6B). A força de descolamento aumentou significativamente com o aumento da velocidade de descolamento (regressão não linear, RN, R2 = 0.99, p = 0.0002; Fig. 6D) e com o aumento da pré-carga (RN, R2 = 0.97, p = 0.0002; Fig. 6E), variando entre 13 e 167.5 mN. A espessura da camada de secreção na condição de pré-carga de 10 mN foi de 9.0 ± 2.50 µm (n = 50). Na velocidade e pré-carga mais altas (80 mN, 320 µm s⁻¹), a força de descolamento foi de 185.7 ± 17.92 mN (n = 10), correspondendo a uma resistência adesiva de 204.3 kPa.
A força de arrancamento não diferiu significativamente entre os substratos (Fig. 6F). A resistência adesiva foi estatisticamente duas vezes menor nas asas anteriores de barata em comparação com Teflon e vidro: 34,6 ± 13,65 kPa, 55,2 ± 15,71 kPa e 68,2 ± 21,03 kPa, respectivamente (ANOVA unifatorial seguida pelo teste de Tukey para comparações múltiplas pareadas, F2,29 = 9,5, p < 0,001). No entanto, não dependeu do ângulo de contato da secreção sobre o substrato (regressão linear, RL, R² = 0,07, p = 0,6; Fig. S2). Após a hidratação, a força de arrancamento foi significativamente menor que a das amostras congeladas (F4,49 = 2,6, p = 0,046); as forças das outras amostras condicionadas não diferiram entre si. A resistência adesiva foi significativamente menor para amostras tratadas com UV (57,0 ± 15,35 kPa) em comparação às congeladas (86,5 ± 23,23 kPa), enquanto não diferiu entre as demais amostras (F2,29 = 3,9, p = 0,008). O conjunto de dados não se ajustou a uma análise de variância bifatorial e ao modelo linear geral. Por esse motivo, a ANOVA unifatorial avaliou os grupos separadamente.
O MEV de baixo vácuo confirmou que as forças de arrancamento foram detectadas na primeira ruptura da secreção, que ocorreu a aproximadamente 20 µm de deslocamento. Consequentemente, a natureza fibrosa da secreção foi mais proeminente durante os estágios iniciais do experimento. A extensão adicional dos filamentos não resultou em forças mensuráveis e apareceu como um certo fluxo em filamentos liquefeitos. A velocidade rápida de arrancamento (> 100 µm s⁻¹), o menor volume de secreção, o aquecimento e a hidratação das amostras causaram a extensão de filamentos longos e finos únicos (Fig. S4), enquanto a velocidade lenta de arrancamento, o congelamento e a radiação UV das amostras implicaram principalmente o estabelecimento de massas de secreção em forma de lâmina ou multifilamentosas (Fig. S5). Essas estruturas frequentemente mostraram aumento de cavitação com o aumento do deslocamento. Após o afinamento, os filamentos se separaram em seu meio, e as extremidades rompidas formaram resíduos em forma de gancho que recuaram para a gota de recuperação do substrato. Exceto pelas asas de barata, uma porção menor de secreção aderiu à superfície oposta, enquanto a maior permaneceu no substrato onde a amostra foi inicialmente colocada (Vídeo S6). Por observação ocular, as amostras congeladas pareceram mais plásticas do que elásticas e foram mais difíceis de separar. Após armazenamento a 50 °C e 0,3% UR, as amostras ficaram untuosas e esticáveis em filamentos muito longos e finos, que se separaram mais rapidamente do que aqueles da secreção não tratada (Vídeos S3, S4). A secreção hidratada foi mais compressível e extensível em filamentos finos, que recuaram rapidamente após a separação (Vídeo S4).
Discussão
Relações estrutura-função da secreção do broto de castanha-da-índia
Os resultados observados em nosso estudo explicam bem por que a secreção pegajosa impregna e protege os brotos de castanha-da-índia por um longo período, resistindo a uma variedade de impactos ambientais (Fig. 1). A secreção não seca em condições áridas, não derrete a 50 °C e não se altera significativamente sob radiação UV ou geada em nível microscópico. Ela é inchável até certo ponto debaixo d'água e em atmosfera úmida, e molha universalmente substratos com diferentes polaridades e texturas. Tal estabilidade em uma ampla gama de condições ambientais é alcançada por uma rede polimérica tridimensional, como, por exemplo, em resinas vegetais. Estas últimas ocorrem predominantemente em plantas lenhosas com sementes, sendo principalmente misturas lipossolúveis de compostos secundários terpenoides e/ou fenólicos voláteis e não voláteis. No entanto, a secreção do broto de castanha-da-índia aqui é um material multicomponente, incluindo alcanos saturados, ácidos graxos e ésteres, bem como poliamidas, que estão incorporadas em uma matriz fluida de ácidos graxos/alcanos compreendendo porções apolares e polares. Poliamidas de baixa esterificação são relatadas como não degradáveis e garantem alta estabilidade térmica e excelente resistência química a solventes, plastificantes e óleos, além de maior flexibilidade mecânica em junções coladas, em comparação com outros adesivos hot melt.
