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Zum jahres- und tagesperiodischen Verhalten von Zuckeralkoholen in vegetativen Pflanzenteilen
Flora, Abt. A, Bd. 160, S. 561-575 (1969)
Aus dem Botanischen Institut der Universitat Stuttgart
Zum jahres- und tagesperiodischen Verhalten von Zuckeralkoholen in vegetativen Pflanzenteilen Von SIEGMUND SEYBOLD Mit 9 Abbildungen (Eingegangen am 25. Juli 1969)
I. Einleitung DaB hiihere Pflanzen Zuckeralkohole enthalten kiinnen, ist schon lange bekann (PROUST 1806). Da diese Zuckeralkohole oft in betrachtlichen Mengen vorkommen und auch meist leicht auskristaUisieren, haben sie schon frtih physiologisches Interesse gefunden (BORODIN 1890, MONTEVERDE 1892). Ohne Kenntnis dieser alteren Ergebnisse folgten spater die Arbeiten yon OBATON (1929) und ASAI (1932/33, 1936/37). So konnte es zu den sich widersprechenden Befunden kommen, auf die JEREMIAS (1964, S.37ff.) aufmerksam gemacht hat. Es erschien daher notwendig, das physiologischc Verhalten dieser Stoffgruppe in vegetativen Teilen hiiherer Pflanzen, insbesondere ihr speicherphysiologisches Verhalten, im Rahmen des Kohlenhydratstoffwechsels erneut zu untersuchen. Zunachst soIl hier tiber das jahres- und tagesperiodische Verhalten berichtet werden.
2. Material Ais Objekte wurden Fraxinus excelsior L., Malus domestica BORKH. (Sorte: Olgaapfel) und Euonymus europaea L. ausgewahlt. DaB diese Arten in ihren vegetativen Teilen Zuckeralkoholc enthalten, ist schon lange bekannt und vielfach bestatigt worden. So enthalt Fraxinus D-Mannit (ROCHLEDER u. SCHWARZ 1853 u. a., PLOUVlER 1948), Malus Sorbit (= D-Glucit; VINCENT u. DELACHANAL 1889 u. a., WILLIAMS 1966), Euonymus Dulcit (= Galaktit; KUBEL 1862 u. a,., PLOUVIER 1949). Das Blatt- und Rindenmaterial wurde von bestimmten Kulturexemplaren geerntet. Dazu wurden jeweils 1-3jahrige Zweige abgeschnitten und die Blatter und die geschalten Rinden getrennt bei 60°C getrocknet. Das Material fur den Jahresgang wurde in der Mitte jeden Monats gesammelt, fur jede Art zu bestimmter Tageszeit (Malus 9.30 Uhr, Fraxinus und Euonymus 11 Uhr).
3. Methoden DaB bis in jungste Zeit das physiologische Verhalten der Zuckeralkohole nur wenig untersucht wurde, liegt vor aHem wohl an den Schwierigkeiten einer quantitativen Bestimmung. Es muBte zunachst eine Miiglichkeit gefunden werden, aus relativ wenig Trockenmaterial die Zuckeralkoholmenge neben den Anteilen der Zucker und der Starke zu bestimmen. 3S*
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Die meisten Methoden zur quantitativen Zuckeralkoholbestimmung beruhen auf einer Oxydation mit Perjodsaure. Dabei stiiren die im Pflanzenmaterial stets vorhandenen Zucker Fructose, Glucose und Saccharose. Versucht man durch eindimensionale Papierchromatographie die Hexite und Fructose und Glucose zu trennen, so gelingt dies mit allen untersuchten Laufmitteln nur unvollstandig (BRADFIELD u. FLOOD 1950, CASIMIR U. HUYGENS 1953, STEINER U. MAAS 1957, SCHOENEMANN et a1.1961, WALDI u. MUNTER 1962, GENEST U. CHAPMAN 1962, vgl. aber auch REES u. REYNOLDS 1958, WEBB U. BURLEY 19(2). Die Anwendung zweidimensionaler Papierchromatographie ist aber fiir Reihenuntersuchungen zu zeitraubend. Fiir die quantitative Bestimmung der Hexitmengen sind Methoden von IL\MBERT u. NEI8H (1950), BAILEY (1959), GRAHAM (1963,1965) und in einer Ubersicht von LEWIS u. SMITH (1967 b) angegeben worden. Bei BAILEY (1959) findet sich der interessante Hinweis, daB kleinere GlucoseMengen die Perjodsaure-Oxydation nicht stiiren. Eigene Versuche ergaben dann, daB jedoch Fruetose stiirt. Verwendet man zur absteigenden Chromatographie aber Butanol/Athanol/Wasser (4 : 1: 5) als Laufmittel (HOUGH 1950) bei einer Laufzeit von 50-60 Stunden, so wird zwar Glucose von den Hexiten nieht abgetrennt, wohl aber Fructose (und Saceharose). Nach eingehenden Vorversuchen ergab sich dann folgende Bestimmungsmethode: Aus 1 g staubfein gemahlenen Trockenmaterials wurde mit 60%igern Athanol nach den von JEREMIAS (1958) beschriebenen Methoden ein Extrakt hergestellt. Er diente gleichzeitig zur Zukker- und Zuckeralkoholbestimmung. Die Verwendung von Aktivkohle mit Aceton diirfte dabei (lie Werte der Hexite genau so wenig beeintrachtigen wie die der Monosaccharide, da es hier nur auf die MolekiilgriiBe ankommt (HERZOG 1909). Zur Bestimnmng des Zuckeralkoholgehaltes wurde dieser Extrakt auf zwei dreispurige Papierehromatogramme (S. &S. 2043 b rngl) aufgetragen, chromatographiert wie oben beschrieben und jeweils der Mittelstreifen entwickelt. Als giinstiges Spriihreagens envies sieh Vanillin-Perchlorsaure nach GODIN (1954); entwickelt wurde etwa 6-8 Minuten bei 85°C. Dann erschienen die Zuckeralkohole als schwaeh riitliche, in der :vJ:itte bliiuliche Flecken auf schwarzlichem Untergrund. 1m UV-Licht fluoreszieren diese Flecken stark blauviolett. Dieses Reagens ist zwar nicht sehr ernpfindlich, aber es ist spezifischer als die von PARTRIDGE (1948) bzw. von BRADFIELD u. FLOOD (HI50), HOCKENHULL (1903) oder CERBULIS (1955) angegebenen Entwickler. AuBerdem erhalt man die eventuell stiirenden Ketosen als schwarze Flecke mit. Bei den Parallelstreifen wurden dann die analogen Stell en ausgeschnitten und die Zuckeralkohole m.it 10 ml Wasser 30 Minuten bei GO° eluiert. Die quantitative Untersuchung dieses Eluats erfolgte im wesentlichen naeh BAILEY (1959). 2 ml des Eluats wurden in ein Reagenzglas pipettiert, dazu kamen 0,8 mll-n-Sehwefelsaure. Mit 0,2 ml 0,2 m-Perjodsaureliisung wurde 12 Minuten oxydiert, dann mit 0,4 mll-m-Natriumarsenitliisnng abgestoppt. Durch Vorversuche hatte sich ergeben, daB die von BAILEY angegebene Oxydationszeit von 10 }Iinuten nicht optimal ist; trotz starkeren Mitspielens der Glucose ergaben 12 M.inuten einheitlichere Werte. Zur Farbentwicklung wurden dann 2 ml Phenylhydrazinhydroehlorid-Reagens (0,4 %, in 0,4-n-Salzsaure) und 0,2 ml Kaliumhexacyanoferrat(IlI)liisung (5 %) dazugegeben und nach genau 10 Minuten 4,G ml 4-n-Salzsaure. Nach kraftigem Schiitteln wurde sofort die Absorption photometrisch bei 630 m,u gemessen. Aus bekannten Zuckeralkoholmengen wurden Eichkurven aufgestellt und die Werte in Prozent des Trockengewichts erreehnet. Der giinstigste MeBbereich dieser Methode liegt bei 20-40 y Zuckeralkohol in 1 ml Eluat. Die Bestimmung der Zucker erfolgt wie bei JEREMIAS (1968, 1965) besehrieben, die der Starke nach MCCREADY u. a. (1950). Prozentangaben sind stets anf Trockengewicht bezogen. Bei Euonymus-.Material trat die zusatzliche Schwierigkeit auf, daB Dulcit sich in 60%igem Athanol schlecht liist. AuBerdem war das Dulcitvorkomrnen so reichlich, daB im Extrakt der Dnlcit schon bald auskristallisierte. Deshalb muBte hier mit 40%igem Athanol extrahiert werden,
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bei Blattmaterial wurde auBerdem die doppelte Menge des Extraktionsmittels verwendet. Die Priifung eines zweiten Extraktes aus dem Riickstand zeigte, daB sich dann aller Dulcit geliist hatte. Nur bei einigen Spitzenwerten muBte mit der vierfachen Menge extrahiert werden. Die Priifung des Nachextraktes bei Malus und Fraxinus ergab, daB zur Liisung des Sorbits bzw. Mannits schon die normale Extraktionsmenge geniigte. In der Rinde von Euonymus trat von September bis Februar ein unbekannter Stoff auf, der mit dem Vanillin-Reagens dieselbe Farbe wie die Hexite sowohl im Tageslicht als unter UV-Licht zeigte. Der Rf-Wert in Butanol/Athanol/Wasser (4: 1: 5) war 0,06. Beim Bespriihen auf Phosphate mit dem Reagens nach HANES u. ISHERWOOD (1949) erhielt man eine positive Reaktion. Es diirfte sich also um ein Zuckeralkoholphosphat, vermutlich Dulcit-1-Phosphat, handeln. Ein solcher Stoff ist bisher in hiiheren Pflanzen noch nicht aufgefunden worden. Er wurde quantitativ genau wie Dulcit behandelt und gemessen, um sein Verhalten zu beobachten. Die Prozentangaben sind hier also relativ zu verstehen, die richtigen Werte diirften hiiher liegen.
4. Das jahresperiodische Verhalten der Zuckeralkohole in Rinden und Bliittern a) Rinde von Fraxinus excelsior
Das Ergebnis der Untersuchungen zeigt Abb. 1. Das Verhalten der Starke und der Oligosaccharide ist typisch flir viele Holzgewachse und schon mehrfach beschrieben worden (vgl. FISCHER 1890, JEREMIAS 1964, 1967, 1969). Der Gehalt an Monosacchariden bleibt abgesehen vom Hochwinter wahrend des ganzen Jahres fast konstant. Ihre Menge fallt aber gegen die des Mannits kaum ins Gewicht. Dessen Gehalt steigt von Mai bis Juli an, fallt bis zum Herbst etwas zuruck, um im Winter wieder zuzunehmen. 1m Fruhjahr fallt sein Anteil wieder abo Die hiichsten Werte werden im Winter erreicht. Das bestatigt die Befunde von As AI (1932/33) bei Gardenia, dagegen
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Abb.1. Jahresgang der Zucker, des Mannits und der Starke in der Rinde von Fraxinus excelsior (Ernte monatlich, M + Z = Monosaccharide und Zuckeralkohol, 0 = Oligosaccharide, S = Starke).
