Überleben von Frösten unter -38°C

Ökophysiologischer Aspekt Fröste stellen für Pflanzen ein entscheidender Filter in Hinblick auf deren Rekrutierung, das Überleben, die Produktivität und die geographische Verbreitung dar und können darüber hinaus einen dramatischen Einfluss auf der zellulären bis hin zur ökosystemaren Ebene ausüben. Überleben von sehr tiefen Temperaturen (-38C) wird - nach dem augenblicklichen Verständnis - durch Toleranz von extrazellulärem Eis und damit einhergehender kontrollierter Zellentwässerung erreicht. Im Zuge kontinuierlicher Abkühlung wird irgendwann ein Punkt erreicht, ab dem das ganze frierbare Wasser extrazellulär gefroren ist und sich ein so genannter Glaszustand in der Zelle ausgebildet hat. In diesem Zustand dürfte jede weitere Temperaturabnahme keinen weiteren Effekt auf die Zellen haben. Einige Pflanzen überleben so sogar das Eintauchen in flüssigen Stickstoff (-196C). Mit diesem Hintergrund würde man keine großen Unterschiede in der maximalen Winterfrosthärte (<-38C) zwischen verschiedenen Pflanzenarten erwarten. In der Literatur findet man aber eine deutliche Variabilität in Hinblick auf die maximale Frosthärte von Pflanzen (-40 bis -196C). Diese Diskrepanz dürfte auf unangemessene Frosthärtebestimmungsmethoden zurückzuführen sein, so zum Beispiel war in vielen frühen Untersuchungen die Kontrolle von Kühl- und Auftauraten entweder überhaupt nicht möglich oder technisch nur sehr schwer lösbar. Innovationsaspekt Zur Durchführung von Frostbehandlungen von Pflanzen bei Temperaturen unter -38C stehen bis dato immer noch erst wenige, kostspielige und nicht unbedingt voll taugliche Gefriersysteme zur Verfügung. Aus diesem Grund ist es unser Ziel ein neues Gefriersystem zu entwickeln, das besonders zur Frostung von Pflanzen (Kühl-/Auftauraten 2C/h) bis auf -80C geeignet ist. Zusätzlich sollen die Frostkammern mit Sichtfenstern ausgestattet werden, die zusammen mit einer weiterentwickelten Mikroskopiertechnik die Messung der extrazellulären Eisbildung, des Wachstums der Eiskristalle bis hin zum Punkt maximaler extrazellulärer Eisausbreitung möglich machen soll. Klimawandel Aspekt Subalpine Holzpflanzen der Europäischen Alpen überleben im Hochwinter Fröste von -35 bis etwa -90C. Potentielle Blatttemperaturminima von -44C im subalpinen Lebensraum übersteigen damit die Frosthärte einzelner Arten. Das Risiko im Winter Frostschäden zu erleiden, könnte jedoch aufgrund der steigenden Wintertemperaturen sogar noch dramatisch zunehmen. So führte eine künstliche Zunahme der Temperaturen im Hochwinter um +4C zu einer Beschleunigung und Verfrühung der Frostenthärtung in nordhemisphärischen Holzpflanzen. Durch den Einsatz des neuen Gefriersystems und durch Simulierung von Warmwettereinbrüchen mit Hilfe von großen Infrarotstrahlern soll versucht werden, das Ausmaß des Frostschadensrisikos für subalpine Holzpflanzen im Winter inklusive der wichtigsten Baumarten des Schutzwaldes neu abzuschätzen.

Frost ist einer der wichtigsten Umweltstressoren, der die Verbreitung von Pflanzen weltweit limitiert und bedeutende Ertragseinbußen in der Landwirtschaft verursachen kann. Die Frostresistenzmechanismen, wie lebende pflanzliche Zellen tatsächlich eine Eisbildung im Gewebe und tiefe Gefriertemperaturen (-196C) überleben, werden nur teilweise verstanden. Manche pflanzliche Zellen und Gewebe unterkühlen zunächst, werden jedoch dann durch intrazelluläre Eisbildung abgetötet, spätestens bei der homogenen Eisnukleation, die nach einer Unterkühlung auf etwa -40 C eintritt. Intrazelluäre Eisbildung ist in jedem Fall tödlich. Extrazelluläre Eisbildung im Bereich der Zellzwischenräume außerhalb der Zellwand wird von gefriertoleranten Pflanzenarten bis zu einer gewissen Gefriertemperatur ertragen. Allerdings wirkt dieses extrazelluläre Eis mit sinkender Gefriertemperatur zunehmend zellentwässernd. Ab einer bestimmten Gefriertemperatur ist alles frierbare Wasser der Zelle entzogen und diese in einem vitrifizierten oder Glas-Zustand. Ab dieser Temperatur sollten die derart entwässerten Zellen theoretisch eine Abkühlung auf jede beliebige Temperatur unter -40C ertragen können. Die bisher bekannten Frosthärtedaten sind diesbezüglich aber kontrovers und weisen auf durchaus unterschiedliche Frosthärten, auch <-40C, hin. Allerdings wurden diese Daten mit sehr einfachen und z.T. stark divergierenden Messmethoden erhoben. Im vorliegenden Forschungsprojekt wurde nun ein neues Feldfrostungssystem entwickelt, das Frostresistenzuntersuchungen an Pflanzen am Naturstandort ermöglicht. Simulationsfröste können bis zu einer Gefriertemperatur von -70C appliziert werden. Vier Gefrierkammern kommen gleichzeitig zum Einsatz. Es zeigen sich tatsächlich saisonale und artspezifische Unterschiede in der Frosthärte auch bei Temperaturen unterhalb von - 40C, was bedeutet, dass auch nach vollständiger Gefrierentwässerung und dem Unterschreiten des homogenen Eisnukleationspunktes weitere, derzeit noch unklare Faktoren greifen, die die unterschiedlichen Frosthärten bestimmen. Bei Baumarten der alpinen Waldgrenze, wie etwa der Zirbe, wurden maximale Winterfrosthärten von unter -70C gemessen, was die natürlich auftretenden absoluten Temperaturminima bei weitem übersteigt. Die Ergebnisse der Freilandfrostungen zeigen, dass einige der herkömmlichen Methoden zur Bestimmung der Frosthärte völlig ungeeignet sind, um die Winterfrosthärte von Pflanzen zu ermitteln. Hier ist ein Umdenken notwendig. Keine der untersuchten, subalpinen Arten überlebte das Eintauchen ihrer voll frostabgehärteten Zweige in flüssigen Stickstoff (-196C), so wie das für einige boreale Baumarten beschrieben worden ist. Alle Pflanzenarten reagierten mit einer Frosthärtezu-bzw. -abnahme in Antwort auf Kälte- bzw. Wärmebehandlung im Freiland, wodurch mit einem erhöhten Frostschadensrisikopotential im Hinblick auf die globale Erwärmung zu rechnen sein wird.