Espectroscopia Raman, IV e RMN da secreção pura dos brotos confirmou a presença de alcanos saturados, ácidos graxos e ésteres de ácidos graxos (provavelmente com comprimento de cadeia < C12), bem como constituintes amida e aromáticos. A saturação explica a baixa reatividade química, a consistência relativamente estável e a aparência translúcida da secreção dos brotos, conforme também observado anteriormente por Wollenweber.
Mudanças reversíveis nas propriedades do material da secreção devido à radiação UV, aquecimento e congelamento também sustentam a natureza saturada da secreção, que não polimeriza mais nem perde reticulações. Em micro e nanoescala, a secreção dos brotos parece amorfa, bem misturada e sem estrutura, apesar de várias inclusões em forma de micela (Fig. 3B,C). Sabe-se que as micelas aglomeram partes imiscíveis de diferentes moléculas, aumentando a miscibilidade e a molhabilidade dos fluidos. Tal emulsão de fluidos foi observada tanto para gotículas de óleo quanto de água, que deixaram padrões circulares distintos na secreção após o contato. Este fato se refere à composição bifásica da secreção dos brotos, incluindo porções lipofílicas (gordurosas) e hidrofílicas (amida, éster), bem como interações polares e apolares nas moléculas de ácidos graxos (Fig. 5A).
Com base nos resultados acima, alcanos saturados, ácidos graxos livres e ésteres de ácidos graxos são os principais componentes da secreção das gemas. Os ácidos graxos podem ser reticulados e funcionalizados por autoxidação, polimerização, hidrogenação, hidroaminometilação, ozonólise, metoxicarbonilação ou policondensação de monômeros funcionais em poliésteres. Este último se encaixa bem com o ácido nonanoico mencionado anteriormente. No geral, pode-se hipotetizar uma resina de hidrocarboneto alifático ou oligoéster para descrever a mistura complexa da secreção das gemas de castanha-da-índia.
De acordo com relatos anteriores para extratos de acetona de gemas inteiras, a espectroscopia no presente estudo fornece indícios da presença de um composto aromático menor, por exemplo, agliconas de flavonol ou antes terpenoides na secreção pura das gemas. Além disso, o recente estudo de GC–MS com extrato de hexano de gemas inteiras, relatando alcanos, ácido fenólico/éster, tetradecanal (C14H28O) e ácido tetradecanoico saturado (C14H26O4), é apoiado até certo ponto por nossa análise. Uma certa discrepância entre os resultados de estudos anteriores e recentes poderia ser explicada por diferentes amostragens e pela resolução espectral inerentemente limitada das espectroscopias Raman e IR devido à sobreposição de informações espectrais de diferentes compostos. De acordo com Wollenweber e Jay, flavonoides lipofílicos coocorrem com sesqui- ou triterpenos em exsudatos vegetais. Terpenoides são frequentemente liberados de tricomas glandulares de plantas, como os coléteres das gemas de castanha-da-índia, e devem ser incluídos em secreções pegajosas resultando em aderência instantânea, como observado para as gemas de castanha-da-índia.
Adesão da secreção das gemas de castanha-da-índia
A composição da secreção de broto viscoelástica se assemelha à de adesivos sensíveis à pressão (PSA), consistindo em uma mistura multifásica de múltiplos componentes de resina de hidrocarboneto de suporte e ésteres de ácidos graxos, terpenos tackificantes e ácidos graxos surfactantes, tendo cerca de 50–70% de uma fração insolúvel. A secreção de broto e os PSA comerciais compartilham propriedades específicas, como a molhagem universal de substratos mediando a formação de contato instantâneo suficiente (tack) e um processo de descolagem em quatro etapas, incluindo deformação, cavitação, fibrilação e ruptura. A secreção de broto em contato se espalhou sobre o substrato estabelecendo camadas planas sob tensão (CA inferior a 30° e 50° em vidro e Teflon, respectivamente). Segundo Chalykh e Shcherbina, essas zonas de transição adesivo-substrato são importantes em juntas adesivas porque podem formar espontaneamente emulsões de um polímero dentro do outro polímero, criando um limite de interface termodinâmica e coloidal química. Tal limite foi particularmente observado para a secreção de broto no tegumento lipoide de artrópodes (CA de 0°), interagindo com a camada graxa epicuticular, criando padrões auto-organizados (Fig. 3R) e uma área de contato maior em comparação com aquela em outros substratos (Tabela S5). Sugerimos forças interativas, que são estabelecidas entre os átomos e moléculas na interface da secreção de broto e substrato, adequando-se à teoria de adsorção da adesão de materiais.
Conforme relatado para PSA, por exemplo, a ligação formada entre o substrato e a camada adesiva de secreção de broto depende ainda do tempo de contato e da força aplicada durante o estágio de união (Fig. 6D,E).
