Forschung

Das Überleben überwinternder Knospen ist entscheidend für Fortpflanzung, Wachstum, Artenverteilung und Ernteproduktivität. Knospen haben vielfältige Architekturen, aber ihre Rolle bei der Kältebeständigkeit ist noch wenig verstanden. Klimaerwärmung erhöht das Frostrisiko, da die Knospen keine ausreichende Kältehärte ohne Kältesignale entwickeln. In diesem Projekt werden die Überlebenstypologien des Einfrierens neu bestimmt und strukturelle und chemische Merkmale identifiziert, die eine Überkühlung oder Eissegregation ermöglichen. Es wird ermittelt, ob eine Verletzung durch intrazelluläres Eis oder Dehydration entsteht. Holzartige Arten werden an drei Standorten mit unterschiedlichen Temperaturregimen unter derselben Photoperiode angebaut. Kältehärte wird mit strukturellen und funktionalen Eigenschaften verbunden. Die Gefrierdynamik (Eisbildung, Überkühlung vs. Gefrierdehydrierung, gefrorenes Wasser pro Temperatur) wird mit Differential-Scanning-Kalorimetrie und Psychrometrie untersucht. Subletale und tödliche Eismassen werden mit Thermografie und Kryomikroskopie visualisiert. Regionen, in denen sich Eis bildet oder gehemmt wird, werden mit quantitativer Mikroskopie, Raman-Mikroskopie und Rasterkraftmikroskopie analysiert. Die saisonale Kohlenhydratablagerung wird kartiert, um ihre Rolle beim Überkühlen zu bewerten. Differenzielle Scan-Kalorimetrie- und Kältehärtetests bestimmen, ob intrazelluläres Einfrieren oder kritische Dehydration eine Verletzung verursacht. Die Ergebnisse werden schützende Metaboliten und strukturelle Eigenschaften für die Zucht widerstandsfähiger Pflanzen und Bäume identifizieren und Modelle verbessern, die Frostschäden, Biodiversitätsverschiebungen und Waldstabilität unter Klimawandel vorhersagen.

Der Übergang vom Wasser an Land war ein evolutionärer Meilenstein für die frühen Landpflanzen und ebnete den Weg für Tiere und schließlich auch für den Menschen. Streptophytenalgen und Bryophyten gehören zu diesen frühen Siedlern und sind ideale Modelle, deren Komplexität von Filamenten bis zu mehrzelligen 3D-Körpern reicht. Sie passten sich auf verschiedenen Hierarchieebenen (Gewebe, Zellen, Schnittstellen, Zellwand) und Lebenszyklen (vegetative Organe, starre Sporen) an. Ein tiefgreifendes Verständnis der verschiedenen Lebensformen von der Organ- über die Mikro- bis zur Nanoebene und ihrer Reaktionen vor Ort bei Austrocknung fehlt, obwohl es notwendig ist, um Anpassungen unter sich verändernden Umweltbedingungen zu verstehen. Drei repräsentative Artengruppen werden unter realistischen Austrocknungsszenarien untersucht: 1) Streptophytenalgen mit unterschiedlicher Austrocknungstoleranz wie Klebsormidium sp. und Zygnema circumcarinatum (Zygnematopyhceae), 2) das Lebermoos Riccia fluitans (Ricciaceae) mit terrestrischen sowie wasseranfälligen Vertretern und 3) das Moos Physcomitrium patens (Funariaceae). Unser integrativer Ansatz kombiniert zellbiologische, biochemische und biophysikalische Methoden, um die Eigenschaften und Umstrukturierungen von Zellen in frühen Landpflanzen zu untersuchen. Die Daten werden zur Entwicklung eines prädiktiven biophysikalischen Modells für zelluläre Reaktionen auf Dehydrations-/Austrocknungsszenarien verwendet. Die In-situ-Analyse der Zellwände und Oberflächen der Leitarten unter Austrocknungsbedingungen wird Einblicke in Anpassungen in verschiedenen Lebenszyklen sowie in Umgestaltungen und mikrostrukturelle Veränderungen beim Trocknen geben. Wir werden ein besseres Verständnis davon gewinnen,

Xylemparenchymzellen (XPCs) sind in der Regel das am wenigsten widerstandsfähige Stammgewebe und bestimmen daher die Frosthärte von Bäumen und ihre nördliche Verbreitungsgrenze. Auf der Grundlage der Differentialthermoanalyse (DTA) wurden zwei Mechanismen für das Frostüberleben von XPCs beschrieben: Weniger frostharte XPCs werden durch tödliches intrazelluläres Gefrieren, die so genannte tiefe Unterkühlung, abgetötet, die zwischen -24 und -50 °C auftritt. Man nimmt an, dass die meisten frostharten XPCs (-196°C) durch Gefriertrocknung überleben und wurden als frosttolerant bezeichnet. Jüngste Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass auch eine überlagerte Gefriertrocknung an der tiefen Unterkühlung beteiligt sein könnte. Die zugrundeliegenden Mechanismen der Frosthärte von XPCs sind noch weitgehend unbekannt. Daher wollen wir ein neues, hochauflösendes Differential Scanning Calorimeter (DSC) einsetzen, um das Ausmaß und die temperaturabhängige Dynamik der Unterkühlung und Gefriertrocknung von XPCs zu quantifizieren. Darüber hinaus werden spezifische Gefrierreaktionen untersucht, die auf intraspezifische Unterschiede in der Anatomie des Xylems, der XPC-Architektur und der Funktion zurückzuführen sind. Quantitative Zellparameter von XPCs und den gefäßassoziierten Zellen werden alle mit dem spezifischen Gefrierverhalten in Verbindung gebracht, das mit DSC gemessen wird. In diesem Zusammenhang werden spezifische molekulare Komponenten innerhalb der XPCs (eishemmende Substanzen) und der Zellwände, die deren Porosität und Steifigkeit beeinflussen mit Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie, als auch wie Raman-Mikrospektroskopie und der Rasterkraftmikroskopie analysiert. Die Mechanismen der Frostbeständigkeit von XPC sind unzureichend erforscht und insbesondere für die meisten europäischen Baumarten noch unbekannt. In diesem Zusammenhang ist der Aspekt der Unterschiede in den XPC-Konstruktionstypen und der Xylemanatomie bisher nicht besonders untersucht worden. Die mechanistische Beteiligung molekularer Komponenten an der Frostbeständigkeit von XPC ist, abgesehen von einigen neueren Studien, ein wenig erforschtes Thema. Angesichts des Klimawandels rücken die Austriebstermine rasch näher, was die Wahrscheinlichkeit verheerender Frostereignisse insgesamt erhöht. Daher werden die Ergebnisse zu einer dringend benötigten Verbesserung unserer Vorhersagen über die Reaktion von Bäumen auf den Klimawandel führen, was nicht nur für die Forstwirtschaft, sondern auch für den Obst- und Zierpflanzenanbau von wirtschaftlicher Bedeutung ist.