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.