Sabese que tanto as propriedades de superfície (energia livre de superfície, rugosidade, etc.) quanto as de volume do adesivo governam a natureza e a localização da fratura. Semelhante aos PSAs técnicos, a secreção natural dos brotos é um material viscoelástico que se deforma sob a força de descolagem, formando bolhas de cavitação e filamentos de até 5 cm de comprimento, que evidenciam fluxo interno sob tensão (Figs. 2H,I, 3D; Vídeos S3–S6). Inicialmente, cavidades se formam em defeitos ou ar aprisionado na interface substrato-adesivo quando a tensão é aplicada. O papel principal dessas cavidades em PSAs foi anteriormente atribuído à redução de tensões locais e à prevenção de grandes concentrações de tensão, visando evitar a fratura. Se as cavidades crescem lateral e verticalmente, elas se fundem e formam trincas, causando descolagem interfacial rápida. Se a coalescência das cavidades adjacentes não ocorre, as paredes entre elas são estendidas como fibrilas através do crescimento da propagação da trinca interfacial. A extensão de filamentos longos e finos únicos foi observada principalmente em alta velocidade de arrancamento (> 100 µm s−1), baixo volume de secreção dos brotos, bem como amostras aquecidas e hidratadas. Baixa velocidade de arrancamento, congelamento e radiação UV resultaram principalmente em formas lamelares ou multifilamentosas da secreção deformada dos brotos. Após o afinamento, os filamentos puxados se separaram no meio. As pontas rompidas se curvaram em forma de gancho antes de recuar para o substrato e se recuperar em gotículas. Uma descolagem coesiva típica foi observada, onde alguns resíduos do adesivo permanecem na sonda ao final do teste. Uma porção menor da secreção dos brotos aderiu à superfície oposta, enquanto a maior permaneceu no substrato onde a amostra foi inicialmente colocada, exceto para as asas lipoides de barata, às quais um resíduo maior aderiu. Além disso, as curvas força-tempo obtidas para a secreção dos brotos mostraram uma diminuição abrupta da adesão apesar dos filamentos de secreção estendidos. Para PSAs, tal formato de curva foi explicado pelo processo de crescimento de cavidades em um meio elástico emborrachado, o que é comumente indicativo de adesão fraca e propagação de trinca interfacial.
Como demonstrado pela adesão consistente durante 100 ciclos repetidos de testes de arrancamento, a secreção dos brotos de castanha-da-índia é persistente mesmo após cavitação, extensão de filamentos e ruptura. Tais juntas adesivas recuperáveis são atribuídas principalmente a interações moleculares (por exemplo, atrito entre moléculas), em vez de ligações cruzadas apertadas entre cadeias poliméricas. Estas últimas evitariam o fluxo, a solubilidade e são comumente quebradas irreversivelmente na ruptura. A recuperação da secreção dos brotos é confirmada por tratamentos de calor, geada, água e UV, que levaram apenas a pequenas alterações na consistência e adesão da secreção em nível microscópico. No entanto, interações intermoleculares mais fortes são esperadas em amostras congeladas, que parecem ser mais plásticas do que elásticas.
A resistência adesiva foi significativamente maior em amostras congeladas em comparação com as tratadas com UV, enquanto não diferiu entre as outras amostras. Assim, pode-se supor diferentes efeitos da geada e da radiação UV na secreção dos brotos, sendo esta última conhecida por iniciar a cura por polimerização radicalar. O armazenamento a 50 °C e 0,3% UR afrouxou a rede de secreção dos brotos de tal forma que as amostras ficaram pegajosas, obviamente mais fluidas e puxáveis em filamentos muito longos e finos, que se separaram mais rapidamente do que os da secreção não tratada. A secreção hidratada parecia ligeiramente leitosa, mais compressível e extensível em filamentos finos, que se retraíam rapidamente após a separação; a força de tração foi significativamente menor do que a obtida com as amostras tratadas com geada. Tais efeitos foram previamente discutidos para a secreção pegajosa e resinosa das plantas carnívoras de orvalho Roridula gorgonias Planch. (Roridulaceae): as mudanças subaquáticas foram atribuídas aos compostos polares na secreção e à interação iônica, causando inchaço de resinas e materiais elásticos. Curiosamente, a secreção dos brotos de castanha-da-índia aderiu ao vidro também debaixo d'água, sem diferença significativa em relação às forças máximas de tração no ar, atingindo uma média de 15,4 mN e 12,4 mN, respectivamente, conforme mostrado por um experimento preliminar (Fig. S3).
