Acoufreeze - Monitoring von Kältestress mittels Wellenanalyse von Schallemissionen

Der zu erwartende Klimawandel wird sich erheblich auf die Nachhaltigkeit von Waldökosystemen auswirken und entsprechende ökologische und ökonomische Folgen bedingen. Es wird ein Anstieg der mittleren Temperatur erwartet, was zu einer Verminderung der Häufigkeit, nicht jedoch zu verminderten Intensitäten von Frostereignissen führen wird. Unter diesen Umständen ist mit einer Zunahme von Frostschäden zu rechnen, da die Resistenz von Pflanzen gegenüber tiefen Frösten mit steigender Temperatur sinkt. Die winterliche Frosttoleranz ist ein Schlüsselfaktor für das Überleben und die Verbreitung von Pflanzen in vielen Ökosystemen. Das Überleben von Frösten basiert dabei auf einer Toleranz von lebenden Zellen und den nicht- lebenden Komponenten des pflanzlichen Wassertransportsystems (Xylem). Bei lebenden Zellen kann Schädigung oder Zelltod durch intrazelluläres Frieren oder Austrocknung bei extrazellulärem Frieren des Saftes hervorgerufen werden. Das pflanzliche Xylem kann durch Gefrier-Tau-induzierte Embolien geschädigt werden, da embolierte Leitelemente für den Wassertransport nicht mehr verfügbar sind. Vor Beginn der Vegetationsperiode muss das Wassertransportsystem in allen Arten wiederhergestellt werden, entweder durch Bildung neuer Leitelemente und/oder durch Reparatur mittels aktiver Mechanismen, wobei lebende Zellen (Kambium, Xylemparenchym) eine zentrale Rolle spielen. Ein Monitoring von Froststress kann mittels "electrolyte leakage test" (LT50) für die Zelllyse oder Quantifizierung des Leitfähigkeitsverlustes ("percent loss in hydraulic conductivity", PLC) für Winter-Embolien durchgeführt werden. Allerdings sind diese Methoden Labor-gebunden und sehr zeitaufwändig. Kürzlich wurde vom österreichischen Projektpartner eine neue Methode zur Analyse von Trockenheits-induzierten Leitfähigkeitsverlusten bei Koniferen auf Basis von Wellenformenanalysen von akustischen Emissionen (AE) entwickelt. Wir sehen ein großes Potenzial für einen Einsatz der Ultraschallemissionsanalyse bei der Analyse von Frostschäden - sowohl bei Resistenzuntersuchungen im Labor als auch bei Freilandmessungen an intakten Pflanzen. Im geplanten Projekt soll die Frostresistenz ausgewählter, ökonomisch bedeutender europäischer Baumarten analysiert und ein Monitoring von Frostschäden durchgeführt werden. Die Studie basiert auf der Ultraschallemissionsanalyse mit Echtzeit-Erfassung von Signalen und Analyse von Wellenformparametern, die eine Unterscheidung von Schäden in lebenden Zellen und nicht-lebenden Geweben sowie die Erkennung von Perioden intensiver Frostschädigung ermöglichen soll. Seitens des beteiligten Industriepartners ist die Entwicklung eines portablen AE Monitoring Prototyps geplant, der Beobachtungen von Frost stress in natura ermöglichen wird. Auf Basis dieser neuen methodischen Möglichkeiten sollen (i) die Resistenz und Frostschäden ausgewählter Arten sowie die Charakteristika der AE Signale mit Bezug zur Anatomie der Arten analysiert, (ii) Eisbildung und Wasserflüsse in gefrierenden Achsen visualisiert und (iii) Frostschäden in lebenden Zellen und im Xylem von Bäumen der alpinen Waldgrenze als auch die Resistenzen alpiner Bäume untersucht werden. Die vielversprechende Kombination aus experimentellen- und Freilanduntersuchungen basiert auf einer Kooperation von drei einander ergänzenden Partnern: Partner 1 (INRA, Frankreich) hat langjährige Erfahrung im Bereich der Frostresistenz, Partner 2 (Universität Innsbruck, Österreich) ist ein Spezialist für alpine Baumarten und Ultraschalluntersuchungen an Pflanzen und der Industriepartner 3 (Mistras, Frankreich) wird die technischen Entwicklungen ermöglichen. Die neuen methodischen Ansätze und die zu erwartenden Datensätze zu Frosteffekten werden eine Optimierung von Monitoringmöglichkeiten in Waldökosystemen und zukünftiger Strategien im Forstmanagement sowie eine verbesserte Auswahl von resistenten Forstbäumen und Kulturformen mit hohen Frosttoleranzen ermöglichen. Das Projekt wird zu neuen Einblicken in die Mechanismen von Frostschäden und -resistenzen führen.

