Botanik: Dürrekatastrophe - auch Mikroskopiker betroffen - Phytolacca acinosa *

[Fahrenheit]

Liebe Pflanzenfreunde,

auf dem Grundstück des Nachbarn stehen zwei Indische Kermesbeeren (Phytolacca acinosa) und angelockt von den auberginefarbenen Beeren und dem hellen Grün der Blätter nahm ich einige Proben, um die für mich interessante Pflanze einmal im botanischen Schnitt betrachten zu können.
Der Termin der Probenahme war der 03.08., bei Tageshöchsttemperaturen von gut 36°C. Eigentlich war ich gut vorbereitet mit einem dicht schließenden Beutel und angefeuchtetem Küchenpapier. Allerdings hatten die Blätter bereits einen Großteil ihres Turgor verloren - der Rheinländer sagt, die waren schon arg labberig. Da sie sich auch im Wasser nicht erholen wollten, habe ich das Material dann noch am gleichen Abend geschnitten - mit einigen wundersamen Ergebnissen. aber langsam, zuerst wie immer kurz zur Pflanze selbst.


Die Indische Kermesbeere

Die Indische Kermesbeere (Phytolacca acinosa), auch als Essbare Kermesbeere, Asien-Kermesbeere oder Asiatische Kermesbeere bezeichnet, ist eine Pflanzenart aus der Gattung der Kermesbeeren (Phytolacca). Der Trivialname Kermesbeere stammt vom Persischen "qermez", was rot bedeutet.
Sie ist in Südostasien in China, Japan, Nord- und Südkorea sowie Indien verbreitet, kommt aber auch in Bhutan, Myanmar und Vietnam vor. In Europa wird sie als Zierpflanze genutzt und ist, durch Vögel ausgebreitet, gelegentlich in Weinbergen und Gärten verwildert zu finden.

Bild 1: Laub und Früchte der Indischen Kermesbeere

Aufnahme aus Wikipedia von User GT1876 unter CC BY-SA 4.0 (2017)

Erstmals beschrieben wurde Phytolacca acinosa vom schottischen Botaniker William Roxburgh. Synonyme für Phytolacca acinosa Roxb. sind: Phytolacca decandra L. var. acinosa, Phytolacca esculenta Van Houtte

Bild 2: Durch lange Trockenheit und Hitze war meine Probepflanze nicht mehr ganz so frisch

Die Früchte sind zum größten Teil schon abgefallen bzw. abgefressen, die Pflanze hinterlässt mit ihren hängenden Blättern einen traurigen Eindruck.

Die Indische Kermesbeere wächst als buschige, ausdauernde krautige Pflanze und erreicht Wuchshöhen von über einem Meter. Aus einer rübenartig verdickten Wurzelknolle geht eine hellgrüne bis violette Sprossachse hervor, welche sich stark verzweigt. Die grünen, länglich-ovalen Laubblätter sind bis zu 26 cm lang.

Bild 3: Blüten der Indischen Kermesbeere

Aufnahme aus Wikipedia, von User Meneerke Bloem unter CC BY-SA 3.0 (2012)

Während der Blütezeit zwischen Juni und August erscheinen in endständigen, traubigen Blütenständen die kleinen, weißlichen Blüten. Die Beerenfrüchte sind gekammert und rötlich purpurviolett bis schwarz gefärbt. Blüten- und Fruchtstand stehen aufrecht. Hier unterscheidet sich P. acinosa von P. americana, die hängende Blütenstände und bei Fruchtreife pralle Beeren hat.

Bild 4: Blüten und junge Früchte von Phytolacca acinosa

Aufnahme aus Wikipedia, von User Meneerke Bloem unter CC BY-SA 3.0 (2012). Die gekerbten Früchte sind auch im unreifen Zustand gut zu erkennen.

