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 von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457287575

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Dieses Projekt untersuchte den Safttransport im Holz von Blütenpflanzen. Sonnenenergie treibt diesen Prozess an, wobei Kohäsionskräfte zwischen Wassermolekülen den Transport unter negativem Druck ermöglichen. Wasserleitende Zellen (Gefäße) sind für Gas durchlässig, das als Gasphase oder gelöst im Saft vorliegt. Gasbewegung in Gefäßen beeinflusst die Transporteffizienz und Sicherheit, da Embolien (gasgefüllte Transportwege) den Saftfluss blockieren können. Das Verständnis dieses Prozesses ist wichtig für die Bewertung der Trockenheitsresistenz. Dieses Projekt untersuchte, wie Änderungen im Gasdruck und in der Gaskonzentration mit der Emboliebildung zusammenhängen. Durch Laborversuche, anatomische Beobachtungen und Modellierungen analysierten wir die Gasbewegung durch Zellwände, den Gasgehalt im Saft und die Embolieausbreitung. Pneumatische Experimente verfolgten den Gaseintritt in aufgeschnittene Äste, während Strömungszentrifugen-Tests mit Stammsegmenten zeigten, dass Embolien über Zellwandporen zwischen Gefäßen übergehen. Der axiale Gastransport war ca. 200-mal schneller als der radiale, hauptsächlich aufgrund der Gefäßanatomie. Da die axiale Gasdiffusion über 15 cm Minuten dauert, zeigten wir, dass Emboliebildung nicht nur durch negativen Druck gesteuert wird. Die Berücksichtigung der Zeit als Faktor verbesserte die Messung der Embolieresistenz um ca. 8,5 %. Experimente an lebenden Pflanzen zeigten tägliche Muster in der Menge des extrahierbaren Gases, mit höheren Werten bei hoher Transpiration. Diese Schwankungen deuten auf Veränderungen in der Gasübersättigung hin, jedoch bleibt ihr Einfluss auf die Emboliebildung unklar. Wir untersuchten diesen Zusammenhang durch lipidbeschichtete Nanoblasen und Mehrphaseninteraktionen zwischen Saft, Gas und polaren Lipiden – ein Bereich, der weiter erforscht wird. Anatomische Daten und Experimente wurden durch Modellierungen ergänzt, um die Gasbewegung im Holz besser zu verstehen. Obwohl Emboliebildung nicht allein von der Gasdiffusion abhängt, zeigten unsere Modelle eine starke Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen. Zudem entwickelten wir ein pneumatisches Modell zur automatisierten Messung der Embolieresistenz. Der hydraulische Widerstand an Knotenpunkten, Stammverzweigungen oder Übergängen zwischen Stamm und Blatt konnte nicht quantifiziert werden. Erste Daten deuten darauf hin, dass es entlang eines einzelnen Baumes vom Wipfel bis zur Basis keine wesentlichen hydraulischen Engpässe gibt. Dieses Projekt führte zu 13 begutachteten Veröffentlichungen. Ergebnisse wurden auf nationalen und internationalen Konferenzen präsentiert und durch „sprechende Bäume“ im Botanischen Garten der Universität Ulm sowie in der Stadt Ulm vermittelt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Hydraulic safety-vessel diameter relationships of 20 temperate broadleaf tree species. British Ecological Society: the across borders conference. 15-15 December 2021, Liverpool, UK
  Isasa E., Link R.M., Jansen S., Cabra J.S. & Schuldt B.
  
• 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.
  
• Dissolved gas in xylem sap is affected by water potential and temperature, but does not follow Henry’s law for bulk solutions. 5th Xylem International Meeting, 19-21 September 2022, Würzburg
  Pereira L., Jansen S., Miranda M.T., Pacheco V.S., Kaack L., Pires G.S., Guan X., Mayer J.L.S., Machado E.C., Schenk H.J. & Ribeiro R.V.
  
• Dynamic changes in gas concentration in the sap of plants reiterate the enigma of plant water transport under negative pressure. InterPore 2022, 30 May – 2 June 2022. Abu Dhabi
  Pereira L., Jansen S., Miranda M.T., Pacheco V.S., Kaack L., Pires G.S., Guan X., Machado E.C., Schenk H.J., Tyree M.T. & Ribeiro R.V.
  
• Dynamic changes in gas solubility of xylem sap reiterate the enigma of plant water transport under negative pressure.
  Pereira, Luciano; Jansen, Steven; Miranda, Marcela T.; Pacheco, Vinícius S.; Kaack, Lucian; Pires, Gabriel S.; Guan, Xinyi; Mayer, Juliana L.S.; Machado, Eduardo C.; Schenk, H. Jochen & Ribeiro, Rafael V.
  
• On the structure and mechanistic function of angiosperm pit membranes. 5th Xylem International Meeting, 19-21 September 2022, Würzburg
  Kaack L. & Jansen S.
  
• 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.
  
• 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.
  
• The relative area of vessels in xylem correlates with stem embolism resistance within and between genera. Tree Physiology, 43(1), 75-87.
  Avila, Rodrigo T.; Kane, Cade N.; Batz, Timothy A.; Trabi, Christophe; Damatta, Fábio M.; Jansen, Steven & McAdam, Scott A. M.
  
• Vessel diameter corresponds to vessel length in relation to water transport and xylem function. 5th Xylem International Meeting, 19-21 September 2022, Würzburg
  Valadares G., Seiboth M., Kaack L., Pereira L. & Jansen S.
  