Gefriertoleranz ist ein Schlüsselfaktor für das Überleben und die Verbreitung von Pflanzen. Das Projekt Acoufreeze ermöglichte neue Einblicke in die Mechanismen der Frostschädigung im Xylem und die entsprechenden Gegenstrategien von Pflanzen. Die Eisbildung kann zu Schädigung und Tod von lebenden Zellen führen, wenn intrazelluläres Wasser gefriert oder die Zellen bei extrazellulärer Eisbildung zu stak dehydrieren. Eis blockiert auch den Wassertransport im Xylem, und durch Gefrier-Tau-Ereignisse können Embolien (Luftblockaden) entstehen. Mit der Ultraschallemissionsanalyse kann die Entstehung von Embolien bei Trockenstress untersucht werden, die Ursache für Ultraschallemissionen (UE) beim Gefrieren war jedoch weitgehend unerforscht. Das Projekt Acoufreeze beschäftigte sich deshalb mit frostinduzierten UEs und Schädigungen. Es basierte auf einer Kooperation von INRA Clermont-Ferrand, Frankreich, dem Institut für Botanik, Universität Innsbruck, der Firma Mistras, Frankreich sowie dem Institut für Botanik, BOKU Wien. Die durchgeführten Experimente deuten darauf hin, dass die Temperaturen beim Gefrieren und damit das Wasserpotential von Eis entscheidend für die Bildung (Kavitation) und Ausbreitung von Gasblasen im Xylem sind. Tauen verursacht hingegen die Expansion der Blasen und die resultierende hydraulische Fehlfunktion. Mit der Analyse von UEs konnten sowohl diese Gefrier-Tau induzierten Embolien als auch die Schädigung von Parenchymzellen durch Unterkühlung nachgewiesen werden. UEs zeigten auch, dass Kavitationen nahe der Eisfront stattfinden und ermöglichten eine Abschätzung der Geschwindigkeit der Eisausbreitung sowie den Nachweis von Eis im Xylem mittels Messung der Schallgeschwindigkeit und -dämpfung. Die Dynamik von Wasserflüssen, Eisbildung und Kavitationen wurde auch mittels Röntgen-Microtomographie und Magnetresonanzimaging beobachtet. In Feldmessungen wurde die Bildung und Reparatur von Winter-Embolien bei Waldgrenz-Bäumen analysiert. Ein Vergleich von 11 Europäischen Baumarten zeigte, dass die Embolien durch aktive Reparaturprozesse kompensiert werden. Bei Fichte konnten Änderungen im Aquaporin-Muster und eine aktive Wasseraufnahme über die Zweige nachgewiesen werden. Weitere Untersuchungen beschäftigten sich mit dem Einfluss von Trockenstress sowie der Hydraulik von Zwergsträuchern und Wurzeln. Das Projekt ermöglichte außerdem die Entwicklung einer neuen Analysemethode basierend auf der zeitabhängigen Rate von UEs und eines neuen Prototyps zu Erfassung von UEs unter Freilandbedingungen. Die Ergebnisse sind von Bedeutung für unser Verständnis von Gefriervorgängen in Pflanzen und den Limitierungen für deren Physiologie und Leben. Das ist von besonderer Relevanz in Hinblick auf den Klimawandel und damit von sozio-ökonomischer und ökologischer Bedeutung. Kenntnisse über die Verwundbarkeit und Vermeidungs- bzw. Reparatur- Mechanismen von Pflanzen unter sich ändernden Temperatur- und Feuchteverhältnissen werden wesentlich für zukünftige Managementstrategien in Forst- und Landwirtschaft sein.