Anúncios de serviço público comerciais parecem aderir mais fortemente do que a secreção vegetal em uma espessura de camada adesiva comparável. Por exemplo, testes de tack com sonda com o PSA padrão poli(2-etil-hexil acrilato), incluindo 2% de ácido acrílico (PEHA-AA), resultaram em uma resistência à descolagem de 1,3 MPa a uma taxa de separação de 1 mm s−1, uma espessura de camada adesiva de 0,07–0,1 mm e pressão de contato aplicada de 900 kPa. A resistência adesiva máxima na secreção de botões de castanha-da-índia (204 kPa) é maior do que a da cobertura foliar pegajosa em tarflowers Befaria racemosa Venten (Ericaceae) e do papel mosca comercial Tanglefoot (40–50 kPa). Assemelha-se àquelas obtidas para a secreção adesiva sensível à pressão em plantas orvalho R. gorgonias e plantas radiador Peperomia polystachya (Ait.) Hook. (Piperaceae) em vidro normal: 200 kPa e 155 kPa, respectivamente. Note que a pressão de contato aplicada (kPa), a espessura da camada (µm) e a velocidade de tração (µm s−1) diferiram em experimentos anteriores e presentes (B. racemosa: 4–9 kPa, 1300 µm, 500 µm s−1; R. gorgonias: 1,9 kPa, 130 µm, 2300 µm s−1; A. hippocastanum: 88 kPa, 9 µm, 100 µm s−1). Além disso, as secreções de plantas orvalho e radiador compreendem uma mistura de resinas à base de ésteres alifáticos e ácidos carboxílicos; seus espectros de FTIR são comparáveis aos do etileno-acetato de vinila sintético. A presença de quantidades menores de grupos amida em conjunto com ácidos graxos na secreção de botões de castanha-da-índia difere de outros PSAs em espécies de plantas distantemente relacionadas. Esta combinação inteligente de múltiplos compostos contribui para a aptidão da planta e a eficiência energética, fornecendo aos botões da antiga eudicotiledônea A. hippocastanum uma camada adesiva protetora persistente e de longo prazo, com confiabilidade e aplicabilidade universais sob uma ampla gama de impactos. Até que ponto efeitos semelhantes são encontrados na secreção de botões de outras espécies de plantas permanece uma questão empolgante a ser respondida em futuros estudos comparativos. Além disso, a química estrutural detalhada e as mudanças da secreção de botões sob várias condições em nível molecular precisam de maior esclarecimento.
No contexto da adesão bioinspirada, esta composição pode encontrar uso no desenvolvimento de novas resinas comerciais contendo grupos amida para melhorar as resinas de poliisocianato fotoestáveis existentes, amplamente utilizadas em vernizes, PSA de acrilato usado para administração de medicamentos via capacidade de formação de ligações de hidrogênio, polímeros biodegradáveis funcionalizados e adesivos hot melt de poliamida aplicados nas indústrias automotiva, têxtil e eletrônica.
Conclusão
A secreção dos botões de castanha-da-índia é um PSA persistente, confiável, reversível e universal, capaz de suportar inúmeros impactos ambientais abióticos e bióticos (Fig. 1). A integração de propriedades viscosas e outras, como não degradabilidade, proteção contra perda de água e temperaturas altas/baixas, é de grande interesse para o desenvolvimento de adesivos biomiméticos multifuncionais.
Elucidando a composição química elementar e as propriedades adesivas da secreção do broto de castanha-da-índia, nosso estudo contribui para a compreensão abrangente da diversidade de secreções adesivas vegetais, lançando luz sobre relações específicas entre estrutura e função. A robustez da secreção do broto é importante para interações coevolutivas e ecológicas e fornece um exemplo vivo para inovações bioinspiradas em PSA comerciais.
Materiais e métodos
Material vegetal
Brotos frescos de Aesculus hippocastanum L. (Sapindaceae) foram coletados de árvores com aproximadamente 30 anos de idade crescendo em locais ruderais em Dresden, Alemanha (51°1′30″ N, 13°43′59″ E) e mantidos túrgidos durante o estudo.
Substratos
Antes dos experimentos, lâminas de microscópio de vidro soda-cal (76 × 26 mm) e lamínulas circulares de 5 mm de diâmetro (Gerhard Menzel B.V. & Co. KG, Braunschweig, Alemanha) foram limpas por imersão em solução Piranha (uma mistura de ácido sulfúrico H₂SO₄ e peróxido de hidrogênio H₂O₂, 3:1), enxaguadas repetidamente com água Milli-Q e secas imediatamente com ar comprimido. Lâminas silanizadas (lâminas de vidro Silane-Prep revestidas com aminoalquil silano, Sigma-Aldrich, Saint Louis, MO, EUA) e Teflon (folha de PTFE escorregadia e resistente a produtos químicos, McMaster-Carr, Douglasville, GA, EUA, polida, Ra ~ 40 nm) foram usadas como fornecidas.
Fêmeas de baratas americanas Periplaneta americana L. (Blattodea, Blattidae) foram coletadas em uma propriedade privada em Atlanta (GA, EUA; 33°45′58″ N, 84°22′19″ O) e anestesiadas por congelamento antes de cortar suas asas anteriores com tesouras. As baratas foram selecionadas como artrópodes modelo devido à sua conhecida camada lipídica antiaderente de descamação na superfície do tegumento e às asas grandes e planas que podem ser utilizadas como superfícies de amostra.
