3D funktionelle Charakterisierung von Lufträumen in Blättern

Pflanzenblätter sind Schlüsselkomponenten im globalen Kohlenstoff- und Wasserkreislauf, da praktisch die gesamte terrestrische Kohlenstoffaufnahme aus der Atmosphäre und ~ 70% aller terrestrischen Verdunstung über diese verläuft. Die Erforschung der Kohlenstoff- und Wasserflüsse über Blätter hat sich bislang darauf fokussiert, wie die Poren an der Oberfläche des Blattes (Spaltöffnungen) und die Mesophyllzellen, in denen Photosynthese stattfindet, auf die Umwelt reagieren. Die vielen Interzellularen (Lufträume) zwischen den Spaltöffnungen und den Mesophyllzellen wurden dabei meist übersehen, da diese luftgefüllten Hohlräume in den Blättern von den bisher am häufigsten untersuchten Pflanzen kaum die Diffusion von Kohlstoffdioxide (CO2) begrenzen. Bei bestimmten Blatttypen könnten diese Interzellularen allerdings die Bewegung von CO2 limitieren. Blätter der Bedecktsamer (Angiospermen), die am stärksten diversifizierte und evolutionär jüngste Pflanzengruppe, zeigen eine verbesserte Kontrolle der Spaltöffnungen und Wassertransporteigenschaften im Vergleich zu ihren Vorfahren, beispielsweise den Farnen und Gymnospermen. Im Vergleich dazu ist wenig über die Vielfalt des Interzellularsystems bekannt und ob Angiospermen auch hier ähnlich wie beim Wassertransport ein effizienteres System entwickelt haben. Mit dem Projekt 3D funktionelle Charakterisierung von Lufträumen in Blättern soll diese Frage beantwortet werden. Die Darstellung des dreidimensionalen Aufbaus von Blättern mittels hochauflösender Röntgencomputertomografie ermöglicht es, Volumen und Verteilung der Interzellularen zu analysieren. In Kombination mit einer Analyse von Photosynthese und Transpiration soll die dreidimensionale Darstellung des Blattes die Bedeutung der Interzellularen als wesentliche funktionelle Parameter für Kohlenstoff- und Wassertransportprozesse sowie die Koordination der Interzellularen mit anderen Blatteigenschaften aufklären. Die funktionelle Charakterisierung erfolgt mittels Finite-Elemente-Analyse, die v.a. für technische Modelle verwendet wird, aber auch pflanzenphysiologische Prozesse in einem dreidimensionalen Blatt simulieren kann. Das Modell soll anschließend verwendet werden, um ein Big Leaf Modell zu entwickeln (eine Vegetationsschicht wird hier als ein einziges großes Blatt gesehen). Solche Modelle ermöglichen es, die Rolle der Interzellularen im Kohlenstoff- und Wasserhaushalt zu quantifizieren. Diese Modelle werden auch dazu dienen anhand der Eigenschaften fossiler Blätter das frühere Klima zu rekonstruieren und auch die Reaktion auf das zukünftige Klima vorherzusagen.

Pflanzenblätter sind Schlüsselkomponenten im globalen Kohlenstoff- und Wasserkreislauf, da praktisch die gesamte terrestrische Kohlenstoffaufnahme aus der Atmosphäre und ~ 70% aller terrestrischen Verdunstung über diese verläuft. Die Erforschung der Kohlenstoff- und Wasserflüsse über Blätter hat sich bislang darauf fokussiert, wie die Poren an der Oberfläche des Blattes (Spaltöffnungen) und die Mesophyllzellen, in denen Photosynthese stattfindet, auf die Umwelt reagieren. Die vielen Interzellularen (Lufträume) zwischen den Spaltöffnungen und den Mesophyllzellen wurden dabei meist übersehen, da diese luftgefüllten Hohlräume in den Blättern von den bisher am häufigsten untersuchten Pflanzen kaum die Diffusion von Kohlstoffdioxid (CO2) begrenzen. Bei bestimmten Blatttypen könnten diese Interzellularen die Bewegung von CO2 allerdings limitieren. Blätter der Bedecktsamer (Angiospermen), die am stärksten diversifizierte und evolutionär jüngste Pflanzengruppe, zeigen eine verbesserte Kontrolle der Spaltöffnungen und Wassertransporteigenschaften im Vergleich zu ihren Vorfahren, beispielsweise den Farnen und Gymnospermen. Im Vergleich dazu ist wenig über die Vielfalt des Interzellularsystems bekannt und ob Angiospermen auch hier, ähnlich wie beim Wassertransport, ein effizienteres System entwickelt haben. Das Projekt "3D funktionelle Charakterisierung von Lufträumen in Blättern" hat diese Fragen beantwortet und gezeigt, dass Angiospermen, dank kleinerer photosynthetisierender Zellen, die verfügbare Oberfläche für die Diffusion von CO2 vergrößern und somit das anschließende Erreichen der photosynthetisierenden Chloroplasten erleichtern. Angiospermen können die höhere Anzahl an Poren an der Blattoberfläche, durch welche mehr CO2 für Photosynthese bereitgestellt wird, voll ausnutzen, da sie einerseits mehr Zelloberfläche haben durch die CO2 diffundieren kann und andererseits, einen Luftraum der den CO2 Transport zu den Zellen erleichtert. Diese Umstrukturierung der gesamten Blattanatomie ermöglichte es Angiospermen, trotz sinkender CO2-Konzentrationen seit dem Ende der Kreidezeit, die Mehrheit der Biome der Welt zu dominieren. Die Darstellung des dreidimensionalen Aufbaus von Blättern mittels hochauflösender Röntgencomputertomografie ermöglicht es, Volumen und Verteilung der Interzellularen zu analysieren. In Kombination mit einer Analyse von Photosynthese und Transpiration hat die dreidimensionale Darstellung des Blattes die Bedeutung der Interzellularen als wesentliche funktionelle Parameter für Kohlenstoff- und Wassertransportprozesse, sowie die Koordination der Interzellularen mit anderen Blatteigenschaften aufgeklärt. Dieses neue Wissen über den Aufbau und die Funktion von Blättern, ist der Schlüssel, um vollständig zu verstehen, wie sich Blätter in der Vergangenheit als Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen entwickelt und angepasst sowie Kohlenstoffaufnahme und Wasserverlust optimiert haben. Dies bildet die Basis um Reaktionen auf zukünftige klimatische Veränderungen vorherzusagen.