Die Indische Kermesbeere ist potenziell giftig. Sie enthält das Triterpen-Saponin Phytolaccagenin, allerdings in weit geringerer Konzentration als etwa die Amerikanische Kermesbeere (Phytolacca americana). Es konzentriert sich in der Wurzel und in den Samen. Letztere enthalten zudem Betanin und Iso-Betanin, was ihnen eine rötliche Tönung verleiht. In den Blättern sind weitere Triterpene und in allen Pflanzenteilen verschiedene Proteine (Eiweiße) nachweisbar. Chinesischen Berichten zufolge wirkt Phytolacca acinosa psychoaktiv. Eine betäubende Wirkung ist nicht auszuschließen.

Bild 5: Reife Früchte mit der typischen Farbe und Kerbung

Auch der normalerweise aufrecht stehende Fruchtstand ist durch die Trockenheit bereits in die Waagerechte abgesunken.

Aus altchinesischen Berichten geht hervor, dass die Pflanze in China bereits zwischen 1000 und 500 v. Chr. bekannt war und als Arznei- und Nahrungspflanze genutzt wurde. Junge Blätter werden als Gemüse, Samen als Schneckenmittel verwendet. Die Wurzel (Radix Phytolaccae) wurde als Ersatz für die Schwarze Tollkirsche (Atropa bella-donna) zu Rauschzwecken genutzt, durchaus auch als Zusatz bei der Zubereitung von Sake. In der traditionellen chinesischen Medizin wird die Indische Kermesbeere zur Behandlung von Tumoren, Ödemen und bei bronchialen Beschwerden eingesetzt, in Tibet bei schmerzenden Verletzungen.
Beim Trivialnamen Essbare Kermesbeere ist also durchaus Vorsicht geboten, zumal die Blätter neben ihren Inhaltsstoffen auch mit einer weiteren Überraschung aufwarten, wie wir nachher bei den Schnitten sehen werden.


Präparation:

Geschnitten habe ich den frischen Spross freistehend und das frische Blatt in Möhreneinbettung auf dem Handzylindermikrotom (Tempelchen) mit Leica Einmalklingen im SHK Halter.
Die Schnittdicke beträgt je etwa 60 µm.

Von einigen Schnitten des Blattes habe ich vor der Fixierung noch Aufnahmen vom ungefärbten Frischmaterial gemacht, um die Verteilung der Chloroplasten zeigen zu können.

Nach einer Schnittfixierung in AFE für ca. 12 Stunden wurden beide Schnitte gut mit Aqua dest. ausgespült. Eine Bleiche z.B. mit Chloralhydrat war nicht notwendig.

Gefärbt habe ich mit W3Asim II nach Rolf-Dieter Müller für 7 Minuten mit einmaligem kurzen Erwärmen bis kurz vor den Siedepunkt.
Eine Beschreibung der Färbung findet Ihr hier: W3Asim II im Vergleich auf der Seite des MKB.
Nach der Färbung wurden die Schnitte in Aqua dest. für weitere 12 Stunden mit mehrmaligem Wechsel sanft differenziert.

Eingedeckt sind die Schnitte - nach gründlichem Entwässern in reinem Isopropanol - wie immer in Euparal.


Technik:

Die Aufnahmen sind auf dem Leica DMLS mit dem 5x NPlan, den 10x, 20x und 40x PlanApos und dem 100x PlanFluotar entstanden. Die Kamera ist eine Panasonic GX7, die am Trinotubus des Mikroskops ohne Zwischenoptik direkt adaptiert ist. Die Steuerung der Kamera erfolgt durch einen elektronischen Fernauslöser, die mechanischen Modelle haben keine Sensortaste und halten maximal 1500 Auslösungen durch. Die notwendigen Einstellungen zur Verschlusszeit und den Weißabgleich führe ich vor den Aufnahmeserien direkt an der Kamera durch. Der Vorschub erfolgt manuell anhand der Skala am Feintrieb des DMLS.

Alle Mikroaufnahmen sind mit Zerene Stacker V1.04 (64bit) gestackt. Die anschließende Nachbereitung beschränkt sich auf die Normalisierung und ein leichtes Nachschärfen nach dem Verkleinern auf die 1024er Auflösung (alles mit XNView in der aktuellen Version). Bei stärker verrauschten Aufnahmen lasse ich aber auch mal Neat Image ran.