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nicht die von MONTEVERDE (1892), der im Winter ein Verschwinden des Mannits bei Syringa beobachtete. b) Rinde von Malus domestica (Abb. 2) Starke, Oligo- und Monosaccharide verhalten sich wie erwartet (vgl. auch KOLESNIKOV 1963). Das Verhalten des Sorbits entspricht dem des Mannits bei Fraxinus. AuBer einem hochsommerlichen Maximum liegen die hachsten Werte im Winter. Das bestatigt ahnliche Befunde von SAKAI (1966), die allerdings auf Frischgewicht bezogen sind. "
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c) Rinde von Euonymus europaea (Abb. 3) Diese Art zeigt gegenuber den vorigen ein abweichendes Verhalten. Der EinfluB des Winters auf den Gehalt an Starke und Monosacchariden ist hier gering. Nur bei den Oligosacchariden ist er deutlich, besonders bei der Saccharose. MengenmaBig dominiert jedoch der Dulcit. Sein Anteil steigt von Mai bis Juni steil an und geht dann bis in den Spatwinter hinein kontinuierlich zuruck. Erst im Marz nimmt er wieder zu. Das bestatigt die Beobachtungen MONTEVERDES (1892), der im Winter bei Euonymus keinen Dulcit mehr nachweisen konnte. Von September bis Februar erscheint auch ein Hexitphosphat, vermutlich DUlcit-1-monophosphat. Dieser Stoff ist wahrscheinlich das erste Intermediarprodukt bei der Umwandlung des Dulcits. d) Blatter von Fraxinus excelsior (Abb. 4) Abb. 4 zeigt, daB die jungen Blatter im Mai-Juni den graBten Gehalt an Glucose, Fructose und an Mannit besitzen. Mit zunehmendem Alter gcht aber ihre Menge zuruck. Die Starke hat im August das Maximum ihres Gehalts. Das Verhalten des Mannits entspricht also dem der Monosaccharide und nicht dem der Oligosaccharide oder der Starke. Ahnliche Ergebnisse fand As AI (1932/33) bei Punica. Die Ergebnisse
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Abb. 3. Jahresgang der Zucker, des Dulcits, des Dulcitphosphats und der Starke in der Rinde von Euonymus europaea (Erlauterungen siehe Abb. 1; ZP = Zuckeralkoholphosphat).
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Abb. 4. Das Verhalten der Zucker, des Mannits und der Starke im Blatt von Fraxinus excelsior im Verlauf eines Jahres (Juni bis Oktober und Mai; sonst vgl. Abb. 1).
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von MAAs (1957) bei Fmxinus und anderen Arten sind nicht ohne weiteres vergleichbar, da dort der Pre13saft der Blatter untersucht wurde. e) Blatter von Malus domestica (Abb. 5) Hier zeigt der SorbitgehaIt die wichtigsten Veranderungen. Er steigt von April bis Juni steil an und fallt zum Herbst wieder etwas zuruck. Unter den Zuckern ist nur noch das Auftreten der Raffinose im September und Oktober interessant. WHETTER u. TAPER (1963) bestatigen diese Ergebnisse am selben Objekt, ebenso WILLIAMS (1966) das Verhalten des Sorbits. Auch STANIMIROVIC et al. (1964) beobachteten ahnliche VerhaItnisse bei Mespilus. Die Angaben von MAAs (1957) fUr Malus und Crataegus sind laid~r wieder nicht vergleichbar. f) Blatter von Euonymus europaea (Abb. 6) Diese Art enthaIt sehr viele verschiedene Kohlenhydrate; au13er den in Abb. 6 angegebenen noch Spuren von Galaktose und einer Heptulose. Jedoch fallen aIle gegenuber den gro13en Mengen an Dulcit nicht ins Gewicht. 1m Marz ist Dulcit schon mit fast 6 % i. T. vertreten, er nimmt aber bis zum Juni noch zu und erreicht dort sogar einen Anteil von 16,2 % i. T. Dann fallt er wieder starkzuruck und ist im Oktober nur noch mit 3,4 % vertreten. Dber ein solches Verhalten ist bisher in der Literatur nichts bekannt geworden. Nur bei BORODIN (1890) wird uber eine herbstliche Abnahme (E. japonica) berichtet. Bei den OIigosacchariden ist noch bemerkenswert, da13 die jungen Blatter den hochsten Gehalt an Saccharose, Raffinose und Stachyose besitzell.
5. Das tagesperiodische Verhalten der Zuckeralkohole in Bliittern Hierzu wurden die Blatter von Fraxinus, Malus und Euonymus am 12. 8. 1965 von 5 Uhr bis 2 Uhr (13. 8.) in dreistundigem Abstand geerntet. Das Ergebnis der Analysen zeigen Abb. 7-9. a) Fraxinus excelsior (Abb. 7) Die Starke ist hier einer der hauptsachlichen Reservestoffe. Ihre Menge steigt um 8 Uhr an, geht uber Mittag etwas zuruck und erreicht am spaten Nachmittag ein Maximum. Dann erfolgt der Ruckgang bis zum fruhen Morgen. Dieses VerhaIten gleicht dem der Starke bei Coleus (KULL 1965). Daneben herrscht mengenma13ig der Mannit vor. Sein Anteil nimmt von morgens bis zum spaten Abend zu, abgesehen von einem leichten Ruckgang am Nachmittag, und geht in der Nacht wieder zuruck. Er verhaIt sich damit ahnlich.wie die Monosaccharide, besonders wie Fructose. Jedoch ist bamerkenswert, da13 die Schwankungen im VerhaItnis zum absoluten Wert klein sind. Sie betragen hOchstens 25 % des taglichen Mittelwerts (4,6 %).
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Abb. G. Das Verhalten der Zucker, des Dulcits und der Starke im Blatt von Euonymus europaea im Verlauf eines .Jahres (Mai bis Oktober und Marz bis Mai, sonst vgl. Abb. 1).
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Abb.7. Tagesgang der Zucker, des Mannits und der Starke im Blatt von Fraxinus excelsior (5 Uhr bis 2 Uhr, sonst vgl. Abb. 1).
b) Mal'us domestica (Abb. 8) Hier dominiert allein der Sorbitgehalt. Doch sind seine Veranderungen wieder gering; sie bleiben unter 20 % des Mittelwerts (6,1 %). Der Gehalt erreicht 2 Maxima, eines am fruhen Vormittag und eines am spaten Abend. Damit zeigt sich wieder eine Parallele zu den Monosacchariden, besonders zu Glucose. Die relative Konstanz des Sorbitgehalts bestatigte auch ANDERSON et al. (1961) bei Prunus. MAAs (1957) beobachtete bei Crataegus im PreBsaft der Blatter einen Anstieg des Sorbitgehalts am Tage. c) Euonymus europaea (Abb. 9) Bei diesem Objekt nimmt die Dulcitmenge von morgens bis abends fast nur zu, erst am fruhen Morgen geht sie wieder zuruck. Die Schwankungen betragen hier sogar
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weniger als 15 % des Mittelwerts (8,9 %). Das Verhalten stimmt wieder am besten mit dem der Glucose uberein, die auch am spaten Abend ihr Maximum erreicht. AIle anderen beobachteten Kohlenhydrate zeigen nur wenig Veranderungen. d) Persea gratissima
Diese Art enthalt Perseit (MUNTZ und MARCANO 1884, NORDAL und BENSON 1954 u. a.). Urn wenigstens Anhaltspunkte fur das Verhalten von Heptiten zu finden, wurde der Tagesgang dieses Kohlenhydrats in Blattern von Persea untersucht. Das Blattmaterial war dasselbe, das KULL (1965) hinsichtlich seines Zucker- und Starkegehaltes analysiert hat. Deshalb seien hier nur die Perseitanteile angegegen. 9.30 Uhr 1,8 % 12.00 Uhr 2,0 % 15.00 Uhr 1,8 % 8.00 Uhr 2,9 %
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Die Perseitmenge nimmt also vormittags zu und nachmittags wieder ab, ihr Verhalten ist damit dem der Mannoheptulose entgegengesetzt (KULL 1965, S. 252).
