Eislakunen in pflanzlichen Geweben

Fröste sind hoch selektiv für Pflanzen und beeinflussen daher deren geografische Verbreitung. Paradoxer Weise nimmt trotz Erderwärmung das Frostrisiko vielerorts zu, was auf mangelnden Schneeschutz und mildere Winter zurückzuführen ist. Regelmäßige Schlagzeilen und Berichte über Schadfröste und millionenschwere Ertragsverluste in der Landwirtschaft sind uns allen geläufig. Friert Wasser in den Zellen, so sind Pflanzen sofort tot. Wenn frostharte Pflanzen gefrieren entsteht unschädliches Eis zwischen den Zellen, welches zu einer Entwässerung der Zellen führt. Vor allem biophysikalische Aspekte, wie das Eiswachstum kontrolliert wird und wie Zellwasser vom Eis getrennt wird, wird derzeit noch nicht verstanden. Da Pflanzen zu einem großen Teil aus Wasser bestehen, müssen die entstehenden Eismassen beträchtlich sein. Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus, was zu einem Platzproblem führt. Leider fehlten bis dato einfache technische Verfahren, die Eis in Pflanzengeweben von flüssigem Wasser unterscheidbar machen konnten. Erst unlängst wurde jedoch in unserem Labor ein Verfahren entwickelt, das genau das möglich macht. Dadurch werden völlig neue Einblicke ins Gefrieren und die Eiskristallbildung in Pflanzengeweben erwartet. Um zu verstehen, ob chemische Substanzen Einfluss auf Eisbildung, Orte der Eisbildung und Kontrolle des Wachstums von Eiskristallen haben, wird das Eis isoliert und biochemisch analysiert. Orte der Eissegregation werden zusätzlich über bildgebende Verfahren chemisch charakterisiert. Neueste Kalorimetrie-Technik ermöglicht es die Menge der Eismassen im Zuge eines dynamischen Gefriervorgangs in noch nie dagewesener Genauigkeit zu bestimmen. Während die Reduzierung des Wassergehalts ein Teil der Anpassung an die Fröste im Winter ist, überleben Frühlings- und Alpenpflanzen das Einfrieren mit hohem Wassergehalt. Ein Thema, das vor allem auf viele Kulturpflanzen zutrifft, die auch während der Vegetationszeit frostgefährdet sind. Kaum etwas ist bekannt, wie mit den zu erwartenden großen Eismassen im Gewebe umgegangen wird. Es gibt jedoch neuere Hinweise darauf, dass sich Eis in vorbestimmten Räumen ansammelt. Einige von ihnen scheinen bereits vorhanden zu sein, andere werden durch Geweberisse an vorbestimmten Stellen völlig neu gebildet. Auch hier wird nicht verstanden, wie dies gesteuert wird. Biophysikalische und -chemische Aspekte des Eiswachstums in Pflanzengeweben und Mechanismen der Eissegregation in vorgegebene Räume sind noch weitgehend unerforscht. Insbesondere der beabsichtigte Einsatz eines Sets neuer und innovativer Messmethoden verspricht richtungsweisende Erkenntnisse über die biophysikalischen Mechanismen des Gefrierens von pflanzlichen Geweben.

Pflanzen können nicht weglaufen und Temperaturen unter null Grad, bei denen sich in ihnen Eis bildet, stellen eine große Herausforderung dar. In kalten Regionen ist die Fähigkeit Frost zu tolerieren, entscheidend für das Überleben von Wildpflanzen und für den Ertrag von Kulturpflanzen. Dieses Forschungsprojekt untersuchte, wie Pflanzen Eisbildung überleben und Frostschäden vermeiden. In eistoleranten Pflanzen der gemäßigten Breiten bildet sich Eis in Hohlräumen außerhalb der lebenden Zellen. Wo und wie dies geschieht, war bislang unbekannt. Wenn Wasser zu Eis gefriert, nimmt sein Volumen um 9% zu, was zu Platzproblemen führt. Die neuen Erkenntnisse zeigen interessanterweise, dass viele Bereiche in Blättern völlig eisfrei bleiben. Eismassen bilden sich in vorhandenen Hohlräumen oder neue Hohlräume reißen auf, was unbeschadet überstanden wird. Eis im Blatt führt zu fortschreitender Entwässerung der Zellen. Die Untersuchungen ergaben, dass kleine Zellen mit dickerer, chemisch veränderter Zellwand und weniger Hohlräumen im Blattgewebe dieser Frostentwässerung besser widerstehen können. Die Zellen erreichen ein sogenanntes "Supercooling", bei dem sie trotz umgebenden Eises unterkühlt und funktionsfähig bleiben. Starre Zellwände verlangsamen den Wasserverlust. Bei der Hanfpalme konnte erstmals nachgewiesen werden, dass Supercooling dennoch mit moderater Entwässerung einhergeht: In der Natur frieren die Blätter bei 3,3 C, tödliches intrazelluläres Eis entsteht jedoch erst bei 15,6 C. Für zwei bedeutende Nutzpflanzen konnte die Ursache von Frostschädigung geklärt werden. Kartoffelblätter erleiden bei 3 C Frostschäden in zwei Phasen: Zunächst bildet sich Eis, während die Zellen unterkühlt bleiben, anschließend zerstören intrazelluläre Eiskristalle das Gewebe. Kartoffeln überleben Frost nur bei kurzer Gefrierdauer, was wichtige Konsequenzen für die Züchtung hat. Beim Weizen lassen sich häufige Blattspitzenschäden nach Frost auf Unterschiede im Gefrierverhalten zurückführen: Die Blattspitzen frieren schneller als die Basis, was mit Unterschieden in der Zellwandchemie, insbesondere der Esterifizierung von Zimtsäuren, zusammenhängt. Für immergrüne Blätter konnte gezeigt werden, dass sie im Winter langsamer Gefrieren, was ein Schlüssel für die höhere Winterfrosthärte ist. In Efeu- und Buchsbaumblättern entsteht zudem weniger Eis. Die Ursache ist unklar, aber der reduzierte Wassergehalt und die Osmoregulation spielen dabei eine wichtige Rolle. Die Nadelblätter von Gebirgskiefern zeigen eine spezialisierte Anatomie mit Lignin in der Endodermis, die das Eis im Gefäßzylinder gefangen hält. In der gefrorenen Nadel bleiben photosynthetisch aktive Zellen eisfrei und entwässern nicht. Das bedeutet, dass Gasaustausch und Photosynthese selbst in gefrorenen Nadeln möglich ist, was für das Überleben im alpinen Lebensraum entscheidend erscheint. Zell-, Zellwand- und Gewebeanpassungen steuern gezielt die Eisbildungsdynamik und Gefrierentwässerung, beide sind entscheidend für das Überleben bei Frost. Diese Entdeckung könnte dazu beitragen, neue Ansätze zur Verbesserung der Frosttoleranz in Nutzpflanzen zu entwickeln. Dies ist nicht nur für die Lebensmittelversorgung entscheidend, sondern könnte auch helfen, die Erträge in kalten Regionen zu stabilisieren, insbesondere in Zeiten des Klimawandels, wo eine abgeschwächte Frostabhärtung beziehungsweise eine verfrühte Frostenthärtung mit Spätfrostgefahr prognostiziert sind.