Die Häufigkeit und die Mechanismen von trockenheitsinduziertem hydraulischem Versagen in holzigen Angiospermen in gemäßigten und tropischen Biomen

• Antragsteller: Professor Dr. Steven Jansen
• Fachliche Zuordnung: Ökologie und Biodiversität der Pflanzen und Ökosysteme
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410768178

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wurde die zeitliche Häufigkeit von Embolien (d. h. Lufteintritt) im Xylemgewebe von holzigen Angiospermen untersucht. Dieses Thema ist angesichts der aktuellen Besorgnis über Klimawandel und die Rolle des hydraulischen Versagens bei Waldsterben und verringerter Ernteproduktivität relevant. Wir bestätigten, dass Embolien selten und nur bei großer Trockenheit auftreten. Außerdem haben wir gezeigt, dass Stammund Blattxylem ebenso resistent gegen Embolie sind. Wir verbesserten und validierten die pneumatische Methode zur Bestimmung der Embolieresistenz anhand experimenteller Arbeiten und eines Modells zur Gasdiffusionskinetik. Anatomische Beobachtungen bestätigten, dass die Dicke der porösen Wände zwischen den wasserführenden Zellen eine wichtige Rolle bei der Embolieresistenz spielt und dass diese Wände mit der Zeit schrumpfen. Es wurde festgestellt, dass die Schrumpfung bei der Lianenart Clematis vitalba mit einer erhöhten Steifheit und bei der Weinrebe mit einer erhöhten Embolieresistenz verbunden ist. Schließlich ergab die chemische Analyse des Xylemsaftes, dass polare Xylemsaftlipide bei Angiospermen universell sind. Wir konnten keine signifikanten Unterschiede in der Lipidkonzentration und -chemie an den verschiedenen Standorten feststellen. Es gab auch keine Hinweise auf jahreszeitliche Veränderungen in der Lipidzusammensetzung an den gemäßigten und tropischen Standorten, was darauf hindeutet, dass die polaren Lipide im Xylemsaft aus zytoplasmatischen Resten stammen. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass polare Lipide mit Nanoblasen im Xylemsaft zusammenhängen und dass die Zellwände zwischen den Leitbahnen den Transport von Lipidmizellen und lipidbeschichteten Nanoblasen blockieren

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A semi-automated method for measuring xylem vessel length distribution. Theoretical and Experimental Plant Physiology, 32(4), 331-340.
  Pereira, Luciano; Miranda, Marcela T.; Pires, Gabriel S.; Pacheco, Vinícius S.; Guan, Xinyi; Kaack, Lucian; Karimi, Zohreh; Machado, Eduardo C.; Jansen, Steven; Tyree, Melvin T. & Ribeiro, Rafael V.
  
• An increase in xylem embolism resistance of grapevine leaves during the growing season is coordinated with stomatal regulation, turgor loss point and intervessel pit membranes. New Phytologist, 229(4), 1955-1969.
  Sorek, Yonatan; Greenstein, Smadar; Netzer, Yishai; Shtein, Ilana; Jansen, Steven & Hochberg, Uri
  
• The Pneumatron estimates xylem embolism resistance in angiosperms based on gas diffusion kinetics: a mini-review. Acta Horticulturae, 1300, 193-200.
  Jansen, S.; Guan, X.; Kaack, L.; Trabi, C.; Miranda, M.T.; Ribeiro, R.V. & Pereira, L.
  
• The role of porous media for water transport in plants. Invited Presentation at the German InterPore meeting, Stuttgart, 1-2 October 2020.
  Jansen S.
  
• Topography strongly affects drought stress and xylem embolism resistance in woody plants from a karst forest in Southwest China. Functional Ecology, 35(3), 566-577.
  Zhang, Qi‐Wei; Zhu, Shi‐Dan; Jansen, Steven & Cao, Kun‐Fang
  
• A User Manual to Measure Gas Diffusion Kinetics in Plants: Pneumatron Construction, Operation, and Data Analysis. Frontiers in Plant Science, 12.
  Trabi, Christophe L.; Pereira, Luciano; Guan, Xinyi; Miranda, Marcela T.; Bittencourt, Paulo R. L.; Oliveira, Rafael S.; Ribeiro, Rafael V. & Jansen, Steven
  
• How do plants transport water under negative pressure? Plenary Speaker at InterPore 2021, 13th annual meeting, 30 May – 04 June 2021, Edinburgh, U.K.
  Jansen S.
  