6. Diskussion
Der enge biochemische Zusammenhang zwischen Hexosen und Hexiten wird im diurnalen physiologischen Verhalten deutlich. Mannit und Sorbit zeigen eine gewisse Parallelitat zu den Monosacchariden (Abb. 7 und 8); Dulcit speziell mit Glucose (Abb. 9), was auf ahnliche Entstehung hindeutet. DaB das abendliche Maximum dieser Monosaccharide aber vor dem der Hexite abgebaut wird, ist durch den Umbau in die Transportform zu erkliiren. In der Regel nehmen ja zuerst immer die nichttransportierbaren Kohlenhydrate ab, dann erst die transportierbaren. 1m Gegensatz zu den Hexosen konnen namlich die Hexite im Phloem transportiert werden. Das ist fUr Mannit (ZIMMERMANN 1957, TRIP u. a. 1965) und Sorbit (WEBB und BURLEY 1962) nachgewiesen, fUr Dulcit zu vermuten. Auffallend am tagesperiodischen Verhalten der Zuckeralkohole ist weiter, daB sie - gemessen am absoluten Wert - nur relativ geringe Schwankungen zeigen. Diese erreichen hochstens 25 % des Tagesmittelwerts. Die morgens einsetzende Assimilation wirkt sich also nur wenig auf den Zuckeralkoholgehalt aus. Das ist deshalb bemerkenswert, weil durch Versuche mit C14 0 2 eine rasche Markierung insbesondere von Hexiten nachgewiesen wurde(HuTcHINSON u. a. 1959, ANDERSON u. a.1961, TRIP u. a. 1963, HOUGH u. STACEY 1966b; bei Braunalgen: BIDWELL u. a. 1958, YAMAGUCHI u. a.1966, PARKER 1966; bei Flechten: SMITH 1963; bei Pilzen: EDWARDS und ALLEN 1966). Es liegt daher nahe zu vermuten, da13 nur ein kleiner Teil des gesamten Zuckeralkoholpools rasch umgesetzt werden kann und daB der groBere Teil zunachst dem Zugriff des Energiestoffwechsels entzogen ist. Das jahresperiodische Verhalten der Hexite in sommergrtinen Blattern ist gekennzeichnet durch einen raschen Anstieg des Gehaltes (Ausnahme Fraxinus) , ein Maximum im Juni und einen kontinuierlichen Rtickgang bis zum Herbst (Abb. 4, 5, 6). Der Gehalt tibersteigt in den meisten Fallen den der anderen untersuchten Kohlenhydrate betrachtlich. Euonymus-Blatter enthalten im Juni sogar bis zu 16 % ihres Trockengewichtes an Dulcit. Bemerkenswert ist auch im Frtihjahr der hohe Anteil der Oligosaccharide bei Euonymus und Fraxinus (Abb. 4, 6). Das konnte mit Vorbereitungen zu Wachstumsvorgangen, etwa bei der Bltitenbildung, zusammenhangen. Auch TXUFEL u. a. (1962) berichten, daB bei Verbascum die Hauptphase des Umsatzes der Raffinosezucker mit der Phase der Bildung junger Triebe zusammen-
WIt. Vergleicht man we iter aIle 3 Arten untereinander, so fallt auf, daB manche Einzelschwankungen, die an und fUr sich auf Zufall beruhen konnten, bei einer anderen Art parallel auftreten. So laufen etwa die Schwankungen von Mannit und Sorbit
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(Abb.4 und 5) von Juni bis September parallel, ebenso die UnregelmaBigkeiten des Saccharosegehalts und des Fructosegehalts bei beiden Arten. Auch der Starkegipfel im August tritt bei beiden Arten auf. Diese Ubereinstimmung ist um so tiberraschender, als die Standorte beider Arten in der Luftlinie 7 km (Hohenunterschied 190 m) voneinander entfernt sind. Ein methodischer gemeinsamer Fehler scheidet aus, ebenso eine genetische Verwandtschaft (Oleaceae, Rosaceae). Als einzige Erklarungsmoglichkeit bleiben die Wetterverhaltnisse der jeweiligen Tage, da immer am gleichen Tag geerntet wurde. Diese scheinen also die kleineren Abweichungen im physiologischen Verhalten der Blatter zu bestimmen. Beim Tagesgang hingegen ist das anders, da trotz gleichzeitiger Ernte kaum eine Parallelitat festzustellen ist (Abb. 7, 8, 9). Auf jeden Fall aber sind die Einzelschwankungen im Jahresgang der Kohlenhydrate vie I weniger zufallig, als man zunachst annehmen mochte. 1m jahresperiodischen Verhalten der Rinden zeigen Fraxinus und Malus wieder viele Gemeinsamkeiten (Abb. 1 und 2). Der ZuckeralkoholgehaIt zeigt hier zwei Maxima, eines im Hochsommer und eines im Hochwinter. Die Kurve verlauft speziell im Winter gegenlaufig zur Starkekurve; dem Starkeminimum im Winter entspricht ein Zuckeralkohol-Maximum, dem herbstlichen Starkemaximum ein Zuckeralkohol-Minimum. Fraxinus und Malus verhalten sich also, was die Zuckeralkohole im Winter anbetrifft, wie es ASAI (1932/33) bei Gardenia beschreibt und nicht, wie MONTEVERDE (1892) von Syringa berichtet. ASAI bestatigte seine Befunde auch bei Punica, Osmanthus und J asminum. Auch bei OBATON (1929), der das VerhaIten des Mannits in Rtiben von Apium graveolens untersuchte, kann man anhand der Werte - die allerdings auf Frischgewicht bezogen sind - einen Anstieg im Sommer, einen leichten Rtickgang im Herbst und eine winterliche Zunahme parallel zur Saccharose erkennen. Ebenso berichten ENDO und TANJI (1960), daB Mannit im Acorus-Rhizom vor allem im Winter in gro.Berer Menge auftritt. Dagegen fand TURNOCK (1937), daB Manihot utilissima in der Regenzeit im Sommer mehr Mannit enthalt als in der Trockenzeit im Winter. Dieser Befund steht aber vereinzelt und ist schwer zu deuten, da tiber den Jahresgang der Kohlenhydrate bei Tropenpflanzen praktisch nichts bekannt ist. Die Vermehrung einiger Zuckeralkohole im Winter deutet auf eine mogliche Sonderrolle au.Berhalb des Reservestoffwechsels hin. Auch die relative Konstanz der tagesperiodischen Werte deutet in diese Richtung. HEBER (1958) und HEBER und SANTARIUS (1964) bieten als Erklarungsmoglichkeit eine Schutzwirkung fUr Proteine an. Insbesondere bei Wasserentzug konnten sie diese Wirkung fUr einige Zuckeralkohole nachweisen (SANTARIUS und HEBER 1967). Auch die bessere HaItbarkeit von Mitochondrien in MannitlOsung (FRITZ-NIGGLI 1956) gehort vielleicht in denselben Zusammenhang. Eine ganz eigenttimliche physiologische Verhaltensweise zeigt Euonymus (Abb. 3). Schon FISCHER (1890) ist auf die Sonderstellung dieser Art aufmerksam geworden, doch blieben weitere Untersuchungen fast ganz aus (NEGER 1915, GUSEVA 1950).
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Der Dulcit erreicht zwar im Hochsommer wie die anderen Hexite ein Maximum, hat aber im Winter ein ausgepragtes Minimum (MONTEVERDE 1892). Au.l3erdem tritt von September bis Februar ein Hexitphosphat - vermutlich Dulcit-l-phosphat - auf, das im Dezember ein Maximum erreicht. In dieser Phase wird anscheinend Dulcit tiber dieses Dulcitphosphat in andere Stoffe wie z. B. Oligosaccharide umgewandelt. Starke ist in der Rinde wenig vorhanden, ihr Gehalt zeigt im Winter nur eine leichte Abnahme. Insgesamt kann man somit sagen, daB der Dulcit bei Euonymus die Starke vertritt und auch dasselbe physiologische Verhalten zeigt. Dem entspricht auch, daB das Intermediarprodukt Dulcitphosphat sich ahnlich verbalt wie die Oligosaccharide. Diese besonderen physiologischen Verhaltnisse hangen wahrscheinlich mit der tropisch-subtropischen Herkunft der Celastraceen, die aIle Dulcit fUhren, zusammen. Die Ergebnisse haben gezeigt, daB die Zuckeralkohole in hiiheren Pflanzen keineswegs eine unwichtige Rolle spielen. Sie schlieBen sich in ihrem Verhalten oft den Monosacchariden an, doch zeigen ihre betrachtlichen Mengen, in den en sie auftreten kiinnen, daB sie zumindest im Rahmen des Speicherstoffwechsels nicht mehr vernachlassigt werden kiinnen. Fur die Anregung zu dieser Arbeit und ihre stete Forderung danke ieh Herrn Prof. Dr. K. JEREMIAS herzlieh, auBerdem fur Ratschlage und Hinweise Herrn Prof. Dr. A. ARNOLD sowie Herrn Dr. U. KULL. Fur die Uberlassung einer Probe rein en Perseits bin ich Herrn Doz. Dr. R. GMELIN, Berlin, sehr dankbar. Weiter danke ich der Deutschen Forschungsgemeinschaft fur Sachbeihilfen.
7. Zusammenfassung 1. Eine papierchromatographische Methode zur quantitativen Bestimmung von Zuckeralkoholen neben Zuckern und Starke wurde ausgearbeitet. Mit dieser Methode wurde das physiologische Verhalten der Zuckeralkohole gepriift bei Fraxinus excelsior, Malus domestica und Euonymus europaea. 2. Wahrend der Vegetationsperiode konnen die Blatter dieser Arten betrachtliche Mengen an Zuckeralkoholen enthalten (Fraxinus bis 4,4% i. T., Malus bis 7,8% i. T., Euonymus bis 16,2 %i. T.!). Die Mengen dieser Zuckeralkohole ubertreffen dabei die aller Zucker sowie die Starke. 3. Die tagesperiodischen Schwankungen des Zuckeralkoholgehaltes der Blatter sind gering; sie entsprechen den Schwankungen der Hexosen. 4. In den Rinden von Fraxinus und Malus wird der Mannit- bzw. Sorbitgehalt wahrend des Winters erhoht. Beide Zuckeralkohole verhalten sich gegenlaufig zur Starke. 5. Euonymus europaea verhalt sich anders. Hier erreicht der Dulcitgehalt der Rinde im Winter sein Minimum. In dieser Zeit hiiuft sich jedoch ein Zuckeralkoholphosphat, wahrschein, lich Dulcit-1-phosphat, an. 6. Der hohe Anteil, den die Zuckeralkohole unter den Speicherkohlenhydraten einnehmen konnen, zeigt, daB sie bei speicherungsphysiologischen Untersuchungen zukii.nftig nicht mehr vernachlassigt werden durfen.
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Summary 1. A paper-chromatographic method for the quantitative estimation of sugar alcohols besides sugars and starch was developed. By this method, species of the genera Fraxinus, Malus and Euonymus were tested for the physiological behaviour of their sugar alcohols. 2. Leaves can contain considerable amounts of hexitols, exceeding by far those of sugars (Euonymus up to 16.2 % of dry weight). Diurnal fluctuations are small. 3. During winter the proportion of mannitol, or sorbitol, increases in the bark of FraxinuB, and Malus respectively. The amount of dulcitol then reaches its minimum in Euonymus, with the simultaneous appearance of a sugar alcohol phosphate - probably dulcitol1-phosphate. 4. The high proportion of hexitols among the soluble carbohydrates shows that they maynot be neglected in future physiological research.
Literatur ANDERSON, J. D., P. ANDREWS, L. HOUGH, 1961. The biosynthesis and metabolism of polyols. Sorbitol (D-glucitol) of plum leaves. Biochem. J. 81, 149-154. ASAI, T., 1932/1936. Untersuchungen tiber die Bedeutung des Mannits im Stoffwechsel einiger hiiherer Pflanzen. Teil lund Teil II. Jap. J. of Bot. 6,63-101,1932/33 u. Jap. J. of Bot. 8, 343-366,1936/37. BAILEY, J. M., 1959. A microcolorimetric method for the determination of sorbitol, mannitol and glycerol in biologic fluids. J. Lab. clin. Med. 54, 158-166. BIDWELL, R. G. S., J. S. CRAIGIE, G. KROTKOV, 1958. Biosynthesis of radioactive mannitol from C14 0 2 by Fucus vesiculosus. Science 128, 776. BORODIN, J., 1890. Uber den mikrochemischen Nachweis und die Verbreitung des Dulcits im Pflanzenreich. Rev. d. sc. nat. publiee par la Soc. d. Natural. de St. Petersb. 26-31 u. 55. BRADFIELD, A. E., A. E. FLOOD, 1950. Soluble carbohydrates of fruit plants. Nature (Lond.) 166, 264-265. CASIMIR, J., R. H UYGENS, 1953. Separation des polyalcools par chromatographie sur papier. Arch. intern. physioI. 61, 557 -558. CERBULIS, J., 1955. Paper chromatography of sugar alcohols and their glycosides. Anal. Chem. 27,1400. EDWARDS, H. H., P. J. ALLEN, 1966. Distribution of the products of photosynthesis between powdery mildew and barley. Plant Physiol. 41, 683-688. ENDO, S., K. TANJI, 1960. Physiological chemistry of Acorus gramineus Soland. V. Studies on amino acids and sugar components. Botan. Mag. (Tokyo) 73, 427 -430. FISCHER, A., 1890. Beitriige zur Physiologie der Holzgewiichse. Jb. wiss. Bot. 22, 73 -160. FRITZ-NIGGLI, H., 1956. Mannit als Schutzstoff gegen die Strahlenschiidigung von Lebermitochondrien. Naturw. 43,113-114. GENEST, C., D. G. CHAPMAN, 1962. Extraction and identification of sugar alcohols and other carbohydrates in dietic food. J. Assoc. Offic. Agr. Chemists 41), 422-424. GODIN, P., 1954. A new spray reagent for paper chromatography of polyols and ketoses. Nature (Lond.) 174, 134. GRAHAM, H. D., 1963. Reactions of sugar alcohols with the anthrone reagent. J. Food. Sci. 28, 440-445. - 1965. Quantitative determination of sugar alcohols by the Komarowsky reaction. J. Food. Sci. 30,846-853. GUSEVA, A. R., 1950. Chemical composition of the root of Euonymus verrucosa. Doklady Acad. Nauk. S.S.S.R. 71, 1077 -1080, zit. nach Chem. Abstr. 44, 8427, 1950.
