Die Mechanismen hinter der Rindenbildung verstehen

Die Rinde spielt für Bäume eine lebenswichtige Rolle – sie verhindert Wasserverlust, ist eine Barriere gegen Insekten und Krankheiten und isoliert vor extremen Temperaturen.

Aufgrund ihrer einzigartigen Struktur verwenden Menschen Rinde für eine Vielzahl von Produkten. Dicker, leichter Kork wird beispielsweise häufig für Weinflaschenverschlüsse, Fußböden, Korkplatten und Angelschwimmer verwendet. Aus faseriger Rinde können Seile hergestellt und Textilien daraus gewebt werden. Seit der Antike wird dünne Rinde zur Herstellung von Papier und Stoff verwendet.

Die Rinde ist der äußerste Teil des Stammes von Holzpflanzen. Stämme bestehen aus Gewebeschichten mit unterschiedlicher Funktion:

• Xylem – transportiert Wasser und Nährstoffe
• Gefäßkambium – meristematisches Gewebe, das Xylem (nach innen) und Phloem (nach außen) produziert
• Phloem – transportiert Zucker und andere Stoffwechselprodukte
• Phellogen – meristematisches Gewebe, das Korkzellen (nach außen) produziert
• Phelloderm – innere korkige Schutzschicht des Gewebes
• Phellem – äußere korkige Schutzschicht aus Gewebe

Rinde besteht üblicherweise aus Phloem (innere Rinde), einer oder mehreren Schichten Phellogen, Phelloderm und Phellem (äußere Rinde).

Biomechanische Reize – bestehend aus physikalischen Kräften und mechanischen Signalen – beeinflussen das Wachstum von Stammgewebe und -zellen und beeinflussen die Rindenentwicklung. Gefäßkambiumzellen teilen sich in Xylem und Phloem, während Phellogen zu Phellem und Phelloderm führt, was zu radialem Wachstum und Stammausdehnung führt, was nach außen und tangential Druck auf das umgebende Gewebe erzeugt. Diese innere Spannung und dieser Druck als Anreiz dienen Dies kann die weitere Zellteilung und -differenzierung beeinflussen und die Zellteilungs- und Zellverlängerungsrate regulieren.

Mit zunehmendem Alter des Stammes und zunehmendem Durchmesser erschweren Veränderungen in der Gewebeorganisation die Beurteilung, wie sich diese Reize auf die Differenzierung und Aktivität des meristematischen Gewebes auswirken. Daher sind Computermodelle von entscheidender Bedeutung, um den Einfluss biomechanischer Reize auf die Rindenbildung zu verstehen.

Als Masterstudent an der Universidad Politécnica de Madrid schloss sich Álvaro Gutiérrez-Climent einem Team an, um MODELBARK zu entwickeln, ein Computermodell, mit dem sich die Rindenbildung im Laufe der Zeit simulieren lässt. Eine Beschreibung der Entwicklung und der Merkmale dieses Modells wurde kürzlich veröffentlicht in in silico Pflanzen

Die Entwicklung des Modells begann mit mikroskopischen Arbeiten. Die Forscher analysierten die anatomischen Merkmale der Rinde von Sämlingen und erwachsenen Korkeichen (Quercus Hochladen), Steineichen (Q. ilex) und ihre Hybride mittels Mikroskopie. Diese Daten wurden verwendet, um den Zeitpunkt des Einsetzens des ersten Phellogens zu bestimmen und die mechanischen Koeffizienten für die verschiedenen Gewebe zu ermitteln.

MODELBARK ist ein einfaches, aber leistungsstarkes Werkzeug zur Modellierung des radialen Sekundärwachstums von Baumstämmen auf Zellebene. Das Modell simuliert das Wachstum eines Holzstamms ausgehend von einer einzelnen vaskulären Kambiumzelle. Während sich diese Kambiumzelle teilt, werden in sequenziellen Zeitschritten neue Zellen hinzugefügt. Die Rindenbildung hängt vom Widerstand des äußeren Gewebes gegen den Druck ab, der vom expandierenden inneren Gewebe ausgeübt wird. Die mechanischen Eigenschaften, die diesen Widerstand beeinflussen, wie Elastizität und Kohäsion zwischen benachbarten Zellen, variieren je nach Gewebetyp.

Biomechanische Reize können Veränderungen in der Zellentwicklung auslösen, die zur Bildung spezialisierter Gewebe führen. Im Gegensatz zum Gefäßkambium, das während der gesamten Lebensdauer des Baumes aktiv bleibt, bildet sich nach einem Jahr oder mehr ein neues Phellogen weiter innen und macht das vorherige inaktiv. Dieser wichtige Prozess wird im Modell dargestellt: Wenn der Druck den Widerstand übersteigt, löst dies die Bildung des ersten und weiterer Phellogene aus. Die Unterschiede in der anatomischen Struktur der Rinde zwischen verschiedenen Arten ergeben sich aus unterschiedlichen Teilungsraten des Gefäßkambiums und des Phellogens sowie aus den mechanischen Eigenschaften des äußeren Gewebes.

MODELBARK kann die Entwicklung verschiedener Rindentypen simulieren, indem es die Schlüsselfaktoren berücksichtigt, die die Rindenanatomie beeinflussen. Durch die Anpassung von Parametern wie Zellteilungsraten, Gewebedicke und Widerstandswerten konnten die Autoren erfolgreich verschiedene Rindenformationen nachbilden.

Dieses Modell bietet wertvolle Einblicke in die Mechanismen der Rindenbildung. Dieses Verständnis kann Forschern dabei helfen, zu erforschen, wie sich Bäume an veränderte Klimabedingungen anpassen und sich vor Schädlingen und Krankheiten schützen.

MODELBARK verfügt über eine intuitive Benutzeroberfläche und ist kostenlos verfügbar, was es ideal für den Einsatz in Bildungszwecken macht.

DER ARTIKEL::

Álvaro Gutiérrez-Climent, Juan Carlos Nuño, Unai López de Heredia, Álvaro Soto, ModelBark: ein Spielzeugmodell zur Untersuchung der Rindenbildung bei Holzarten, in silico Plants, Band 6, Ausgabe 2, 2024, diae017, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diae017

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MODELBARK steht zusammen mit dem Handbuch kostenlos zum Download im GitHub-Software-Repository zur Verfügung (https://github.com/GGFHF/ModelBark) unter der GNU General Public License v3.0.