Nun zu den Schnitten

Beginnen wir mit dem etwa 5,5 mm durchmessenden Spross, hier in mit W3Asim II gefärbten Schnitten.

Bilder 6a,b: Übersicht, Bild 6b mit Beschriftung; alle Aufnahmen gestapelt



Wir sehen den klassischen Aufbau eines Dicotyledonensprosses mit einem großen innen liegenden Markparenchym, das von einem verholzten Xylemring umschlossen ist. Das ins Mark hereinreichende primäre Xylem lässt die Lage der am Anfang vereinzelten Leitbündel des Rings erkennen. Im Xylem finden sich zahlreiche Tracheen und den Abschluss nach Außen bildet ein ebenfalls ringförmiges Kambium, dem das Phloem folgt. Dem hingegen liegt weiter nach außen wieder ein ein bis zweilagiges Sklerenchym auf. Durchbrochen wird der Leitgewebering von um die 3 Zellen breiten Markstrahlen aus parenchymatischen Zellen. Noch weiter nach außen finden wir ein Rindenparenchym, dem ein 6 bis 8 Zellagen dickes Eckenkollenchym als Festigungsgewebe aufliegt. Dies ist nur an den Stellen von Rindenparenchymzellen breit unterbrochen, an denen in der Epidermis ein Stoma liegt. Auf der Epidermis als Abschlussgewebe finden wir eine recht feine Cuticula. Der Beginn eines sekundären Dickenwachstums mit der Bildung eines Periderms ist hier im Bild noch nicht zu erkennen.
Eingelagert ins Rinden- und markparenchym sehen wir immer wieder Raphidenbündel mit kleinen Calciumoxalatspeeren, die Raupen die Mahlzeit verderben sollen.
Informationen zu den Abkürzungen im beschrifteten Bild 6b sowie den folgenden beschrifteten Bildern findet Ihr wie immer auf der Webseite des MKB: Tabelle mit den Kürzeln und den zugehörigen allgemeinen Erläuterungen. 

Bilder 7a-d: Der Querschnitt im Detail, Bilder 7b & d mit Beschriftung; alle Aufnahmen gestapelt





Die im Bild 6b beschriebenen Strukturen finden wir unschwer auch in der Bildserie 7 wieder.

Bevor wir den Spross verlassen, noch einen Blick auf Xylem und Phloem.

Bilder 8a,b: Xylem und Phloem aus dem Leitgewebering, Bild 8b mit Beschriftung; alle Aufnahmen gestapelt



Zwischen Xymel und Phloem können wir die ziegelsteinförmigen Zellen des Cambiums ausmachen, auch die Tüpfel als Verbindung zwischen den Tracheen und dem umgebenden Xylemparenchym sind gut zu erkennen. Leider zeigen sich im Phloem keine Siebplatten, ein Hinweis darauf, dass die Siebzellen insgesamt recht lang sein müssen. Auch Markstrahlen und primäres Xylem sind wieder mit von der Partie.

Bilder 9a,b: Das Eckenkollenchym im Detail, Bild 9b mit Beschriftung, alle Aufnahmen gestapelt



Schön sind die an den Ecken verstärkten Zellwände der Kollenchymzellen zu erkennen, die den Spross von außen versteifen und so seine Belastbarkeit erhöhen. In der Mitte ist das Kollenchymgewebe  unterhalb eines Stomas von Zellen des Rindenparenchyms unterbrochen, um einen ungehinderten Gasaustausch zu ermöglichen.

Bilder 10a,b: Beginn des Sekundären Dickenwachstums durch Bildung eines Periderms, Bild 10b mit Beschriftung, alle Aufnahmen gestapelt



Lentizelle, Periderm oder gar ein Callus (Narbe, Wundgewebe)? Ich habe mich für die Bildung von Periderm entschieden, zumal es in den Schnitten bereits auch breitere Bereiche gibt, die diese Bildung zeigen. Spannend finde ich die vielen Teilungsstadien der Parenchymzellen unterhalb des Periderms, die ich so nicht erwartet hätte.