Zum jahres- und tagesperiodischen Verhalten von Zuckeralkoholen usw.
573
HANES, C. S., F. A. ISHERWOOD, 1949. Separation of the phosphoric esters on the filter paper chromatogram. Nature (Lond.) 1G4, 1107 -1112. HEBER, 1.,1958. Ursachen der Frostresistenz bei Winterweizen I. Die Bedeutung der Zucker fur die Frostresistenz. Planta 62,144-172. HEBER, U., K. A. SANTARIUS, 1964. Loss of adenosine triphosphate synthesis caused by freezing and ists relationship to frost hardiness problem. Plant Physiol. 39, 712 -719. HERZOG, R. 0., 1909. Uber die Absorption von Zuckerarten durch Tierkohle. H. S. Z. physiol. Chem. ~O, 79-84. HOCKENHULL, D. J. D., 1953. A new spraying agent for paper chromatography of carbohydrates and polyols. Nature (Lond.) 171, 982. HOUGH, L., 1950. Application of paper partition chromatography to the separation of polyhydric alcohols. Nature (Lond.) 1G6, 400. HOUGH, L., B. E. STACEY, 1966. Biosynthesis and metabolism of allitol and D-allulose in !tea plants; incorporation of 14C02 • Phytochem. 6, 215-222. HUTCHINSON, A., C. D. TAPER, G. H. N. TOWERS, 1959. Studies of phloridzin in Malus. Canad. J. Biochem. Physiol. 37, 901-910. JEREMIAS, K., 1958. Uber den Jahresgang einiger Zucker in den Blattern von Hedera helix L. Planta 62, 195~205. 1964. Uber die jahresperiodisch bedingten Veranderungen der Ablagerungsform der Kohlenhydrate in vegetativen Pflanzenteilen unter besonderer Berucksichtigung der Zucker der Raffinose-Gruppe. Bot. Studien 16, Jena. - 1965. Der EinfluB des Welkens auf den Zucker- und Starkegehalt isolierter Blatter von Teucrium chamaedrys und Brunella grandiflora. Planta G5, 73-82. 1967. Jahreszeitliche Veranderungen im Kohlenhydratgehalt der Rinden von Holzgewachsen. Intern. Sympos. BioI. Woody Plants, Nitra, C.S.S.R. 265-267. 1969. Zur winterlichen Zuckeranhaufung in vegetativen Pflanzenteilen. Ber. Dtsch. Bot. Ges. 82,87-97. KOLESNIKOV, V. A., 1963. Changes in carbohydrates in wwatered apple tree sprouts. Dokl. Mosk. Sel'skokhoz. Akad. No. 88, 291-301. Zit. nach Chem. Abstr. G4, 3970, 1966. KUBEL, W., 1862' Kristallisierbarer mannitahnlicher Stoff aus Euonymus europaeus. J. prakt. Chem. 85,372-374. KULL, U., 1965. Uber das Vorkommen und das physiologische Verhalten der Sedoheptulose im Rahmen des Kohlenhydrathaushaltes vegetativer Pflanzenteile. Beitr. BioI. Pfl. 41, 231-300. LAMBERT, M., A. C. NEISH, 1950. A rapid method for the estimation of glycerol in fermentation solutions. Canad. J. Research B 28, 83-86. LEWIS, D. H., D. C. SMITH, 1967 a. Sugar alcohols (polyols) in fungi and green plants. I. Distribution, physiology, and metabolism. New Phytol. GG, 143-184. - - 1967b .... II. Methods of detection and quantitative estimation in plant extracts. New Phytol. GG, 185-204. MAAS, E., 1957.: Untersuchungen zur Bestimung von Zuckeralkoholen in pflanzlichem Material, ihr Anteil am osmotischen Wert, sowie ein Beitrag zur Kenntnis ihrer Verbreitung bei Phanerogamen. Diss. Bonn. MCCREADY, R. M., J. GUGGOLZ, V. SILVIEIRA, H. S. OWENS, 1950. Determination of starch and amylose in vegetables. Analyt. Chem. 22, 1156-1158. MONTEVERDE, A. N., 1892. Uber die Verbreitung des Mannits und Dulcits im Pflanzenreiche. Scripta bot. horti univ. imp. Petropol. 3, 431-451-467. MUNTZ, A., V. MARCANO, 1884. Sur la perseite, matiere sucree, analogue it la mannite. C. R. Acad. Sci. (Paris) 99, 38-40.
574
S. SEYBOLD
:'-lEGER, F. W., 1915. Die Starkeokonomie der griinen Pflanzen. Natunl'. Z. f. Forst. u. Landwirtschaft 13, 370-380. N ORDAL, A., A. A. BENSON, 1954. Isolation of mannoheptulose and identification of its phosphate in avocado leaves. J. Amer. Chem. Soc. 76,5054-5055. OBATON, F., 1929. Evolution de la mannite (mannitol) chez les vegetaux. Rev. gen. bot. 41,
282-292,365-387,424-440,498-512,555-581,622-636. PAHKER, B. C., 19GG. Translocation in (the giant kelp) Macrocystis. III. Composition of sieve tube exudate and identification of the major HC-Iabelled products. J. Phycol. 2, 38-41. PA nTRIDGE, S. M., 1948. Filterpapier partition chromatography of sugars. Bioehem. J. 42,
238-241. PLouvIEn, V., 1948. Sur l'etude biochimique compan\e de quelques OIeacees. C.R. Acad. Sci. (Paris) 227, 604-606.
1949. Nouvelles recherches sur Ie quebrachitol des SapindaClJes et Hippocastanacees, Ie dulcitol des Cclastracees et Ie saccharose de quelques autres families. C. R. Acad. Sci. (Paris) 228, 1886-1888. PROUST, 180G. Memoire sur Ie sucre de raisin. Ann. Chim. 57, 131-174, 225-272. REES, W. R., T. REYNOLDS, 1958. A solvent for the paper chromatography separation of glucose and sorbitol. Nature (Lond.) 181, 7G7-7G8. ROCHLEDER, F., R. SCHWAnz, 1853. Cber einige Bitterstoffe. S. ber. Kaiser!. Acall. Wiss. Wien, Math.-N. Cl. 9, 70-80. SAKAI, A., 19G6. Seasonal variations in the amounts of polyhydric alcohol and sugar in fruit trees. ,J. Hort. Sci. 41,207-213. SANTARIUS, K. A., U. HEBER, 19G7. Das Verhalten von Hill-Reaktion und Photophosphorylierang isolierter Chloroplasten in Abhiingigkeit vom Wassergehalt. II. Wasserentzug iiber CaCI 2 . Planta 73, 109-137. SCHOENEM.INN, K., G. JESC'HEK, K. FROMMHOLD, 19(;1. Bine Metholle zur quantitativen papierchromatographisehen Bestimmung von Zuekern und Zuckeralkoholen. Z. anal. Chern. 181, 338-350. S~nTH, D. C., 19G3. Studies in the physiology of lichens. IV. Carbohydratps in Peltigem polydaclyla and the utilization of ,absorbed glucose. :'-lew Phytol. 62, 205-2Hi. STANIMITWYIC, D., D. XISTIC, S. STANBnnOYIC, 19G4. Dinamika organskih kiselina, glukoze, fruktoze, sorbitola i mevalolaktonil-p-glikozida u Iistu musmule (Mespilus germanica L.) \l toku vegetacione periode. Arhiv Farm. (Beograd) 14, 283-287. STEIXE/{, M., E. M.I.IS, 1957. Xaehweis und 'l'rennung von Zuckeralkoholen in Pflanzenpreasiiften. Natur\\'. 44, 90-101. TAuFEL, K., A. TAITFEL, H. RUTTLOFF. 191i2. Physiologiseh-ehemische Studien iiber die "Raffinose-FamiIie". Planta 58, 127 -135. TRIP, P., G. KROTKOY, C. D. NELso:'\, 191m. Hiosynthesis of mannitol-C14 from C1I 0 2 by detached leaves of withe ash and lilac. CamHI. J. Bot. 41,1005-1010. TRIP, P., C. D. ~ELSON, G. KROTKOV, 19G5. Selective and preferential translol'atioll of 14C-labeled sugars in white ash and lilal'. Plant Physiol. 40, 740-747. TCRNOCK, B. J. W., 1937. "'tn investigation of the poisonous l'onstitnents of sweet eassava (JJ1anihoi ulill:ssirna) and the Ol'curence of hydroeyanie acid in foods prepared from cassava. J. Trop. Med. Hyg. 40, G5-GG. VINCENT, C., DELACHANAL, 1889. Sur la sorbite et sur sa pr('sence dalls divers fruits de la fa mille des Rosacres. C. R. Acad. Sci. (Paris) 108, 3;'i4-3fiG; 109, G7G-()79.
Zum jahres- und tagesperiodischen Verhalten von Zuckeralkoholen usw.
575
WALDI, D., F. MUNTER, 1962. Eine papierchromatographische Trennung der Zuckeralkohole Dulcit, Mannit und Sorbit unter Beriicksichtigung von Glukose. Naturw. 49, 393. WEBB, K. L., J. W. A. BURLEY, 1962. Sorbitol translocation in apple. Science 137, 766. WHETTER, J. M., C. D. TAPER, 1963. Seasonal occurence of sorbitol (D-glucitol) in buds and leaves of Malus pumila. Can. J. Bot. 41, 175-177. WILLIAMS, M. W., 1966. Relation of sugars and sorbitol to watercore in apples. Proc. Am. Soc. Hort. Sci. 88, 67 -75. YAMAGUCHI, T., T. IKAWA, K. NISHIZAWA, S. NEMOTO, 1966. Incorporation ofradiaoactive carbon from H14CO a- into sugar constituents by a brown alga, Eisenia bicyclis, during photosynthesis and its fate in the dark. Plant Cell Physiol. (Tokyo) 7, 217 -229. Zit. nach Chem. Abstr. 65, 14102. 1966. ZIMMERMANN, M. H., 1957. Translocation of organic substances in trees. II. On the translocation mechanism in the phloem of white ash (Fraxinus americana L.). Plant Physiol. 32, 399-404. Anschrift des Verfassers: Dr. SIEGMUND SEYBOLD, Staatliches Museum fiir Naturkunde, Botanische Abteilung - 7 Stuttgart-O, SchloB Rosenstein.