Microscopia
Broto coberto por secreção foram imageados com (i) um estereomicroscópio Olympus SZX16 combinado com objetivas Olympus SDF Plapo 1,6 × PF e 0,5 × PF, a câmera Olympus DP26 e o software cellSens Standard (Olympus Corp., Tóquio, Japão), (ii) o microscópio digital Keyence VHX970F (Keyence Corp., Osaka, Japão) e (iii) o microscópio eletrônico de varredura criogênico (crio-MEV) SUPRA 40VP-31-79 (Carl Zeiss SMT Ltd., Oberkochen, Alemanha) equipado com uma unidade de preparação criogênica EMITECH K250X (Quorum Technologies Ltd., Ashford, Kent, Reino Unido) seguindo Bräuer et al.. Para crio-MEV, pedaços de escamas de broto foram cortados com uma lâmina de barbear e montados em stubbs metálicos usando álcool polivinílico (Tissue-Tek, OCT, Sakura Finetek Europe BV, Alphen aan den Rijn, Países Baixos). Subsequentemente, as amostras foram congeladas por choque térmico em nitrogênio líquido na câmara de slushing, transferidas para a câmara de preparação criogênica a − 140 °C, sublimadas por 30 min a − 70 °C, revestidas por pulverização catódica com platina (espessura da camada ca. 6 nm), transferidas para o MEV e, em seguida, examinadas em estado congelado a 5 kV de tensão de aceleração e temperatura de − 100 °C. Micrografias de crio-MEV foram obtidas usando o software Smart SEM 05.03.05 (Carl Zeiss SMT Ltd., Oberkochen, Alemanha). Características métricas foram determinadas a partir das micrografias obtidas usando o software SigmaScan Pro 5.0.0 (SPSS Inc.).
Pesagem
Gotas de secreção foram pesadas com a balança de precisão XA 205 Dualrange (Mettler Toledo GmbH, Greifensee, Suíça) para quantificar (1) a massa de secreção usada para testes de força de arrancamento e medições de ângulo de contato, e (2) a perda ou ganho de massa da secreção após armazenamento em diferentes condições. Para este último, gotas de secreção em lâminas de vidro limpas foram mantidas por 7 dias sob diferentes condições: (i) 22,7 ± 0,87 °C e 46,6 ± 3,35% UR, (ii) 22,4 ± 0,19 °C e 99,3 ± 1,72% UR, (iii) 22,6 ± 0,22 °C e 0,3 ± 0,34% UR, (iv) 50,0 ± 0,09 °C e 0,3 ± 0,02% UR. As lâminas de vidro (i–iii) foram mantidas em plataformas de vidro de 20 mm de altura em caixas plásticas Azlon firmemente cobertas com tampa (100 × 100 × 50 mm) ou (iv) em placas de Petri de vidro borossilicato Duroplan (100 × 30 mm Duran Group GmbH, Mainz, Alemanha) à temperatura ambiente sem tratamento particular (i), à temperatura ambiente com o fundo das caixas coberto por uma camada de água Millipore (ii), à temperatura ambiente com o fundo das caixas coberto por sílica gel (iii) e em estufa de aquecimento (Memmert GmbH & Co. KG, Schwabach, Alemanha) (iv). A temperatura e a umidade relativa foram registradas usando registradores de dados EL-USB-2+ (Lascar Electronics Ltd, Salisbury, Wiltshire, Reino Unido).
Medições de ângulo de contato
O dispositivo de medição de ângulo de contato OCA25 equipado com um sistema de vídeo CCD de alta velocidade e software SCA20 4.5.17 (Data-Physics Instruments GmbH, Filderstadt, Alemanha) foi utilizado com água Millipore Aqua, óleo e secreção de broto condicionada de diferentes formas em vários substratos, de acordo com o método da gota séssil livre. Vidro normal e silanizado, assim como Teflon, foram utilizados como superfícies de controle. Para cada substrato e condição de secreção, o ângulo de contato de 10 gotículas de secreção foi medido (~ 2 µg, 0,03 mm³). O ângulo de contato de 10 gotículas de água e óleo de 2 µL (óleo ExxonMobil AM Core 100, Exxon Mobil Corp., Spring, TX, EUA) foi estimado em um broto de castanha-da-índia e em uma asa anterior de barata americana fêmea. No total, 165 medições de ângulo de contato foram realizadas.
Espectroscopia Raman
Utilizando um pedaço de lâmina de vidro limpa, cerca de 3 mg de secreção foram removidos dos brotos vivos, colocados em outra lâmina de vidro limpa e analisados diretamente. Aplicamos a espectroscopia Raman por ser uma ferramenta analítica adequada para um volume limitado de secreção vegetal adesiva natural (não tratada), facilitando o foco em um tamanho de ponto das amostras de no mínimo 200 × 250 nm até uma média de 250 × 500 nm.