• Xylem hydraulic conductivity measurements during flow-controlled experiments suggest the presence of nanobubbles that move with the flow and accumulate at vessel ends. Copernicus GmbH.
  Krieger, Louis; Schymanski, Stanislaus & Jansen, Steven
  
• Angiosperms follow a convex trade-off to optimize hydraulic safety and efficiency. 1st International Meeting on the Gas phase in plants. Hyytiälä Research Station, Finland, 12-14 September 2023
  Pereira L., Kaack L., Guan X., Silva L.M., Miranda M., Pires G.S., Ribeiro R.V., Schenk H.J. & Jansen S.
  
• Angiosperms follow a convex trade‐off to optimize hydraulic safety and efficiency. New Phytologist, 240(5), 1788-1801.
  Pereira, Luciano; Kaack, Lucian; Guan, Xinyi; Silva, Luciano de Melo; Miranda, Marcela T.; Pires, Gabriel S.; Ribeiro, Rafael V.; Schenk, H. Jochen & Jansen, Steven
  
• Assessing the agreement between the pneumatic and the flow‐centrifuge method for estimating xylem safety in temperate diffuse‐porous tree species. Plant Biology, 25(7), 1171-1185.
  Paligi, S. S.; Link, R. M.; Isasa, E.; Bittencourt, P.; Cabral, J. S.; Jansen, S.; Oliveira, R. S.; Pereira, L. & Schuldt, B.
  
• Comparative anatomy vs mechanistic understanding: how to interpret the diameter-vulnerability link. IAWA Journal, 44(3-4), 368-380.
  Lens, Frederic; Gleason, Sean M.; Bortolami, Giovanni; Brodersen, Craig; Delzon, Sylvain & Jansen, Steven
  
• Gas diffusion kinetics in relation to embolism formation and propagation in angiosperm xylem: a mini-review of the latest experimental and modelling evidence. ISHS, XII International Workshop on Sap Flow, New Zealand, Rotorua, 31/10/2023 – 3/11 2023
  Silva L.d.M., Pereira L., Kaack L. & Jansen S.
  
• Lipid-Coated Nanobubbles in Plants. Nanomaterials, 13(11), 1776.
  Ingram, Stephen; Jansen, Steven & Schenk, H. Jochen
  
• Pores Inwater Conducting Cells of Plants. Album of Porous Media, 101-101. Springer International Publishing.
  Jansen, Steven
  
• Rootstocks affect the vulnerability to embolism and pit membrane thickness in grafted shoots of Citrus trees. 1st International Meeting on the Gas phase in plants. Hyytiälä Research Station, Finland, 12-14 September 2023
  Miranda M.T., Pires G.S., Pereira L., Lima R.F., Silva S.F., Mayer J.L.S., Azevedo F.A., Machado E.C., Jansen S. & Ribeiro R.V.
  
• The gas phase in plants – what’s next? 1st International Meeting on the Gas phase in plants. Hyytiälä Research Station, Finland, 12-14 September 2023
  Jansen S.
  
• {pneumatron} – an R package for managing embolism vulnerability curves with the Pneumatic method. 1st International Meeting on the Gas phase in plants. Hyytiälä Research Station, Finland, 12-14 September 2023
  Pires G.S., Pereira L., Miranda M.T., Kreinert S., Machado E.C., Jansen S. & Ribeiro R.V.
  
• Embolism propagation does not rely on pressure only: time-based shifts in xylem vulnerability curves of angiosperms determine the accuracy of the flow-centrifuge method. Tree Physiology, 46(13), 81-95.
  Silva, Luciano M.; Pfaff, Jonas; Pereira, Luciano; Miranda, Marcela T. & Jansen, Steven
  
• Gold perfusion experiments support the multi‐layered, mesoporous nature of intervessel pit membranes in angiosperm xylem. New Phytologist, 242(2), 493-506.
  Zhang, Ya; Pereira, Luciano; Kaack, Lucian; Liu, Jiabao & Jansen, Steven
  
• The potential link between gas diffusion and embolism spread in angiosperm xylem: Evidence from flow‐centrifuge experiments and modelling. Plant, Cell & Environment, 47(12), 4977-4991.
  Silva, Luciano M.; Pereira, Luciano; Kaack, Lucian; Guan, Xinyi; Pfaff, Jonas; Trabi, Christophe L. & Jansen, Steven
  
• Time-based shifts in xylem vulnerability curves of angiosperms based on the flow-centrifuge method. GfÖ meeting Freising, Germany, 9-13 September 2024
  Silva L.M., Pfaff J., Pereira L., Miranda M.T. & Jansen S.
  
• Xylem sap residue in cut-open conduits can affect gas discharge in pneumatic experiments. Tree Physiology, 46(13), 70-80.
  Miranda, Marcela T.; Pereira, Luciano; Pires, Gabriel S.; Guan, Xinyi; Silva, Luciano M.; Kreinert, Swetlana; Machado, Eduardo C.; Jansen, Steven & Ribeiro, Rafael V.
  
• Gas diffusion kinetics in relation to embolism formation and propagation in angiosperm xylem: a mini-review. Acta Horticulturae(1419), 123-134.
  Silva, L.M.; Bujnowski, B.; Pereira, L.; Miranda, M.T.; Schenk, H.J. & Jansen, S.
  
• Xylem conduit dimensions show no hydraulic bottleneck along the axis of an angiosperm tree.
  Kreinert, Swetlana; Kaack, Lucian; Pereira, Luciano; Miranda, Marcela; Mäck, Stefan; Schuler, Jonas & Jansen, Steven