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Flora, Aht. A, Bd. 160
Aus dem Botanischen Institut der Universitat Stuttgart
Zum jahres- und tagesperiodischen Verhalten von Zuckeralkoholen in vegetativen Pflanzenteilen Von SIEGMUND SEYBOLD Mit 9 Abbildungen (Eingegangen am 25. Juli 1969)
I. Einleitung DaB hiihere Pflanzen Zuckeralkohole enthalten kiinnen, ist schon lange bekann (PROUST 1806). Da diese Zuckeralkohole oft in betrachtlichen Mengen vorkommen und auch meist leicht auskristaUisieren, haben sie schon frtih physiologisches Interesse gefunden (BORODIN 1890, MONTEVERDE 1892). Ohne Kenntnis dieser alteren Ergebnisse folgten spater die Arbeiten yon OBATON (1929) und ASAI (1932/33, 1936/37). So konnte es zu den sich widersprechenden Befunden kommen, auf die JEREMIAS (1964, S.37ff.) aufmerksam gemacht hat. Es erschien daher notwendig, das physiologischc Verhalten dieser Stoffgruppe in vegetativen Teilen hiiherer Pflanzen, insbesondere ihr speicherphysiologisches Verhalten, im Rahmen des Kohlenhydratstoffwechsels erneut zu untersuchen. Zunachst soIl hier tiber das jahres- und tagesperiodische Verhalten berichtet werden.
2. Material Ais Objekte wurden Fraxinus excelsior L., Malus domestica BORKH. (Sorte: Olgaapfel) und Euonymus europaea L. ausgewahlt. DaB diese Arten in ihren vegetativen Teilen Zuckeralkoholc enthalten, ist schon lange bekannt und vielfach bestatigt worden. So enthalt Fraxinus D-Mannit (ROCHLEDER u. SCHWARZ 1853 u. a., PLOUVlER 1948), Malus Sorbit (= D-Glucit; VINCENT u. DELACHANAL 1889 u. a., WILLIAMS 1966), Euonymus Dulcit (= Galaktit; KUBEL 1862 u. a,., PLOUVIER 1949). Das Blatt- und Rindenmaterial wurde von bestimmten Kulturexemplaren geerntet. Dazu wurden jeweils 1-3jahrige Zweige abgeschnitten und die Blatter und die geschalten Rinden getrennt bei 60°C getrocknet. Das Material fur den Jahresgang wurde in der Mitte jeden Monats gesammelt, fur jede Art zu bestimmter Tageszeit (Malus 9.30 Uhr, Fraxinus und Euonymus 11 Uhr).
3. Methoden DaB bis in jungste Zeit das physiologische Verhalten der Zuckeralkohole nur wenig untersucht wurde, liegt vor aHem wohl an den Schwierigkeiten einer quantitativen Bestimmung. Es muBte zunachst eine Miiglichkeit gefunden werden, aus relativ wenig Trockenmaterial die Zuckeralkoholmenge neben den Anteilen der Zucker und der Starke zu bestimmen. 3S*
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Die meisten Methoden zur quantitativen Zuckeralkoholbestimmung beruhen auf einer Oxydation mit Perjodsaure. Dabei stiiren die im Pflanzenmaterial stets vorhandenen Zucker Fructose, Glucose und Saccharose. Versucht man durch eindimensionale Papierchromatographie die Hexite und Fructose und Glucose zu trennen, so gelingt dies mit allen untersuchten Laufmitteln nur unvollstandig (BRADFIELD u. FLOOD 1950, CASIMIR U. HUYGENS 1953, STEINER U. MAAS 1957, SCHOENEMANN et a1.1961, WALDI u. MUNTER 1962, GENEST U. CHAPMAN 1962, vgl. aber auch REES u. REYNOLDS 1958, WEBB U. BURLEY 19(2). Die Anwendung zweidimensionaler Papierchromatographie ist aber fiir Reihenuntersuchungen zu zeitraubend. Fiir die quantitative Bestimmung der Hexitmengen sind Methoden von IL\MBERT u. NEI8H (1950), BAILEY (1959), GRAHAM (1963,1965) und in einer Ubersicht von LEWIS u. SMITH (1967 b) angegeben worden. Bei BAILEY (1959) findet sich der interessante Hinweis, daB kleinere GlucoseMengen die Perjodsaure-Oxydation nicht stiiren. Eigene Versuche ergaben dann, daB jedoch Fruetose stiirt. Verwendet man zur absteigenden Chromatographie aber Butanol/Athanol/Wasser (4 : 1: 5) als Laufmittel (HOUGH 1950) bei einer Laufzeit von 50-60 Stunden, so wird zwar Glucose von den Hexiten nieht abgetrennt, wohl aber Fructose (und Saceharose). Nach eingehenden Vorversuchen ergab sich dann folgende Bestimmungsmethode: Aus 1 g staubfein gemahlenen Trockenmaterials wurde mit 60%igern Athanol nach den von JEREMIAS (1958) beschriebenen Methoden ein Extrakt hergestellt. Er diente gleichzeitig zur Zukker- und Zuckeralkoholbestimmung. Die Verwendung von Aktivkohle mit Aceton diirfte dabei (lie Werte der Hexite genau so wenig beeintrachtigen wie die der Monosaccharide, da es hier nur auf die MolekiilgriiBe ankommt (HERZOG 1909). Zur Bestimnmng des Zuckeralkoholgehaltes wurde dieser Extrakt auf zwei dreispurige Papierehromatogramme (S. &S. 2043 b rngl) aufgetragen, chromatographiert wie oben beschrieben und jeweils der Mittelstreifen entwickelt. Als giinstiges Spriihreagens envies sieh Vanillin-Perchlorsaure nach GODIN (1954); entwickelt wurde etwa 6-8 Minuten bei 85°C. Dann erschienen die Zuckeralkohole als schwaeh riitliche, in der :vJ:itte bliiuliche Flecken auf schwarzlichem Untergrund. 1m UV-Licht fluoreszieren diese Flecken stark blauviolett. Dieses Reagens ist zwar nicht sehr ernpfindlich, aber es ist spezifischer als die von PARTRIDGE (1948) bzw. von BRADFIELD u. FLOOD (HI50), HOCKENHULL (1903) oder CERBULIS (1955) angegebenen Entwickler. AuBerdem erhalt man die eventuell stiirenden Ketosen als schwarze Flecke mit. Bei den Parallelstreifen wurden dann die analogen Stell en ausgeschnitten und die Zuckeralkohole m.it 10 ml Wasser 30 Minuten bei GO° eluiert. Die quantitative Untersuchung dieses Eluats erfolgte im wesentlichen naeh BAILEY (1959). 2 ml des Eluats wurden in ein Reagenzglas pipettiert, dazu kamen 0,8 mll-n-Sehwefelsaure. Mit 0,2 ml 0,2 m-Perjodsaureliisung wurde 12 Minuten oxydiert, dann mit 0,4 mll-m-Natriumarsenitliisnng abgestoppt. Durch Vorversuche hatte sich ergeben, daB die von BAILEY angegebene Oxydationszeit von 10 }Iinuten nicht optimal ist; trotz starkeren Mitspielens der Glucose ergaben 12 M.inuten einheitlichere Werte. Zur Farbentwicklung wurden dann 2 ml Phenylhydrazinhydroehlorid-Reagens (0,4 %, in 0,4-n-Salzsaure) und 0,2 ml Kaliumhexacyanoferrat(IlI)liisung (5 %) dazugegeben und nach genau 10 Minuten 4,G ml 4-n-Salzsaure. Nach kraftigem Schiitteln wurde sofort die Absorption photometrisch bei 630 m,u gemessen. Aus bekannten Zuckeralkoholmengen wurden Eichkurven aufgestellt und die Werte in Prozent des Trockengewichts erreehnet. Der giinstigste MeBbereich dieser Methode liegt bei 20-40 y Zuckeralkohol in 1 ml Eluat. Die Bestimmung der Zucker erfolgt wie bei JEREMIAS (1968, 1965) besehrieben, die der Starke nach MCCREADY u. a. (1950). Prozentangaben sind stets anf Trockengewicht bezogen. Bei Euonymus-.Material trat die zusatzliche Schwierigkeit auf, daB Dulcit sich in 60%igem Athanol schlecht liist. AuBerdem war das Dulcitvorkomrnen so reichlich, daB im Extrakt der Dnlcit schon bald auskristallisierte. Deshalb muBte hier mit 40%igem Athanol extrahiert werden,
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bei Blattmaterial wurde auBerdem die doppelte Menge des Extraktionsmittels verwendet. Die Priifung eines zweiten Extraktes aus dem Riickstand zeigte, daB sich dann aller Dulcit geliist hatte. Nur bei einigen Spitzenwerten muBte mit der vierfachen Menge extrahiert werden. Die Priifung des Nachextraktes bei Malus und Fraxinus ergab, daB zur Liisung des Sorbits bzw. Mannits schon die normale Extraktionsmenge geniigte. In der Rinde von Euonymus trat von September bis Februar ein unbekannter Stoff auf, der mit dem Vanillin-Reagens dieselbe Farbe wie die Hexite sowohl im Tageslicht als unter UV-Licht zeigte. Der Rf-Wert in Butanol/Athanol/Wasser (4: 1: 5) war 0,06. Beim Bespriihen auf Phosphate mit dem Reagens nach HANES u. ISHERWOOD (1949) erhielt man eine positive Reaktion. Es diirfte sich also um ein Zuckeralkoholphosphat, vermutlich Dulcit-1-Phosphat, handeln. Ein solcher Stoff ist bisher in hiiheren Pflanzen noch nicht aufgefunden worden. Er wurde quantitativ genau wie Dulcit behandelt und gemessen, um sein Verhalten zu beobachten. Die Prozentangaben sind hier also relativ zu verstehen, die richtigen Werte diirften hiiher liegen.
4. Das jahresperiodische Verhalten der Zuckeralkohole in Rinden und Bliittern a) Rinde von Fraxinus excelsior
Das Ergebnis der Untersuchungen zeigt Abb. 1. Das Verhalten der Starke und der Oligosaccharide ist typisch flir viele Holzgewachse und schon mehrfach beschrieben worden (vgl. FISCHER 1890, JEREMIAS 1964, 1967, 1969). Der Gehalt an Monosacchariden bleibt abgesehen vom Hochwinter wahrend des ganzen Jahres fast konstant. Ihre Menge fallt aber gegen die des Mannits kaum ins Gewicht. Dessen Gehalt steigt von Mai bis Juli an, fallt bis zum Herbst etwas zuruck, um im Winter wieder zuzunehmen. 1m Fruhjahr fallt sein Anteil wieder abo Die hiichsten Werte werden im Winter erreicht. Das bestatigt die Befunde von As AI (1932/33) bei Gardenia, dagegen
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Abb.1. Jahresgang der Zucker, des Mannits und der Starke in der Rinde von Fraxinus excelsior (Ernte monatlich, M + Z = Monosaccharide und Zuckeralkohol, 0 = Oligosaccharide, S = Starke).