As medições foram realizadas na Papiertechnische Stiftung (PTS, Heidenau, Alemanha) utilizando um microscópio Raman confocal WITec alpha 300M+ equipado com excitação a laser de 532 nm (WITec Wissenschaftliche Instrumente und Technologie GmbH, Ulm, Alemanha). Este sistema é baseado em um microscópio óptico Zeiss e foi utilizado com uma objetiva de 50 × (Zeiss EC Epiplan NA 0,75; Carl Zeiss Microscopy GmbH, Jena, Alemanha) utilizando 20 mW de potência do laser e uma rede de 600 g mm⁻¹. Os espectros Raman foram obtidos de áreas de secreção do broto visivelmente não contaminadas, utilizando tempo de exposição de 0,5–1 s e 100 acumulações. O espectro Raman apresentado é uma média de cinco pontos individuais diferentes. Antes da média, os espectros foram corrigidos quanto ao fundo e normalizados.
ATR FTIR
As amostras de secreção foram preparadas conforme descrito acima. Os espectros de infravermelho com transformada de Fourier por refletância total atenuada (ATR FTIR) foram registrados utilizando um espectrômetro FT-IR Nicolet iS 5 (Thermo Scientific Inc., Waltham, MA, EUA) acoplado a um sistema ATR de Reflexão Única Golden Gate P/N 10563 com uma placa superior de diamante a 45° (Specac Ltd., Orpington, Kent, Reino Unido). O ATR FTIR já foi demonstrado anteriormente como um método confiável para analisar amostras biológicas. Uma resolução espectral de 1 cm⁻¹ foi escolhida na faixa espectral de 4000–600 cm⁻¹. Cem varreduras foram acumuladas para cada espectro. O espectro apresentado é uma média de três medições individuais diferentes, que foram corrigidas por ATR e de linha de base utilizando o software OMNIC 9 (Thermo Scientific Inc., Waltham, MA, EUA). A pesquisa em banco de dados foi realizada utilizando o software OMNIC Specta 2.1 (Thermo Scientific Inc.) usando o banco de dados Nicolet Standard Collection of Raman Spectra and Organics by Raman sample.
Um tribômetro personalizado que permite que amostras planas se autoalinhem e que pode operar dentro do MEV ambiental Quanta 250 (FEI, Brno, República Tcheca) foi utilizado para medir forças de pull-off. Neste trabalho, todas as medições de força foram realizadas fora do MEV, e este último, em combinação com o software xT microscope Control (FEI, Brno, República Tcheca), foi utilizado apenas para visualizar diferentes tipos de separação de contato com secreção de broto condicionada de forma diferente em vidro normal e asa anterior de barata. Quando o tribômetro era operado fora do MEV, uma câmera digital monocromática DMK 23UP1300 (Imaging Source, Charlotte, NC, EUA) montada em uma lente óptica de alta ampliação Zoom-12 (Navitar, Rochester, NY, EUA) era utilizada para capturar vídeos da interface vidro–secreção de broto.
Usando ponteiras de pipeta de plástico (epT.I.P.S. Standard/Bulk 0,1–20 µL, Eppendorf AG, Hamburgo, Alemanha; diâmetros interno e externo de 436 µm e 901,3 µm, respectivamente), gotículas individuais de secreção de broto (volume da gotícula 0,02 ± 0,007 mm³, n = 20; massa da gotícula 1,6 ± 0,77 µg, n = 10) foram retiradas da superfície do broto ou de volumes pré-coletados de secreção em lâminas de vidro e, em seguida, colocadas em uma lâmina de vidro normal limpa ou em uma asa anterior de barata americana fêmea fixada uniformemente. Após montar a lâmina de vidro ou a asa com a gotícula de secreção no suporte de amostra do tribômetro, a lâmina de vidro contrária foi movida perpendicularmente ao plano de contato até que uma carga normal específica fosse alcançada. Em seguida, a lâmina de vidro contrária foi afastada do contato a uma velocidade constante. O teste parou na completa separação da lâmina de vidro quando a força caiu para 0 mN a aproximadamente 100 µm de deslocamento.
