Die Oberflächenspannung des Xylemsaftes

Die Oberflächenspannung () des Wassers ist von zentraler Bedeutung für den Wassertransport innerhalb einer Pflanze. Zum einen verursacht sie die hohen Zugspannungen im Wasserleitsystem (Xylem) höherer Pflanzen, zum anderen verhindert sie das Eindringen von Luft in das Xylem (Embolien). Pflanzen können die Oberflächenspannung im Xylemsaft modulieren, wie kürzlich an zwei Koniferenarten der Waldgrenze demonstriert wurde, die ausgeprägte saisonale Verläufe in des Xylemsaftes und entsprechende Änderungen in der Resistenz gegenüber Embolien zeigten. Es ist jedoch unklar, ob derartige saisonale oder kurzfristige Änderungen auch in anderen Arten auftreten. Im vorliegenden Projekt, das einen Auslandsaufenthalt (Australien) und eine Rückkehrphase (Österreich) umfasst, sind deshalb folgende Untersuchungen geplant: (i) Analyse zeitlicher (saisonal) und räumlicher (innerhalb einer Pflanze) Veränderungen in des Xylemsaftes bei verschiedenen Baumarten (Laub- und Nadelholzarten) und in unterschiedlichen Ökosystemen, (ii) Analyse von - Effekten auf die Hydraulik (d.h. Effizienz und Sicherheit) des Xylems, (iii) Analyse von -Effekten auf die Hydraulik von Blättern/Nadeln, (iv) Analyse von -Effekten auf die Hydraulik im Winter. Wir erwarten größte zeitliche und räumliche Unterschiede bei Arten, die an hohe Stressintensitäten angepasst sind sowie ausgeprägte Unterschiede zwischen Laub- und Nadelhölzern. Weiters nehmen wir an, dass vermindertes die Empfindlichkeit gegenüber Trockenheits- und durch Gefrier-Tau induzierte Embolien im Winter erhöht. Das Projekt basiert auf zahlreichen Methoden, die auch neue nicht-invasive in vivo Methoden, wie Röntgen-Mikrotomographie und eine kürzlich entwickelte optische Methode zur Analyse der Blatthydraulik, umfassen. Zudem ist die Entwicklung eines mobilen Gerätes zur -Messung nach der Tropfenmethode und zur Extraktion von Xylemsaft auf Basis der Vakkum-Extraktionsmethode geplant. Die Ergebnisse des Projektes werden unser Verständnis der pflanzlichen Hydraulik mit Relevanz für Grundlagenforschung und angewandte ökophysiologische Fragestellungen in Forst- und Landwirtschaft verbessern, was insbesondere in Bezug auf den zu erwartenden Klimawandel von Bedeutung ist. Das Projekt ermöglicht dem Antragsteller seine methodischen und theoretischen Kennnisse zu vertiefen und Kontakte zu mehren Forschungsgruppen zu knüpfen bzw. vertiefen. Es wird die Kooperation zwischen den beteiligten Institutionen intensivieren und einen methodischen Austausch zwischen diesen fördern. Das Projekt basiert auf einer Kooperation zwischen dem Hawkesbury Institute for the Environment, Western Sydney University (Auslandsaufenthalt, Kooperation mit Prof. Brendan Choat) und dem Institut für Botanik, Universität Innsbruck (Rückkehrphase, Kooperation mit Prof. Stefan Mayr). Während der Rückkehrphase ist außerdem eine Kooperation mit Elettra Light Source in Triest, Italien (SYRMEP beamline, Dott. Giuliana Tromba) und der Universität Triest, Italien (Prof. Andrea Nardini) geplant.

Pflanzen können die Zusammensetzung ihres Xylemsaftes als Reaktion auf äußere Reize verändern und damit sowohl die hydraulische Leitfähigkeit ihres Wassertransportsystems als auch dessen Verwundbarkeit gegenüber trockenheits-induzierten Schäden (i.e. Xylem-Embolien) beeinflussen. Informationen über Anpassung der Xylemsaft-Zusammensetzung durch Pflanzen während der Jahreszeiten, könnten unser Verständnis der Anpassung von Bäumen an die prognostizierte weltweite Zunahme intensiver Dürreereignisse und die damit verbundenen Waldschäden, verbessern. Inhalt des vorliegenden Erwin-Schrödinger-Stipendiums, das auf einer Auslandsphase (Labor von Prof. Brendan Choat, Western University of Sydney, Australien) und einer Rückkehrphase (Labor von Prof. Stefan Mayrs Labor, Universität Innsbruck, Österreich), waren die Analyse (i) der jahreszeitlichen und räumlichen Schwankungen in der Xylemsaft-Zusammensetzung und der damit verbundenen Auswirkungen auf den Wassertransport im Xylem; (ii) der Auswirkungen extremer Trockenheit auf Bäume und ihrer Erholung nach günstigen Bedingungen; und (iii) der Verwundbarkeit gegenüber trockenheits-induzierten Xylem-Embolien bei Nadelbäumen mit einer neu etablierten optischen Methode. In der Auslandsphase beobachteten konnten bei sechs australischen Gehölzarten erhebliche saisonale Veränderungen des Xylemsaftes nachgewiesen werden. Die Ergebnisse zeigten auch, dass Mangrovenarten bei der Aufnahme von Regenwasser über die Blätter äußerst effizient sind. Das Regenwasser hatte jedoch keinen Einfluss auf die Zusammensetzung des Xylemsaftes, während hohe Gezeiten zu erhöhten Ionenkonzentrationen führten. Im Rahmen der Messungen zu extremer Trockenheit wurden bei einheimischen Baumarten nach der Dürre 2017-19 ausgeprägte Xylemembolien und Dürreerscheinungen der Baumkronen nachgewiesen. Nach 8-10 Monaten günstiger Bedingungen reparierten die meisten überlebenden Bäume jedoch die Xylemembolien, was mit einer Reduktion der Kronenschäden einherging und auf eine verbesserte Baumvitalität schließen lässt. Dieser Datensatz belegt, dass trockenheits-induzierte Xylemembolien ein wichtiger Faktor für Kronenschäden und das Absterben von Bäumen während extremer Dürreereignisse sind. In der Rückkehrphase wurde die optische Methode zur Analyse der Verwundbarkeit gegenüber trockenheits-induzierten Xylemembolien bei drei alpinen Nadelbäumen erfolgreich eingesetzt und mit zwei Standardmethoden (Schallemission und Zentrifugations-Technik) verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass die optische Methode die Verwundbarkeit der untersuchten Nadelbäume unterschätzt. Die Ergebnisse sind für wissenschaftlich relevant, da diese Methoden bisher nicht verglichen wurden. Dieses Projekt ermöglichte es dem Antragsteller, seine theoretischen und methodischen Kenntnisse zu erweitern, die Zusammenarbeit zwischen den beiden beteiligten Labors zu stärken und mit anderen bekannten internationalen Forschungsgruppen zusammenzuarbeiten. Die Ergebnisse resultierten in mehreren wissenschaftlichen Artikeln und Konferenzpräsentationen.