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nicht die von MONTEVERDE (1892), der im Winter ein Verschwinden des Mannits bei Syringa beobachtete. b) Rinde von Malus domestica (Abb. 2) Starke, Oligo- und Monosaccharide verhalten sich wie erwartet (vgl. auch KOLESNIKOV 1963). Das Verhalten des Sorbits entspricht dem des Mannits bei Fraxinus. AuBer einem hochsommerlichen Maximum liegen die hachsten Werte im Winter. Das bestatigt ahnliche Befunde von SAKAI (1966), die allerdings auf Frischgewicht bezogen sind. "
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I%T. Abb.2. Jahresgang der Zucker, des Sorbits und der Starke in der Rinde von Malus domestica (Erlauterungen siehe Abb. 1).
c) Rinde von Euonymus europaea (Abb. 3) Diese Art zeigt gegenuber den vorigen ein abweichendes Verhalten. Der EinfluB des Winters auf den Gehalt an Starke und Monosacchariden ist hier gering. Nur bei den Oligosacchariden ist er deutlich, besonders bei der Saccharose. MengenmaBig dominiert jedoch der Dulcit. Sein Anteil steigt von Mai bis Juni steil an und geht dann bis in den Spatwinter hinein kontinuierlich zuruck. Erst im Marz nimmt er wieder zu. Das bestatigt die Beobachtungen MONTEVERDES (1892), der im Winter bei Euonymus keinen Dulcit mehr nachweisen konnte. Von September bis Februar erscheint auch ein Hexitphosphat, vermutlich DUlcit-1-monophosphat. Dieser Stoff ist wahrscheinlich das erste Intermediarprodukt bei der Umwandlung des Dulcits. d) Blatter von Fraxinus excelsior (Abb. 4) Abb. 4 zeigt, daB die jungen Blatter im Mai-Juni den graBten Gehalt an Glucose, Fructose und an Mannit besitzen. Mit zunehmendem Alter gcht aber ihre Menge zuruck. Die Starke hat im August das Maximum ihres Gehalts. Das Verhalten des Mannits entspricht also dem der Monosaccharide und nicht dem der Oligosaccharide oder der Starke. Ahnliche Ergebnisse fand As AI (1932/33) bei Punica. Die Ergebnisse
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Abb. 3. Jahresgang der Zucker, des Dulcits, des Dulcitphosphats und der Starke in der Rinde von Euonymus europaea (Erlauterungen siehe Abb. 1; ZP = Zuckeralkoholphosphat).
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Abb. 4. Das Verhalten der Zucker, des Mannits und der Starke im Blatt von Fraxinus excelsior im Verlauf eines Jahres (Juni bis Oktober und Mai; sonst vgl. Abb. 1).
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Abb. 5. Das Verhalten der Zucker, des Sorbits und der Starke im Blatt von Malus dorllestica im Verlauf eines Jahres (Mai bis Oktober und April bis Mai; sonst vgl. Abb. 1).
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von MAAs (1957) bei Fmxinus und anderen Arten sind nicht ohne weiteres vergleichbar, da dort der Pre13saft der Blatter untersucht wurde. e) Blatter von Malus domestica (Abb. 5) Hier zeigt der SorbitgehaIt die wichtigsten Veranderungen. Er steigt von April bis Juni steil an und fallt zum Herbst wieder etwas zuruck. Unter den Zuckern ist nur noch das Auftreten der Raffinose im September und Oktober interessant. WHETTER u. TAPER (1963) bestatigen diese Ergebnisse am selben Objekt, ebenso WILLIAMS (1966) das Verhalten des Sorbits. Auch STANIMIROVIC et al. (1964) beobachteten ahnliche VerhaItnisse bei Mespilus. Die Angaben von MAAs (1957) fUr Malus und Crataegus sind laid~r wieder nicht vergleichbar. f) Blatter von Euonymus europaea (Abb. 6) Diese Art enthaIt sehr viele verschiedene Kohlenhydrate; au13er den in Abb. 6 angegebenen noch Spuren von Galaktose und einer Heptulose. Jedoch fallen aIle gegenuber den gro13en Mengen an Dulcit nicht ins Gewicht. 1m Marz ist Dulcit schon mit fast 6 % i. T. vertreten, er nimmt aber bis zum Juni noch zu und erreicht dort sogar einen Anteil von 16,2 % i. T. Dann fallt er wieder starkzuruck und ist im Oktober nur noch mit 3,4 % vertreten. Dber ein solches Verhalten ist bisher in der Literatur nichts bekannt geworden. Nur bei BORODIN (1890) wird uber eine herbstliche Abnahme (E. japonica) berichtet. Bei den OIigosacchariden ist noch bemerkenswert, da13 die jungen Blatter den hochsten Gehalt an Saccharose, Raffinose und Stachyose besitzell.
5. Das tagesperiodische Verhalten der Zuckeralkohole in Bliittern Hierzu wurden die Blatter von Fraxinus, Malus und Euonymus am 12. 8. 1965 von 5 Uhr bis 2 Uhr (13. 8.) in dreistundigem Abstand geerntet. Das Ergebnis der Analysen zeigen Abb. 7-9. a) Fraxinus excelsior (Abb. 7) Die Starke ist hier einer der hauptsachlichen Reservestoffe. Ihre Menge steigt um 8 Uhr an, geht uber Mittag etwas zuruck und erreicht am spaten Nachmittag ein Maximum. Dann erfolgt der Ruckgang bis zum fruhen Morgen. Dieses VerhaIten gleicht dem der Starke bei Coleus (KULL 1965). Daneben herrscht mengenma13ig der Mannit vor. Sein Anteil nimmt von morgens bis zum spaten Abend zu, abgesehen von einem leichten Ruckgang am Nachmittag, und geht in der Nacht wieder zuruck. Er verhaIt sich damit ahnlich.wie die Monosaccharide, besonders wie Fructose. Jedoch ist bamerkenswert, da13 die Schwankungen im VerhaItnis zum absoluten Wert klein sind. Sie betragen hOchstens 25 % des taglichen Mittelwerts (4,6 %).
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Abb.7. Tagesgang der Zucker, des Mannits und der Starke im Blatt von Fraxinus excelsior (5 Uhr bis 2 Uhr, sonst vgl. Abb. 1).
b) Mal'us domestica (Abb. 8) Hier dominiert allein der Sorbitgehalt. Doch sind seine Veranderungen wieder gering; sie bleiben unter 20 % des Mittelwerts (6,1 %). Der Gehalt erreicht 2 Maxima, eines am fruhen Vormittag und eines am spaten Abend. Damit zeigt sich wieder eine Parallele zu den Monosacchariden, besonders zu Glucose. Die relative Konstanz des Sorbitgehalts bestatigte auch ANDERSON et al. (1961) bei Prunus. MAAs (1957) beobachtete bei Crataegus im PreBsaft der Blatter einen Anstieg des Sorbitgehalts am Tage. c) Euonymus europaea (Abb. 9) Bei diesem Objekt nimmt die Dulcitmenge von morgens bis abends fast nur zu, erst am fruhen Morgen geht sie wieder zuruck. Die Schwankungen betragen hier sogar
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weniger als 15 % des Mittelwerts (8,9 %). Das Verhalten stimmt wieder am besten mit dem der Glucose uberein, die auch am spaten Abend ihr Maximum erreicht. AIle anderen beobachteten Kohlenhydrate zeigen nur wenig Veranderungen. d) Persea gratissima
Diese Art enthalt Perseit (MUNTZ und MARCANO 1884, NORDAL und BENSON 1954 u. a.). Urn wenigstens Anhaltspunkte fur das Verhalten von Heptiten zu finden, wurde der Tagesgang dieses Kohlenhydrats in Blattern von Persea untersucht. Das Blattmaterial war dasselbe, das KULL (1965) hinsichtlich seines Zucker- und Starkegehaltes analysiert hat. Deshalb seien hier nur die Perseitanteile angegegen. 9.30 Uhr 1,8 % 12.00 Uhr 2,0 % 15.00 Uhr 1,8 % 8.00 Uhr 2,9 %
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Die Perseitmenge nimmt also vormittags zu und nachmittags wieder ab, ihr Verhalten ist damit dem der Mannoheptulose entgegengesetzt (KULL 1965, S. 252).