Seis tipos de experimentos foram realizados: (i) uma série de 100 testes de força de arrancamento, com a mesma amostra pré-carregada a 10 mN por 5 s, realizada a uma velocidade de 100 µm s−1, para testar a confiabilidade da secreção (N = 3 amostras, n = 100 testes por amostra); (ii) testes de força de arrancamento realizados em função da velocidade de arrancamento, comparando 10, 20, 40, 80, 160 e 320 µm s−1 (N = 3, n = 5); (iii) testes de força de arrancamento realizados em função da pré-carga aplicada por 5 s, comparando 2, 5, 10, 20, 40 e 80 mN; (iv) testes de força de arrancamento realizados após uma pré-carga de 10 mN por 5 s a uma velocidade de 100 µm s−1 em três substratos (asa anterior quitinosa de uma barata americana fêmea, Teflon: politetrafluoretileno, vidro comum); (v) testes de força de arrancamento realizados após uma pré-carga de 10 mN por 5 s a uma velocidade de 100 µm s−1 com cinco amostras de secreção condicionadas de forma diferente colocadas em vidro comum após mantê-lo por 7 dias (v1) não tratada (em ar a 22,3 ± 1,00 °C e 32,3 ± 4,42% UR), (v2) congelada (em ar a −15,5 ± 2,02 °C e 51,4 ± 7,03% UR), (v3) aquecida (em ar a 50 °C e 0,3% UR no forno a vácuo Thermo Scientific VACUtherm VT6025, Thermo Electron LED GmbH, Langenselbold, Alemanha), (v4) irradiada com UV a 365 nm (UVP UVGL-25, Analytik Jena US, Upland, CA, EUA; em ar a 22,3 ± 1,00 °C e 32,3 ± 4,42% UR), e (v5) hidratada (submersa em água Aqua Millipore a 22,3 ± 1,00 °C e 100 ± 0% UR) (N = 10, n = 3); (vi) testes de força de arrancamento realizados dentro do MEV com imageamento simultâneo de alta ampliação da interface secreção-substrato. O MEV foi operado a vácuo baixo (300 Pa), a 12,5 kV, 92–96 µA, tamanho do ponto 6 e distância de trabalho de 6–12 mm. O detector de elétrons secundários gasoso foi usado para visualizar as amostras não revestidas a uma taxa de uma imagem (varredura) por segundo. Filmes foram criados combinando os quadros congelados. A espessura da camada de secreção sob pré-carga foi medida usando as micrografias obtidas do MEV.
Após o teste, as amostras de secreção nos substratos de vidro e asa de barata foram imageadas com um estereomicroscópio Leica 12.5 combinado com a câmera Leica DFC450 e o software Leica Application Suite 4.7.1 (Leica Mikrosysteme Vertrieb GmbH, Wetzlar, Alemanha) para estimar a área de contato usando o software SigmaScan Pro 5.0.0.
Antes de testar uma nova amostra, o substrato de vidro foi limpo enxaguando sucessivamente com acetona e água Aqua Millipore, e então seco com ar comprimido.
Estatísticas
Usando o software SigmaPlot 12.0 (Systat Software, San Jose, CA, EUA), dados com distribuição normal e não normal foram comparados com teste t e ANOVA de uma via ou teste de soma de postos de Mann-Whitney e ANOVA de uma via de Kruskal-Wallis sobre postos, respectivamente. Relações foram avaliadas com regressões linear (RL) e não linear (RNL).
Informações suplementares
Nota do editor
A Springer Nature permanece neutra em relação a reivindicações jurisdicionais em mapas publicados e afiliações institucionais.
Estes autores contribuíram igualmente: Dagmar Voigt, Jaekang Kim, Anne Jantschke e Michael Varenberg.
Informações complementares
estão disponíveis para este artigo em 10.1038/s41598-020-74029-5.
Contribuições dos autores
D.V. concebeu o projeto e preparou o material. D.V., J.K., A.J. realizaram as análises. A interpretação foi feita por D.V., J.K., A.J. e M.V. O artigo foi redigido por D.V., J.K., A.J. e M.V. Todos os autores aprovaram a versão final do manuscrito.
Financiamento
Acesso Aberto financiado e organizado pelo Projekt DEAL.
Disponibilidade de dados
Todos os dados necessários para avaliar as conclusões do artigo estão presentes no artigo e/ou nos Materiais Complementares. Dados adicionais relacionados a este artigo podem ser solicitados aos autores.
Interesses concorrentes
Os autores declaram não haver interesses concorrentes.
Referências
Oetken, I. Anatomie und Feinstruktur der Colleteren von Aesculus hippocastanum L. Dissertation, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät der Universität Bonn (1969).
Charriere-Ladreix, Y. L. Sécrétion lipophile des bourgeons d’Aesculus hippocastanum L.: modifications ultrastructurales des trichomes au cours du processus glandulaire. J. Microsc. Biol. Cell.24, 75–90 (1975).
Ueber die Organe der Harz- und Schleim-Absonderung in den Laubknospen
Plant resins—their formation, secretion and possible functions
Structural, functional and phylogenetic aspects of the colleter
Anatomia de estípulas e coléteres de Psychotria
Mercadante-Simões, M. O. & Sousa Paiva, E. A. Leaf colleters in Tontelea micrantha (Celastraceae, Salacioideae): ecological, morphological and structural aspects. Comptes Rendus Biol.336, 400–406 (2013).
Cotta Coutinho, Í. A., Teodoro Francino, D. M., Strozi, R. M. & Meira, A. New records of colleters in Chamaecrista (Leguminosae, Caesalpinioideae s.l.): structural diversity, secretion, functional role, and taxonomic importance. Int. J. Plant Sci.176, 72–85 (2015).
Efficiency of water utilization by arid zone vegetation
Eco-physiological studies on plants in arid and semi-arid regions in Western Australia: III. Comparative studies on photosynthesis, respiration and water relations of ten arid zone and two semi-arid zone plants under winter and late summer climatic conditions
Distribution and function of resins and glandular hairs in Western Australian plants
Tschirch, A. & Walliczek, H. Untersuchungen über die Sekrete. 3. Studien über die Membranschleime der vegetativen Organe offizineller Pflanzen. Arch. Pharm. Pharm. Med. Chem.231, 313–320 (1893).
