Es wird geschätzt, dass jedes Jahr mehr als 40 Billionen Tonnen Wasser bewegen sich durch Pflanzenblätter. Pflanzen nehmen Wasser auf, das sich durch die Pflanze bewegt, und dann verdunstet ein Teil davon auf der Blattoberfläche. Die Ganzpflanzenhydraulik ist trotz ihrer Bedeutung für die Pflanzenfunktion und Trockenheitsresistenz ein wenig erforschtes System.

Dr. Shi-Dan Zhu und Yong-Qiang Wang von der Guangxi University und Kollegen vom South China Botanical Garden untersuchten die Beziehungen zwischen der Blattbiomechanik (z. B. Dicke, Schlagkraft), der Struktur (z. B. Aderndichte) und der hydraulischen Blattleitfähigkeit von 30 subtropischen Holzarten.

Die Forscher stellten fest, dass der biomechanische Widerstand mit der hydraulischen Sicherheit und der hydraulischen Leitfähigkeit der Blätter außerhalb des Xylems korreliert, jedoch nicht mit den anatomischen Merkmalen der Blätter. Diese Ergebnisse sind überraschend, da sie der bisherigen Regel widersprechen: „Je größer und zäher die Blätter sind, desto widerstandsfähiger sind die Blätter gegen Blatthydraulikrisiken (z. B. Welken aufgrund von Trockenheit)“.

Erstens kommt die Pflanzenanatomie mit ihrem eigenen Vokabular daher. Nachfolgend finden Sie eine kurze Übersicht über einige Begriffe aus der Hydraulik.

Hydraulische Leitfähigkeit der Blätter (K_Blatt) ist ein Maß dafür, wie effizient Wasser durch das Blatt transportiert wird, bestimmt als Verhältnis der Wasserdurchflussrate (F_Blatt) durch das Blatt. Die hydraulische Leitfähigkeit der Blätter variiert mehr als 65-fach artenübergreifend, was die Vielfalt der Blattstiele und Blattanatomie verschiedener Pflanzen widerspiegelt. Botaniker können den hydraulischen Sicherheitsabstand (HSM) verwenden, um den Grad des hydraulischen Risikos (z. B. Welken aufgrund von Dürre) für eine Art abzuschätzen. HSM ist definiert als die Differenz zwischen dem minimalen Wasserpotential und dem Wasserpotential, das einen Verlust von 50 % der hydraulischen Leitfähigkeit verursacht. Wissenschaftler quantifizieren den biomechanischen Widerstand der Blätter (LBR) in Bezug auf die Kraft des Blattes auf einen Schlag (F_p) und Reißkraft (F_t) pro Bruchlängeneinheit oder pro Breiteneinheit, die den strukturellen und materiellen Widerstand der Blätter gegen Fraßfeinde und physische Beschädigung widerspiegeln. In den Blättern und Wurzeln fließt Wasser durch beide das Xylem und lebende Zellen außerhalb des Xylems.

Zhu, Wang und Kollegen gesammelte Pflanzenproben von 30 Gehölzarten rund um die Forschungsstation für Waldökosysteme in Dinghushan in China, um die Beziehungen zwischen dem biomechanischen Widerstand der Blätter, der hydraulischen Leitfähigkeit der Blätter und der Blattanatomie zu untersuchen.

Es gibt einen signifikanten Unterschied in den Niederschlägen zwischen der Regen- und Trockenzeit in diesem Gebiet. Das Team maß das minimale Blattwasserpotential in der Trockenzeit, während es alle anderen Merkmale maß (z. B. Reißkraft, Schlagkraft, Blattmasse pro Flächeneinheit, Aderndichte, Blattwasserpotential, K_Blatt) in der Regenzeit.

Zhu, Wang und Kollegen fanden bei den beprobten Holzpflanzenarten einen Kompromiss zwischen hydraulischer Effizienz und Sicherheit der Blätter. Arten mit höherem biomechanischem Blattwiderstand (LBR; widerstandsfähiger gegen Schlagen und Reißen) hatten eine größere hydraulische Blattsicherheit, aber eine hydraulische Blattleitfähigkeit (K_Blatt; Wasserdurchflusseffizienz) korrelierten nicht mit LBR.

„Die Ergebnisse dieser Studie geben Einblicke in die Beziehungen zwischen Biomechanik, Sicherheit, Effizienz und Elastizität in Blättern“, schreiben Zhu, Wang und Kollegen.

Während im Xylem (z. B. durch die Venen) keine Gesamtkorrelation zwischen dem biomechanischen Widerstand und der hydraulischen Leitfähigkeit der Blätter bestand, gab es eine Korrelation außerhalb des Xylems (z. B. interzelluläre Lufträume). Das haben Forscher erst vor kurzem erkannt Wichtigkeit der hydraulischen Leitfähigkeit außerhalb des Xylems, besonders wenn es um die Reaktion auf Dürre geht. Während der Dürre nimmt die hydraulische Leitfähigkeit der Blätter hauptsächlich aufgrund des Turgorverlusts des Mesophylls und des Zusammenbruchs der Kanäle der Nebenvenen ab. Sobald der Wasserstand unter eine kritische Schwelle fällt, werden die Blätter aufgrund einer hydraulischen Dysfunktion geschädigt und altern.

„Weitere Aufmerksamkeit sollte daher auf die Wege außerhalb des Xylems von Blättern gerichtet werden, um die Korrelation zwischen Blatthydraulik und Biomechanik in mehr Arten und Biomen zu bestimmen“, empfehlen die Forscher.

Diese Studie unterstreicht den Bedarf an Grundlagenforschung und wie viel wir immer noch nicht über die Anlagenhydraulik verstehen.