Nun zur Blattspreite, ebenfalls wieder im Querschnitt. Hier kann ich auch ungefärbte Bilder von den frischen Schnitten zeigen. Der geringer Turgor der Blätter hat allerdings dazu geführt, dass die Zellen der noch recht stabilen Epidermis über die Zellen des Assimilations- und Schwammparenchyms geklappt sind. Der klassische Aufbau des Blattgewebes ist daher oft nicht einwandfrei zu erkennen, dafür gibt es Aufsichten auf die Stomata.

Bilder 11a,d: Die Blattspreite im frischen (a,b) und gefärbten (c,d) Schnitt, Bilder 11b & d mit Beschriftung; alle Aufnahmen gestapelt





Trotz Allem ist ein bifacialer Blattaufbau mit oben liegendem Assimilationsparenchym und dem darunter befindlichen Schwammparenchym zu erkennen. Das Blatt wird auf Ober- und Unterseite von einer einreihigen Epidermis mit einer dünnen Cuticula begrenzt. Ein sepzieller Schutz vor längerer Trockenheit, wie man ihn von auf arrides Klima spezialisierten Pflanzen kennt, ist somit nicht gegeben, zumal es auf beiden Blattseiten auch Stomata gibt. In der ursprünglichen heimat der Indischen Kermesbeere ist es ja auch eher feucht.
Im Blatt eingelagert, genau wie im Spross, eine hohe Anzahl von Raphidenbündeln, die sich beim Verzehr auch des gedünsteten Blattes als Gemüse sicher unangenehm bemerkbar machen, auch wenn sie uns, im Gegensatz zu z.B. Raupen, nicht schaden.
In den ungefärbten Schnitten lässt sich gut die Verteilung der satt grün gefärbten Chloroplasten erkennen.

Nun folgen Bilder einer Nebenrippen des Blattes mit eingelagertem Leitbündel, die Mittelrippe war sehr dick, weswegen ich von Ihrem Schnitt abgesehen habe.

Bilder 12a,d: Nebenrippe mit Leitbündel und angrenzender Blattspreite im frischen (a,b) und gefärbten (c,d) Schnitt, Bilder 12b & d mit Beschriftung; alle Aufnahmen gestapelt





Auch die Gewebe in der Rippe leiden unter Trockenheit, daher der verzerrte Schnitt. Neben dem Leitbündel finden sich im umgebenden Parenchym ebenfalls Raphidenbündel.

Die Aufsicht auf die Stomata im gekippten Epidermisgewebe konnte ich mir natürlich nicht entgehen lassen, also her mit dem Immersionsöl ... Das geht übrigens auch bei den frischen Schnitten, wenn die Wasserschicht unter dem Deckglas recht dünn ist. Da verschiebt sich nichts.

Bilder 13a,f: Stomata in der Aufsicht, a bis d vom frischen Schnitt, e & f gefärbt, Bilder 13b,d 6 f mit Beschriftung, alle Aufnahmen gestapelt







Ein klassisches Stoma, bei dem zwei gebogene Schließzellen die Spaltöffnung umschließen. Diese wird aktiv durch Anstieg des Turgors in den Schließzellen geöffnet, die dazu notwendige Energie wird in den Chloroplasten der Schließzellen direkt vor Ort gewonnen, die in den Bildern 13c & d besonders gut zu erkennen sind.

Vielen Dank fürs Ansehen, Anregung und Kritik sind wie immer willkommen.

Herzliche Grüße
Jörg

16.08.2018: Edit auf Anregung von Detlef - siehe Seine Antwort weiter unten im Thread.

[Hans-Jürgen Koch]

Lieber Jörg,

diese schöne Pflanze fordert einen großen Garten.

Die Indische Kermesbeere verwildert sehr leicht. Sie ist in der Regel nicht sehr beliebt und steht sogar in einigen europäischen Ländern auf der Schwarzen Liste - in Deutschland auf der Roten Liste -.
Ich denke, dass die dünnen langen nadelförmigen Calciumoxalat-Kristalle (Raphiden) den Raupen nicht gut bekommen.

