Den Zusammenhang von Gasdiffusionskinetik und Embolieausbreitung im Xylem von Angiospermen verstehen, unter Einbeziehung von Physiologie, Anatomie und Modellierungen

• Antragsteller: Professor Dr. Steven Jansen
• Fachliche Zuordnung: Ökologie und Biodiversität der Pflanzen und Ökosysteme
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457287575

Der Wasserfluss durch Pflanzen ist für eine intakte Biosphäre und für die menschliche Bevölkerung von größter Bedeutung, jedoch sind viele Details des Wassertransportes weitgehend unbekannt. Während die Kohäsionstheorie des Wassertransport unter Transpirationssog akzeptiert ist, fehlen noch wichtige Informationen über hydraulisches Versagen durch Lufteintritt. Mithilfe einer neuen „pneumatische Methode", wird Gas aus angeschnittenem Xylem bei Unterdruck extrahiert und die Kinetik und der zeitliche Verlauf der Druckänderung gemessen. Der hieraus ermittelte molare Gasaustritt ist proportional zur Embolieresistenz des Xylems, validiert mittels anderer Methoden. Diese Methode inspirierte uns, die Dynamiken von Gas im Xylem und gelöstem atmosphärischem Gas im Xylemsaft zu untersuchen. Durch die Kombination pneumatischer und hydraulischer Experimente mit anatomischen Beobachtungen und Modellierungen soll in diesem Projekt der Gastransport durch wasserführende Zellen von Angiospermenholz unter verschiedenen Dehydratationsgraden untersucht werden. Zu den wichtigsten Fragestellungen gehören der Gaseintritt in Xylemgefäße, der mögliche Zusammenhang zwischen den Konzentrationen von gelöstem Gas im Xylemsaft und Embolienbildung, sowie die anatomischen Merkmale, die mit dem Gastransport zwischen porösen Zellwänden der Gefäße verbunden sind. Wir erwarten, dass die Gasdiffusion aufgrund der porösen Beschaffenheit und der großen Oberfläche der Tüpfelmembranen von Tracheen ca. 200-mal schneller ist als der Massenfluss. Die Geschwindigkeit der Gasdiffusion hängt von der Dicke und der Fläche der Tüpfelmembranen ab, aber auch von der nicht zufälligen Anordnung der Gefäße an hydraulisch segmentierten Stellen. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass die Emboliebildung nicht ausschließlich druckbedingt ist, sondern von den Konzentrationen der gelösten Gase im Xylemsaft abhängt, welche stärker von Temperaturänderungen als vom Druck beeinflusst wird.Durch pneumatische Experimente, Zentrifugenexperimente und die visuelle Beobachtung der Embolieausbreitung mit der optischen Methode werden bedeutende Fortschritte beim Verständnis des Gastransports innerhalb des dreidimensionalen Gefäßnetzwerks der Angiospermen erzielt. Ergänzt werden die Experimente durch anatomische Beobachtungen, einschließlich der Transmissionselektronenmikroskopie von Tüpfelmembranen, und die Entwicklung eines Gasdiffusionsmodells auf der Tüpfelmembran- und der Gefäßebene, das anhand der gewonnenen experimentellen Daten getestet werden soll. Basierend auf der langjährigen Ulmer Expertise auf dem Gebiet der funktionellen Xylemanatomie wird dieses innovative Projekt zu unserem Verständnis der durch Trockenheit verursachten Embolie im Xylem beitragen. Die Ergebnisse dieses Projekts haben Auswirkungen auf unser Verständnis des Wasserverbrauchs von Pflanzen und deren Reaktionen auf Trockenheit, was angesichts des Klimawandels von besonderer Bedeutung ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Scott A.M. McAdam, Ph.D.; Dr. H. Jochen Schenk