6. Diskussion
Der enge biochemische Zusammenhang zwischen Hexosen und Hexiten wird im diurnalen physiologischen Verhalten deutlich. Mannit und Sorbit zeigen eine gewisse Parallelitat zu den Monosacchariden (Abb. 7 und 8); Dulcit speziell mit Glucose (Abb. 9), was auf ahnliche Entstehung hindeutet. DaB das abendliche Maximum dieser Monosaccharide aber vor dem der Hexite abgebaut wird, ist durch den Umbau in die Transportform zu erkliiren. In der Regel nehmen ja zuerst immer die nichttransportierbaren Kohlenhydrate ab, dann erst die transportierbaren. 1m Gegensatz zu den Hexosen konnen namlich die Hexite im Phloem transportiert werden. Das ist fUr Mannit (ZIMMERMANN 1957, TRIP u. a. 1965) und Sorbit (WEBB und BURLEY 1962) nachgewiesen, fUr Dulcit zu vermuten. Auffallend am tagesperiodischen Verhalten der Zuckeralkohole ist weiter, daB sie - gemessen am absoluten Wert - nur relativ geringe Schwankungen zeigen. Diese erreichen hochstens 25 % des Tagesmittelwerts. Die morgens einsetzende Assimilation wirkt sich also nur wenig auf den Zuckeralkoholgehalt aus. Das ist deshalb bemerkenswert, weil durch Versuche mit C14 0 2 eine rasche Markierung insbesondere von Hexiten nachgewiesen wurde(HuTcHINSON u. a. 1959, ANDERSON u. a.1961, TRIP u. a. 1963, HOUGH u. STACEY 1966b; bei Braunalgen: BIDWELL u. a. 1958, YAMAGUCHI u. a.1966, PARKER 1966; bei Flechten: SMITH 1963; bei Pilzen: EDWARDS und ALLEN 1966). Es liegt daher nahe zu vermuten, da13 nur ein kleiner Teil des gesamten Zuckeralkoholpools rasch umgesetzt werden kann und daB der groBere Teil zunachst dem Zugriff des Energiestoffwechsels entzogen ist. Das jahresperiodische Verhalten der Hexite in sommergrtinen Blattern ist gekennzeichnet durch einen raschen Anstieg des Gehaltes (Ausnahme Fraxinus) , ein Maximum im Juni und einen kontinuierlichen Rtickgang bis zum Herbst (Abb. 4, 5, 6). Der Gehalt tibersteigt in den meisten Fallen den der anderen untersuchten Kohlenhydrate betrachtlich. Euonymus-Blatter enthalten im Juni sogar bis zu 16 % ihres Trockengewichtes an Dulcit. Bemerkenswert ist auch im Frtihjahr der hohe Anteil der Oligosaccharide bei Euonymus und Fraxinus (Abb. 4, 6). Das konnte mit Vorbereitungen zu Wachstumsvorgangen, etwa bei der Bltitenbildung, zusammenhangen. Auch TXUFEL u. a. (1962) berichten, daB bei Verbascum die Hauptphase des Umsatzes der Raffinosezucker mit der Phase der Bildung junger Triebe zusammen-
WIt. Vergleicht man we iter aIle 3 Arten untereinander, so fallt auf, daB manche Einzelschwankungen, die an und fUr sich auf Zufall beruhen konnten, bei einer anderen Art parallel auftreten. So laufen etwa die Schwankungen von Mannit und Sorbit
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(Abb.4 und 5) von Juni bis September parallel, ebenso die UnregelmaBigkeiten des Saccharosegehalts und des Fructosegehalts bei beiden Arten. Auch der Starkegipfel im August tritt bei beiden Arten auf. Diese Ubereinstimmung ist um so tiberraschender, als die Standorte beider Arten in der Luftlinie 7 km (Hohenunterschied 190 m) voneinander entfernt sind. Ein methodischer gemeinsamer Fehler scheidet aus, ebenso eine genetische Verwandtschaft (Oleaceae, Rosaceae). Als einzige Erklarungsmoglichkeit bleiben die Wetterverhaltnisse der jeweiligen Tage, da immer am gleichen Tag geerntet wurde. Diese scheinen also die kleineren Abweichungen im physiologischen Verhalten der Blatter zu bestimmen. Beim Tagesgang hingegen ist das anders, da trotz gleichzeitiger Ernte kaum eine Parallelitat festzustellen ist (Abb. 7, 8, 9). Auf jeden Fall aber sind die Einzelschwankungen im Jahresgang der Kohlenhydrate vie I weniger zufallig, als man zunachst annehmen mochte. 1m jahresperiodischen Verhalten der Rinden zeigen Fraxinus und Malus wieder viele Gemeinsamkeiten (Abb. 1 und 2). Der ZuckeralkoholgehaIt zeigt hier zwei Maxima, eines im Hochsommer und eines im Hochwinter. Die Kurve verlauft speziell im Winter gegenlaufig zur Starkekurve; dem Starkeminimum im Winter entspricht ein Zuckeralkohol-Maximum, dem herbstlichen Starkemaximum ein Zuckeralkohol-Minimum. Fraxinus und Malus verhalten sich also, was die Zuckeralkohole im Winter anbetrifft, wie es ASAI (1932/33) bei Gardenia beschreibt und nicht, wie MONTEVERDE (1892) von Syringa berichtet. ASAI bestatigte seine Befunde auch bei Punica, Osmanthus und J asminum. Auch bei OBATON (1929), der das VerhaIten des Mannits in Rtiben von Apium graveolens untersuchte, kann man anhand der Werte - die allerdings auf Frischgewicht bezogen sind - einen Anstieg im Sommer, einen leichten Rtickgang im Herbst und eine winterliche Zunahme parallel zur Saccharose erkennen. Ebenso berichten ENDO und TANJI (1960), daB Mannit im Acorus-Rhizom vor allem im Winter in gro.Berer Menge auftritt. Dagegen fand TURNOCK (1937), daB Manihot utilissima in der Regenzeit im Sommer mehr Mannit enthalt als in der Trockenzeit im Winter. Dieser Befund steht aber vereinzelt und ist schwer zu deuten, da tiber den Jahresgang der Kohlenhydrate bei Tropenpflanzen praktisch nichts bekannt ist. Die Vermehrung einiger Zuckeralkohole im Winter deutet auf eine mogliche Sonderrolle au.Berhalb des Reservestoffwechsels hin. Auch die relative Konstanz der tagesperiodischen Werte deutet in diese Richtung. HEBER (1958) und HEBER und SANTARIUS (1964) bieten als Erklarungsmoglichkeit eine Schutzwirkung fUr Proteine an. Insbesondere bei Wasserentzug konnten sie diese Wirkung fUr einige Zuckeralkohole nachweisen (SANTARIUS und HEBER 1967). Auch die bessere HaItbarkeit von Mitochondrien in MannitlOsung (FRITZ-NIGGLI 1956) gehort vielleicht in denselben Zusammenhang. Eine ganz eigenttimliche physiologische Verhaltensweise zeigt Euonymus (Abb. 3). Schon FISCHER (1890) ist auf die Sonderstellung dieser Art aufmerksam geworden, doch blieben weitere Untersuchungen fast ganz aus (NEGER 1915, GUSEVA 1950).
Zum jahres- und tagesperiodisehen Verhalten von Zuekeralkoholen usw.
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Der Dulcit erreicht zwar im Hochsommer wie die anderen Hexite ein Maximum, hat aber im Winter ein ausgepragtes Minimum (MONTEVERDE 1892). Au.l3erdem tritt von September bis Februar ein Hexitphosphat - vermutlich Dulcit-l-phosphat - auf, das im Dezember ein Maximum erreicht. In dieser Phase wird anscheinend Dulcit tiber dieses Dulcitphosphat in andere Stoffe wie z. B. Oligosaccharide umgewandelt. Starke ist in der Rinde wenig vorhanden, ihr Gehalt zeigt im Winter nur eine leichte Abnahme. Insgesamt kann man somit sagen, daB der Dulcit bei Euonymus die Starke vertritt und auch dasselbe physiologische Verhalten zeigt. Dem entspricht auch, daB das Intermediarprodukt Dulcitphosphat sich ahnlich verbalt wie die Oligosaccharide. Diese besonderen physiologischen Verhaltnisse hangen wahrscheinlich mit der tropisch-subtropischen Herkunft der Celastraceen, die aIle Dulcit fUhren, zusammen. Die Ergebnisse haben gezeigt, daB die Zuckeralkohole in hiiheren Pflanzen keineswegs eine unwichtige Rolle spielen. Sie schlieBen sich in ihrem Verhalten oft den Monosacchariden an, doch zeigen ihre betrachtlichen Mengen, in den en sie auftreten kiinnen, daB sie zumindest im Rahmen des Speicherstoffwechsels nicht mehr vernachlassigt werden kiinnen. Fur die Anregung zu dieser Arbeit und ihre stete Forderung danke ieh Herrn Prof. Dr. K. JEREMIAS herzlieh, auBerdem fur Ratschlage und Hinweise Herrn Prof. Dr. A. ARNOLD sowie Herrn Dr. U. KULL. Fur die Uberlassung einer Probe rein en Perseits bin ich Herrn Doz. Dr. R. GMELIN, Berlin, sehr dankbar. Weiter danke ich der Deutschen Forschungsgemeinschaft fur Sachbeihilfen.
7. Zusammenfassung 1. Eine papierchromatographische Methode zur quantitativen Bestimmung von Zuckeralkoholen neben Zuckern und Starke wurde ausgearbeitet. Mit dieser Methode wurde das physiologische Verhalten der Zuckeralkohole gepriift bei Fraxinus excelsior, Malus domestica und Euonymus europaea. 2. Wahrend der Vegetationsperiode konnen die Blatter dieser Arten betrachtliche Mengen an Zuckeralkoholen enthalten (Fraxinus bis 4,4% i. T., Malus bis 7,8% i. T., Euonymus bis 16,2 %i. T.!). Die Mengen dieser Zuckeralkohole ubertreffen dabei die aller Zucker sowie die Starke. 3. Die tagesperiodischen Schwankungen des Zuckeralkoholgehaltes der Blatter sind gering; sie entsprechen den Schwankungen der Hexosen. 4. In den Rinden von Fraxinus und Malus wird der Mannit- bzw. Sorbitgehalt wahrend des Winters erhoht. Beide Zuckeralkohole verhalten sich gegenlaufig zur Starke. 5. Euonymus europaea verhalt sich anders. Hier erreicht der Dulcitgehalt der Rinde im Winter sein Minimum. In dieser Zeit hiiuft sich jedoch ein Zuckeralkoholphosphat, wahrschein, lich Dulcit-1-phosphat, an. 6. Der hohe Anteil, den die Zuckeralkohole unter den Speicherkohlenhydraten einnehmen konnen, zeigt, daB sie bei speicherungsphysiologischen Untersuchungen zukii.nftig nicht mehr vernachlassigt werden durfen.
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Summary 1. A paper-chromatographic method for the quantitative estimation of sugar alcohols besides sugars and starch was developed. By this method, species of the genera Fraxinus, Malus and Euonymus were tested for the physiological behaviour of their sugar alcohols. 2. Leaves can contain considerable amounts of hexitols, exceeding by far those of sugars (Euonymus up to 16.2 % of dry weight). Diurnal fluctuations are small. 3. During winter the proportion of mannitol, or sorbitol, increases in the bark of FraxinuB, and Malus respectively. The amount of dulcitol then reaches its minimum in Euonymus, with the simultaneous appearance of a sugar alcohol phosphate - probably dulcitol1-phosphate. 4. The high proportion of hexitols among the soluble carbohydrates shows that they maynot be neglected in future physiological research.
Literatur ANDERSON, J. D., P. ANDREWS, L. HOUGH, 1961. The biosynthesis and metabolism of polyols. Sorbitol (D-glucitol) of plum leaves. Biochem. J. 81, 149-154. ASAI, T., 1932/1936. Untersuchungen tiber die Bedeutung des Mannits im Stoffwechsel einiger hiiherer Pflanzen. Teil lund Teil II. Jap. J. of Bot. 6,63-101,1932/33 u. Jap. J. of Bot. 8, 343-366,1936/37. BAILEY, J. M., 1959. A microcolorimetric method for the determination of sorbitol, mannitol and glycerol in biologic fluids. J. Lab. clin. Med. 54, 158-166. BIDWELL, R. G. S., J. S. CRAIGIE, G. KROTKOV, 1958. Biosynthesis of radioactive mannitol from C14 0 2 by Fucus vesiculosus. Science 128, 776. BORODIN, J., 1890. Uber den mikrochemischen Nachweis und die Verbreitung des Dulcits im Pflanzenreich. Rev. d. sc. nat. publiee par la Soc. d. Natural. de St. Petersb. 26-31 u. 55. BRADFIELD, A. E., A. E. FLOOD, 1950. Soluble carbohydrates of fruit plants. Nature (Lond.) 166, 264-265. CASIMIR, J., R. H UYGENS, 1953. Separation des polyalcools par chromatographie sur papier. Arch. intern. physioI. 61, 557 -558. CERBULIS, J., 1955. Paper chromatography of sugar alcohols and their glycosides. Anal. Chem. 27,1400. EDWARDS, H. H., P. J. ALLEN, 1966. Distribution of the products of photosynthesis between powdery mildew and barley. Plant Physiol. 41, 683-688. ENDO, S., K. TANJI, 1960. Physiological chemistry of Acorus gramineus Soland. V. Studies on amino acids and sugar components. Botan. Mag. (Tokyo) 73, 427 -430. FISCHER, A., 1890. Beitriige zur Physiologie der Holzgewiichse. Jb. wiss. Bot. 22, 73 -160. FRITZ-NIGGLI, H., 1956. Mannit als Schutzstoff gegen die Strahlenschiidigung von Lebermitochondrien. Naturw. 43,113-114. GENEST, C., D. G. CHAPMAN, 1962. Extraction and identification of sugar alcohols and other carbohydrates in dietic food. J. Assoc. Offic. Agr. Chemists 41), 422-424. GODIN, P., 1954. A new spray reagent for paper chromatography of polyols and ketoses. Nature (Lond.) 174, 134. GRAHAM, H. D., 1963. Reactions of sugar alcohols with the anthrone reagent. J. Food. Sci. 28, 440-445. - 1965. Quantitative determination of sugar alcohols by the Komarowsky reaction. J. Food. Sci. 30,846-853. GUSEVA, A. R., 1950. Chemical composition of the root of Euonymus verrucosa. Doklady Acad. Nauk. S.S.S.R. 71, 1077 -1080, zit. nach Chem. Abstr. 44, 8427, 1950.