Gruß

Hans-Jürgen

[Fahrenheit]

Lieber Hans-Jürgen,

ja, wenn ich mich recht erinnere, steht sie in der Schweiz auf der Schwarzen Liste.

Was die Raupen an geht: die Raphiden verletzen ihre Darmwand, was zu Wachstumsstörungen und insgesammt schwächeren Individuen führt. Aber die Abwehr der Pflanzen ist viel perfieder: sie enthalten oft neben den Raphiden auch ein Enzym, das das verletzte Gewebe zerstört. Und dies führt dann teils recht schnell zum Tod der Vielfraße.

Dazu gibt es eine Arbeit aus dem Jahr 2014:
"Synergistic Defensive Function of Raphides and Protease through the Needle Effect" von Kotaro Konno, Takashi A. Inoue und Masatoshi Nakamura, der hier zu finden ist: http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0091341.

Herzliche Grüße
Jörg

[Jürgen H.]

Toller Beitrag, lieber Jörg!

Es könnte sich lohnen, die Raphidenbündel einmal mit einer Polarisationseinrichtung zu photographieren.

Weiß man eigentlich, wie die Pflanze so schon parallel gerichtete Bündel hinbekommt? Calciumoxalatkristalle gibt es doch meines Erachtens in allen möglichen Formen in den Pflanzen, z.B auch als ,,Sand"

Schöne Grüße

Jürgen

P.S. im englischen  Wiki lese ich, dass die letale Dosis für Mäuse 15 mg pro kg Körpergewicht :-) betragen soll.

[Detlef Kramer]

Lieber Jörg,

dass Dein Beitrag wieder hervorragend ist, muss nicht besonders hervor gehoben werden, das sind sie immer. Ein paar kritische Anmerkungen: 1. das sekundäre Dickenwachstum wird durch das Kambium initiiert und das ist ja vorhanden. Also, das hat längst eingesetzt. Was Du eigentlich meinst, ist die Peridermbildung durch das Phellogen, oder? 2. Transpirationsschutz besitzt auch diese Pflanze in ihren Blättern. Auch die Stomata dienen dazu, indem sie, selbstgesteuert, die Spalten bei Dürre schließen und somit den Wasserverlust durch Transpiration verhindern. Auch die Cuticula ist durchaus wirksam. ABER: es gibt da zwischen den unterschiedlich Ökotypen sehr wohl sehr große Unterschiede, auf die Du ja schon oft hingewiesen hast. Also: tendenziell hast Du vollkommen recht, aber nicht grundsätzlich - meine bescheidene Meinung.

Lieber Jürgen,

die Form der Ca-oxalat-Kristalle wird durch komplizierte morphogenetische Vorgänge im Cytoplasma (nicht in der Vakuole!) gesteuert, bei denen hauptsächlich das endoplasmatische Reticulum beteiligt ist.

Herzliche Grüße
Detlef

[Fahrenheit]

Lieber Jürgen, lieber Detlef,

vielen Dank für Euer Lob, das mich wie immer sehr freut.

Lieber Detlef,

Dir auch Danke für Deine Hinweise: Du hast Recht, ich habe unsauber - bezüglich des sekundären Dickenwachstums auch falsch - formuliert. Eine Korrektur ist erfolgt.

Zu den Raphiden meine ich gelesen zu haben, dass die einzelnen Speere aus mehreren Kristallen bestehen bzw. bestehen können. Leider finde ich den Beleg dazu nicht mehr. Aber das passt ja auch zu Deinem Hinweis.

Lieber Jürgen,

da hab' ich doch glatt die Pol-Bilder vergessen, die ich hiermit nachliefere. Danke für die Erinnerung.

Bilder 14a-c: Raphiden im frischen (a) und gefärbten (b,c) Schnitt; Bild 14c  mit mit Beschriftung. Alle Aufnahmen gestapelt.




Calciumoxalat ist optisch aktiv, leuchtet also im polarisierten Licht auf. Die beiden letzten Bilder sind mit nicht ganz senkrecht zueinander angeordneten Polfiltern gemacht.

Euch beiden herzliche Grüße
Jörg