Leaf structural peculiarities in Sarcopoterium spinosum, a seasonally dimorphic subshrub
Morphology, seasonal variation, and function of resin glands on buds and leaves of Populus deltoides (Salicaceae)
Miguel, E. C., Gomes, V. M., de Olveira, M. A. & Da Cunha, M. Colleters in Bathysa nicholsonii K. Schum. (Rubiaceae): ultrastructure, secretion protein composition, and antifungal activity. Plant Biol.8, 715–722 (2006).
A functional role for colleters of coffee flowers
Coléteres em Asclepiadoideae (Apocynaceae): proteção dos meristemas contra dessecação e novas funções atribuídas
Morfologia, composição da secreção e aspectos ecológicos de coléteres estipulares em espécies de Rubiaceae de floresta tropical e savana
Sobre a secreção de bálsamo de resina nos brotos jovens de nossas espécies nativas de Populus
Flavonol-agliconas livres na secreção dos botões de espécies de Aesculus
Flavonol-agliconas metiladas em Aesculus
Características da acumulação flavonoide nos tecidos dos órgãos secretores dos botões de Aesculus hippocastanum L
Sobre a presença de duas isoenzimas da fenilalanina-amônia-liase em Aesculus hippocastanum
Uma pista sobre a própolis: nova percepção sobre as fontes e fatores que impulsionam a ingestão de resina em abelhas melíferas (Apis mellifera)
Química e atividades biológicas dos flavonoides: uma revisão
Biossensor enzimático baseado em uricase para detecção não invasiva de ácido úrico por aprisionamento em matriz polimérica de PVA-SbQ
Espectroscopia Raman de lipídios: uma revisão
Análise ratiométrica usando espectroscopia Raman como um poderoso preditor de propriedades estruturais de ácidos graxos
Análise estrutural de triacilgliceróis e óleos comestíveis por espectroscopia Raman de Transformada de Fourier no infravermelho próximo
Adesivos termofixos
Döring, A. Investigações por microscopia de força atômica em adesivos de pressão. Dissertação, Faculdade de Ciências Naturais da Universidade de Ulm, Ulm (2001).
Biodegradação
Anônimo. Adesivos hotmelt de poliamida: um conteúdo de inovação inquestionável. Macplas International na Fakuma, outubro de 2017, 76–77 (2017).
Síntese e caracterização de biodiesel transesterificado de óleo de semente de borracha usando catalisadores de clínquer de cimento
Óleos vegetais para a indústria química
Éteres metílicos de mircetina, quercetina e canferol no óleo dos botões de Aesculus hippocastanum
Flavonas e flavonóis
Adesivos sensíveis à pressão
Adesivos sensíveis à pressão: um curso introdutório
Natureza molecular da adesão sensível à pressão
Observação direta de cavitação e fibrilação em um experimento de tack de sonda em adesivos acrílicos modelo sensíveis à pressão
Fenômenos de superfície em uma interface sólido-líquido e reologia da sensibilidade à pressão
Zonas de transição em juntas adesivas
Papel do comportamento viscoelástico de adesivos sensíveis à pressão no curso dos processos de adesão e desadesão
Teoria da adesividade
Micromecânica de testes de adesão com sonda plana de filmes poliméricos viscoelásticos macios
Ajuste fino das propriedades adesivas de um adesivo nanoestruturado macio com medições reológicas
Dissipação de energia durante a ruptura de ligações adesivas
Comportamento de resinas de troca iônica em solventes diferentes da água
Compreendendo as resinas de troca iônica para sistemas de tratamento de água
Secreção adesiva na planta pegajosa Roridula gorgonias: colagem subaquática
Lakrout, H., Creton, C., Ahn, D. & Shull, K. R. Micromecanismos de adesão de adesivos sensíveis à pressão. In Anais da Conferência Europeia de Física Macromolecular—Superfícies e Interfaces em Polímeros e Compósitos. Lausanne, Suíça, 1 a 6 de junho de 1997, 253–254 (1997).
Força adesiva da cola de captura de insetos de uma planta (Befaria racemosa)
Adesivos sensíveis à pressão de plantas: propriedades químicas semelhantes em linhagens de plantas distantemente relacionadas
Insights mecanísticos das propriedades de liberação controlada de adesivo amida e adesivo hidroxila
Poliamida 4 com grupos de ácidos graxos de cadeia longa—suprimindo a biodegradabilidade de polímeros biodegradáveis
Secreção de cera na barata
Fixação de abelhas e moscas-varejeiras em superfícies de pétalas
Diatomáceas—uma forma “verde” de biossintetizar nanocompósitos de ouro-sílica?
Uso da espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier para analisar materiais biológicos
Tribômetro para microscopia eletrônica de varredura in situ de contatos microestruturados
Testes avançados de adesão e atrito com um microtribômetro