Zum jahres- und tagesperiodischen Verhalten von Zuckeralkoholen usw.
573
HANES, C. S., F. A. ISHERWOOD, 1949. Separation of the phosphoric esters on the filter paper chromatogram. Nature (Lond.) 1G4, 1107 -1112. HEBER, 1.,1958. Ursachen der Frostresistenz bei Winterweizen I. Die Bedeutung der Zucker fur die Frostresistenz. Planta 62,144-172. HEBER, U., K. A. SANTARIUS, 1964. Loss of adenosine triphosphate synthesis caused by freezing and ists relationship to frost hardiness problem. Plant Physiol. 39, 712 -719. HERZOG, R. 0., 1909. Uber die Absorption von Zuckerarten durch Tierkohle. H. S. Z. physiol. Chem. ~O, 79-84. HOCKENHULL, D. J. D., 1953. A new spraying agent for paper chromatography of carbohydrates and polyols. Nature (Lond.) 171, 982. HOUGH, L., 1950. Application of paper partition chromatography to the separation of polyhydric alcohols. Nature (Lond.) 1G6, 400. HOUGH, L., B. E. STACEY, 1966. Biosynthesis and metabolism of allitol and D-allulose in !tea plants; incorporation of 14C02 • Phytochem. 6, 215-222. HUTCHINSON, A., C. D. TAPER, G. H. N. TOWERS, 1959. Studies of phloridzin in Malus. Canad. J. Biochem. Physiol. 37, 901-910. JEREMIAS, K., 1958. Uber den Jahresgang einiger Zucker in den Blattern von Hedera helix L. Planta 62, 195~205. 1964. Uber die jahresperiodisch bedingten Veranderungen der Ablagerungsform der Kohlenhydrate in vegetativen Pflanzenteilen unter besonderer Berucksichtigung der Zucker der Raffinose-Gruppe. Bot. Studien 16, Jena. - 1965. Der EinfluB des Welkens auf den Zucker- und Starkegehalt isolierter Blatter von Teucrium chamaedrys und Brunella grandiflora. Planta G5, 73-82. 1967. Jahreszeitliche Veranderungen im Kohlenhydratgehalt der Rinden von Holzgewachsen. Intern. Sympos. BioI. Woody Plants, Nitra, C.S.S.R. 265-267. 1969. Zur winterlichen Zuckeranhaufung in vegetativen Pflanzenteilen. Ber. Dtsch. Bot. Ges. 82,87-97. KOLESNIKOV, V. A., 1963. Changes in carbohydrates in wwatered apple tree sprouts. Dokl. Mosk. Sel'skokhoz. Akad. No. 88, 291-301. Zit. nach Chem. Abstr. G4, 3970, 1966. KUBEL, W., 1862' Kristallisierbarer mannitahnlicher Stoff aus Euonymus europaeus. J. prakt. Chem. 85,372-374. KULL, U., 1965. Uber das Vorkommen und das physiologische Verhalten der Sedoheptulose im Rahmen des Kohlenhydrathaushaltes vegetativer Pflanzenteile. Beitr. BioI. Pfl. 41, 231-300. LAMBERT, M., A. C. NEISH, 1950. A rapid method for the estimation of glycerol in fermentation solutions. Canad. J. Research B 28, 83-86. LEWIS, D. H., D. C. SMITH, 1967 a. Sugar alcohols (polyols) in fungi and green plants. I. Distribution, physiology, and metabolism. New Phytol. GG, 143-184. - - 1967b .... II. Methods of detection and quantitative estimation in plant extracts. New Phytol. GG, 185-204. MAAS, E., 1957.: Untersuchungen zur Bestimung von Zuckeralkoholen in pflanzlichem Material, ihr Anteil am osmotischen Wert, sowie ein Beitrag zur Kenntnis ihrer Verbreitung bei Phanerogamen. Diss. Bonn. MCCREADY, R. M., J. GUGGOLZ, V. SILVIEIRA, H. S. OWENS, 1950. Determination of starch and amylose in vegetables. Analyt. Chem. 22, 1156-1158. MONTEVERDE, A. N., 1892. Uber die Verbreitung des Mannits und Dulcits im Pflanzenreiche. Scripta bot. horti univ. imp. Petropol. 3, 431-451-467. MUNTZ, A., V. MARCANO, 1884. Sur la perseite, matiere sucree, analogue it la mannite. C. R. Acad. Sci. (Paris) 99, 38-40.
574
S. SEYBOLD
:'-lEGER, F. W., 1915. Die Starkeokonomie der griinen Pflanzen. Natunl'. Z. f. Forst. u. Landwirtschaft 13, 370-380. N ORDAL, A., A. A. BENSON, 1954. Isolation of mannoheptulose and identification of its phosphate in avocado leaves. J. Amer. Chem. Soc. 76,5054-5055. OBATON, F., 1929. Evolution de la mannite (mannitol) chez les vegetaux. Rev. gen. bot. 41,
282-292,365-387,424-440,498-512,555-581,622-636. PAHKER, B. C., 19GG. Translocation in (the giant kelp) Macrocystis. III. Composition of sieve tube exudate and identification of the major HC-Iabelled products. J. Phycol. 2, 38-41. PA nTRIDGE, S. M., 1948. Filterpapier partition chromatography of sugars. Bioehem. J. 42,
238-241. PLouvIEn, V., 1948. Sur l'etude biochimique compan\e de quelques OIeacees. C.R. Acad. Sci. (Paris) 227, 604-606.
1949. Nouvelles recherches sur Ie quebrachitol des SapindaClJes et Hippocastanacees, Ie dulcitol des Cclastracees et Ie saccharose de quelques autres families. C. R. Acad. Sci. (Paris) 228, 1886-1888. PROUST, 180G. Memoire sur Ie sucre de raisin. Ann. Chim. 57, 131-174, 225-272. REES, W. R., T. REYNOLDS, 1958. A solvent for the paper chromatography separation of glucose and sorbitol. Nature (Lond.) 181, 7G7-7G8. ROCHLEDER, F., R. SCHWAnz, 1853. Cber einige Bitterstoffe. S. ber. Kaiser!. Acall. Wiss. Wien, Math.-N. Cl. 9, 70-80. SAKAI, A., 19G6. Seasonal variations in the amounts of polyhydric alcohol and sugar in fruit trees. ,J. Hort. Sci. 41,207-213. SANTARIUS, K. A., U. HEBER, 19G7. Das Verhalten von Hill-Reaktion und Photophosphorylierang isolierter Chloroplasten in Abhiingigkeit vom Wassergehalt. II. Wasserentzug iiber CaCI 2 . Planta 73, 109-137. SCHOENEM.INN, K., G. JESC'HEK, K. FROMMHOLD, 19(;1. Bine Metholle zur quantitativen papierchromatographisehen Bestimmung von Zuekern und Zuckeralkoholen. Z. anal. Chern. 181, 338-350. S~nTH, D. C., 19G3. Studies in the physiology of lichens. IV. Carbohydratps in Peltigem polydaclyla and the utilization of ,absorbed glucose. :'-lew Phytol. 62, 205-2Hi. STANIMITWYIC, D., D. XISTIC, S. STANBnnOYIC, 19G4. Dinamika organskih kiselina, glukoze, fruktoze, sorbitola i mevalolaktonil-p-glikozida u Iistu musmule (Mespilus germanica L.) \l toku vegetacione periode. Arhiv Farm. (Beograd) 14, 283-287. STEIXE/{, M., E. M.I.IS, 1957. Xaehweis und 'l'rennung von Zuckeralkoholen in Pflanzenpreasiiften. Natur\\'. 44, 90-101. TAuFEL, K., A. TAITFEL, H. RUTTLOFF. 191i2. Physiologiseh-ehemische Studien iiber die "Raffinose-FamiIie". Planta 58, 127 -135. TRIP, P., G. KROTKOY, C. D. NELso:'\, 191m. Hiosynthesis of mannitol-C14 from C1I 0 2 by detached leaves of withe ash and lilac. CamHI. J. Bot. 41,1005-1010. TRIP, P., C. D. ~ELSON, G. KROTKOV, 19G5. Selective and preferential translol'atioll of 14C-labeled sugars in white ash and lilal'. Plant Physiol. 40, 740-747. TCRNOCK, B. J. W., 1937. "'tn investigation of the poisonous l'onstitnents of sweet eassava (JJ1anihoi ulill:ssirna) and the Ol'curence of hydroeyanie acid in foods prepared from cassava. J. Trop. Med. Hyg. 40, G5-GG. VINCENT, C., DELACHANAL, 1889. Sur la sorbite et sur sa pr('sence dalls divers fruits de la fa mille des Rosacres. C. R. Acad. Sci. (Paris) 108, 3;'i4-3fiG; 109, G7G-()79.
Zum jahres- und tagesperiodischen Verhalten von Zuckeralkoholen usw.
575
WALDI, D., F. MUNTER, 1962. Eine papierchromatographische Trennung der Zuckeralkohole Dulcit, Mannit und Sorbit unter Beriicksichtigung von Glukose. Naturw. 49, 393. WEBB, K. L., J. W. A. BURLEY, 1962. Sorbitol translocation in apple. Science 137, 766. WHETTER, J. M., C. D. TAPER, 1963. Seasonal occurence of sorbitol (D-glucitol) in buds and leaves of Malus pumila. Can. J. Bot. 41, 175-177. WILLIAMS, M. W., 1966. Relation of sugars and sorbitol to watercore in apples. Proc. Am. Soc. Hort. Sci. 88, 67 -75. YAMAGUCHI, T., T. IKAWA, K. NISHIZAWA, S. NEMOTO, 1966. Incorporation ofradiaoactive carbon from H14CO a- into sugar constituents by a brown alga, Eisenia bicyclis, during photosynthesis and its fate in the dark. Plant Cell Physiol. (Tokyo) 7, 217 -229. Zit. nach Chem. Abstr. 65, 14102. 1966. ZIMMERMANN, M. H., 1957. Translocation of organic substances in trees. II. On the translocation mechanism in the phloem of white ash (Fraxinus americana L.). Plant Physiol. 32, 399-404. Anschrift des Verfassers: Dr. SIEGMUND SEYBOLD, Staatliches Museum fiir Naturkunde, Botanische Abteilung - 7 Stuttgart-O, SchloB Rosenstein.
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Flora, Aht. A, Bd. 160