STRUCTURE, OPTICAL AND SPECTRAL CHARACTERISTICS OF EPICUTICULAR WAX OF BLUE SPRUCE NEEDLES
Authors: БУХАНОВ Е.Р. , ШЕФЕР А.Д. , ШАБАНОВ А.В. , ГУРЕВИЧ Ю.Л. , КРАХАЛЕВ М.Н. 
Published: July 2024

Предложен метод по отделению чистых пластин эпикутикулярного воска. Использование воды, способной глубоко проникать в восковые структуры под действием сил Ван-дер-Ваальса и расширяться при замерзании, позволяет быстро получить незагрязненные восковые пластины с нативной структурой без каких-либо сторонних химических примесей. С помощью сканирующей электронной микроскопии были получены снимки воска хвои ели голубой ( Picea pungens Engelm.). Определены его морфологические и структурные характеристики. Отличительной особенностью является наличие восковых нанотрубочек с характерными диаметром ~150 нм и длиной 3-5 мкм. Нанотрубочки лежат друг на друге стопками, образуя одномерную длиннопериодическую решетку. Проведены микроскопические наблюдения воска, сделанные в отраженном и прошедшем свете. Показано, что покрытие хвои ели голубой состоит из микрочастичек воска, обладающих структурным окрасом. В широком спектральном диапазоне отдельные частички изменяют цвет от синего до красного, как следствие, большие конгломераты частичек имеют белый цвет. Получены спектры флуоресценции хвои с нативным восковым покровом и той же самой хвои после удаления воска. При сравнении ширины линий флуоресценции на полувысоте хвоинки голубой ели с воском и без, выявлено влияние воскового слоя на время жизни возбужденных электронов в фотосистеме II, тем самым установлена связь между восковым покровом и процессом фотосинтеза. Методом трансфер матриц выполнены расчеты спектров пропускания для решетки, схожей с восковой структурой, хлоропластом и сочетанием восковой структуры с хлоропластом. В последнем варианте длинноволновая зона селективного отражения значительно шире, чем у отдельных случаев. При рассмотрении структуры, содержащей хлоропласт и эпикутикулярный воск, наблюдается небольшое расщепление стоп-зоны, как при наличии дефекта, что способствует высокой концентрации энергии в месте расщепления. Вследствии роста концентрации энергии увеличивается плотность фотонных состояний на соответствующих длинах волн. Этот эффект важен для фотосинтеза, поскольку, согласно золотому правилу Ферми, скорость реакции пропорциональна плотности фотонных состояний. Результаты расчетов находятся в хорошем согласии с экспериментальными спектрами.

A method for separating clean plates of epicuticular wax has been proposed. The use of water, which can penetrate deeply into wax structures under the influence of van der Waals forces and expand upon freezing, allows to quickly obtain uncontaminated wax plates with a native structure without any third-party chemical impurities. Using scanning electron microscopy, images of blue spruce ( Picea pungens Engelm.) needle wax were obtained. Its morphological and structural characteristics have been determined. A distinctive feature is the presence of wax nanotubules with a characteristic diameter of ~150 nm and a length of 3-5 μm. Nanotubes lie on top of each other in stacks, forming a one-dimensional long-period lattice. Microscopic observations of the wax were made in reflected and transmitted light. It has been shown that the coating of blue spruce needles consists of microparticles of wax with a structural color. In a wide spectral range, individual particles change color from blue to red, as a result, large conglomerates of particles are white. Fluorescence spectra of needles with native wax cover and the same needles after wax removal were obtained. When comparing the width of fluorescence lines at half-height of blue spruce needles with and without wax, the influence of the wax layer on the lifetime of excited electrons in photosystem II was revealed, thereby establishing a connection between the wax cover and the process of photosynthesis. Using the matrix transfer method, transmission spectra were calculated for a lattice similar to a waxy structure, a chloroplast, and a combination of a waxy structure with a chloroplast. In the latter version, the long-wave zone of selective reflection is much wider than in individual cases. When examining a structure containing a chloroplast and epicuticular wax, there is a slight splitting of the stop zone, as if there were a defect, which contributes to a high concentration of energy at the site of splitting. Due to an increase in energy concentration, the density of photonic states at the corresponding wavelengths increases. This effect is important for photosynthesis because, according to Fermi’s golden rule, the rate of reaction is proportional to the density of photonic states. The calculation results are in good agreement with the experimental spectra.