• Hydraulic prediction of drought‐induced plant dieback and top‐kill depends on leaf habit and growth form. Ecology Letters, 24(11), 2350-2363.
  Chen, Ya‐Jun; Choat, Brendan; Sterck, Frank; Maenpuen, Phisamai; Katabuchi, Masatoshi; Zhang, Shu‐Bin; Tomlinson, Kyle W.; Oliveira, Rafael S.; Zhang, Yong‐Jiang; Shen, Jing‐Xian; Cao, Kun‐Fang & Jansen, Steven
  
• Interfacial phenomena in plant xylem, a system under negative pressure. Botanical Society of America. Online meeting, 18-23 June, 2021
  Schenk H.J., Mocko K., Michaud J.M., Mora J.G., Kaack L., Guan X., Roth M.A., Welti R.A. & Jansen S.
  
• No gas source, no problem: Proximity to pre‐existing embolism and segmentation affect embolism spreading in angiosperm xylem by gas diffusion. Plant, Cell & Environment, 44(5), 1329-1345.
  Guan, Xinyi; Pereira, Luciano; McAdam, Scott A. M.; Cao, Kun‐Fang & Jansen, Steven
  
• Positive pressure in xylem and its role in hydraulic function. New Phytologist, 230(1), 27-45.
  Schenk, H. Jochen; Jansen, Steven & Hölttä, Teemu
  
• A crucial phase in plants – it's a gas, gas, gas!. New Phytologist, 233(4), 1556-1559.
  Jansen, Steven; Bittencourt, Paulo; Pereira, Luciano; Schenk, H. Jochen & Kunert, Norbert
  
• A unit pipe pneumatic model to simulate gas kinetics during measurements of embolism in excised angiosperm xylem. Tree Physiology, 43(1), 88-101.
  Yang, Dongmei; Pereira, Luciano; Peng, Guoquan; Ribeiro, Rafael V.; Kaack, Lucian; Jansen, Steven & Tyree, Melvin T.
  
• Nanoparticles are linked to polar lipids in xylem sap of temperate angiosperm species. Tree Physiology.
  Guan, Xinyi; Schenk, H. Jochen; Roth, Mary R.; Welti, Ruth; Werner, Julia; Kaack, Lucian; Trabi, Christophe L. & Jansen, Steven
  
• Reconciling discrepancies in measurements of vulnerability to xylem embolism with the pneumatic method. New Phytologist, 237(2), 374-383.
  Brum, Mauro; Pereira, Luciano; Ribeiro, Rafael Vasconcelos; Jansen, Steven; Bittencourt, Paulo R. L.; Oliveira, Rafael S. & Saleska, Scott R.
  
• Stem and leaf xylem of angiosperm trees experiences minimal embolism in temperate forests during two consecutive summers with moderate drought. Plant Biology, 24(7), 1208-1223.
  Guan, X.; Werner, J.; Cao, K.‐F.; Pereira, L.; Kaack, L.; McAdam, S. A. M. & Jansen, S.
  
• The functional significance of porous media and polar lipids for fluid transport in angiosperm xylem. 5th Xylem International Meeting, 19-21 September 2022, Würzburg
  Jansen S.
  
• Xylem embolism spread is largely prevented by interconduit pit membranes until the majority of conduits are gas‐filled. Plant, Cell & Environment, 45(4), 1204-1215.
  Avila, Rodrigo T.; Guan, Xinyi; Kane, Cade N.; Cardoso, Amanda A.; Batz, Timothy A.; DaMatta, Fábio M.; Jansen, Steven & McAdam, Scott A. M.
  
• Addressing controversies in the xylem embolism resistance–vessel diameter relationship. New Phytologist, 238(1), 283-296.
  Isasa, Emilie; Link, Roman Mathias; Jansen, Steven; Tezeh, Fon Robinson; Kaack, Lucian; Sarmento, Cabral Juliano & Schuldt, Bernhard
  
• Ageing-induced shrinkage of intervessel pit membranes in xylem of Clematis vitalba modifies its mechanical properties as revealed by atomic force microscopy. Frontiers in Plant Science, 14.
  Carmesin, Cora F.; Port, Fabian; Böhringer, Samuel; Gottschalk, Kay-Eberhard; Rasche, Volker & Jansen, Steven
  
• Lipid concentration and composition in xylem sap of woody angiosperms from a tropical savanna and a seasonal rainforest. Plant Diversity, 46(1), 126-133.
  Huang, Ling-Bo; Guan, Xinyi; Aritsara, Amy Ny Aina; Zhu, Jun-Jie; Jansen, Steven & Cao, Kun-Fang