Gefrierdynamik und Schadensursache in Überwinterungsknospen

Das Überleben von Gehölzen im Winter hängt von winzigen, aber hochspezialisierten Strukturen ab: Überwinterungsknospen, die zukünftige Blätter, Blüten und Triebe schützen. Da der Klimawandel die saisonalen Temperatursignale stört, sind Pflanzen häufiger schädlichen Frostereignissen ausgesetzt, wenn die Knospen noch keine ausreichende Kälteresistenz entwickelt haben oder bereits enthärtet sind. Knospen weisen vielfältige Strukturen auf, aber wie ihre Struktur und Chemie das Überleben bei Frost beeinflussen, ist weitgehend unverstanden, was die Vorhersage von Frostschäden und die Züchtung widerstandsfähiger Arten begrenzt. Dieses Projekt prüft die Hypothese, dass das Überleben von Knospen bei Frost durch strukturelle Eisbarrieren, die Dynamik der Gefrierentwässerung und biochemische Eigenschaften bestimmt wird Faktoren, die bisher weitgehend unerforscht sind. Wir nehmen an, dass Frostschäden durch zwei Mechanismen entstehen: intrazelluläre Eisbildung oder kritische Gefrierentwässerung. Um die Anfälligkeit gegenüber Frost in einem sich erwärmenden Klima zu verstehen, klären wir, welcher Mechanismus bei den verschiedenen Knospentypen dominiert. Wir setzen Holzarten unterschiedlichen Temperaturbedingungen aus und verknüpfen die Frosthärte mit der Knospenstruktur, dem Wasserhaushalt und der biochemischen Zusammensetzung. Mithilfe thermischer Methoden untersuchen wir, ob kleine Gewebegrößen und extensive Gefrierentwässerung zu letalen Gefrierereignissen führen, die mit herkömmlichen Techniken nicht nachweisbar sind, und ob die durch Gefrieren verursachte Wasserbewegung quantifiziert werden kann, um die bestehenden Gefriertypologien zu verfeinern. Wir stellen die Hypothese auf, dass die Eisbildung nicht zufällig erfolgt, sondern auf bestimmte extrazelluläre Bereiche beschränkt ist, deren Lage und Kapazität von der Struktur und Morphologie der Knospen abhängt. Das Projekt untersucht auch, wie Eisbarrieren das Eindringen von Eis in unterkühlte Meristeme verhindern. Wir erwarten, dass strukturelle Merkmale wie die Zusammensetzung der Zellwände, die Anordnung der Zellen, Lipide, Phenole und Pektine sowie die saisonale Anreicherung von Fruktanen die Wasserverschiebung regulieren und die Unterkühlung stabilisieren. Schließlich testen wir, ob Frostschäden besser durch den Grad der Gefrierentwässerung als durch das Vorhandensein eines letalen Gefrierereignisses vorhergesagt werden können und ob Membranversagen die tödliche Schwelle markiert. Durch die Integration von thermischer Analyse, Mikroskopie, Spektroskopie und Metabolomik liefert diese Forschung eine mechanistische Grundlage für das Verständnis der Kälteresistenz von Knospen. Die Ergebnisse verbessern die Vorhersage von Frostrisiken, unterstützen die Züchtung kälteresistenter Nutzpflanzen und Bäume und schärfen die Prognosen zur Stabilität von Ökosystemen und zu Veränderungen der Biodiversität im Klimawandel.