(und Carlson/Unsplash) Haben Sie sich jemals gefragt, wie viel Wasser Pflanzen zum Wachsen brauchen oder warum sie es brauchen?
Pflanzen verlieren viel Wasser, wenn sie Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnehmen, sodass sie bis zu 300 Gramm Wasser benötigen, um jedes Gramm trockene Pflanzenmasse herzustellen.
Aber das muss nicht so sein. In einem Neues Papier veröffentlicht in Naturpflanzen Wir berichten über ein natürliches Geheimnis, das letztendlich dazu genutzt werden könnte, Pflanzen bei geringerem Wasserverbrauch gedeihen zu lassen.
Ein wesentlicher Bestandteil für das Pflanzenwachstum
Pflanzen bestehen größtenteils aus Wasser – etwa 80 Gewichtsprozent. Wir können also davon ausgehen, dass Pflanzen etwa vier Gramm Wasser pro Gramm Trockenmasse benötigen, um ihren idealen Hydratationsgrad zu erreichen.
Das mag zwar so sein, aber sie brauchen viel mehr Wasser, um zu wachsen. Um ein Gramm neue Trockenmasse zu produzieren, benötigt eine Pflanze etwa 300 Gramm Wasser.
Warum gibt es einen so großen Unterschied zwischen der für die Hydratation erforderlichen Wassermenge und der für das Wachstum erforderlichen Menge?
Denn fast das gesamte Wasser, das Pflanzen über ihre Wurzeln aus dem Boden aufnehmen, gelangt bald über ihre Blätter in die Atmosphäre.
Pflanzenblätter sind mit mikroskopisch kleinen Klappen, sogenannten Stomata, bedeckt. Die Spaltöffnungen öffnen sich, um Kohlendioxid aus der Luft einzulassen, das Pflanzen für die Photosynthese und das Wachstum benötigen.
Wenn die Spaltöffnungen jedoch geöffnet sind, ist das feuchte Innengewebe des Blattes der trockeneren Außenluft ausgesetzt. Dies bedeutet, dass bei geöffneten Stomata Wasserdampf austreten kann.
Eine lange gehegte Annahme
Pflanzenwissenschaftler gehen seit langem davon aus, dass das Öffnen und Schließen der Spaltöffnungen die aus einem Blatt verdunstende Wassermenge fast vollständig kontrolliert.
Dies liegt daran, dass wir davon ausgegangen sind, dass die Luft in kleinen Taschen im Inneren der Blätter vollständig mit Wasserdampf gesättigt ist (anders lässt sich sagen, dass die „relative Luftfeuchtigkeit“ 100 Prozent oder sehr nahe daran liegt).
Wenn die Luft im Inneren des Blattes gesättigt und die Luft draußen trockener ist, steuert die Öffnung der Spaltöffnungen, wie viel Wasser aus dem Blatt diffundiert.
Das Ergebnis ist, dass für jedes eintretende Kohlendioxidmolekül große Mengen Wasserdampf aus dem Blatt austreten.
Warum haben wir angenommen, dass die Luft im Inneren der Blätter eine relative Luftfeuchtigkeit von nahezu 100 Prozent hat?
Teilweise, weil sich das Wasser von stärker gesättigten Orten zu weniger gesättigten Orten bewegt. Deshalb gingen wir davon aus, dass die Zellen in den Blättern ihre Hydratation nicht aufrechterhalten könnten, wenn sie direkt der Luft mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von deutlich weniger als 100 Prozent ausgesetzt würden.
Aber wir gingen auch deshalb von dieser Annahme aus, weil wir keine Methode hatten, die relative Luftfeuchtigkeit im Inneren von Blättern direkt zu messen. (A Kürzlich entwickelter „Hydrogel-Nanoreporter“ das in Blätter injiziert werden kann, um die Luftfeuchtigkeit zu messen, kann diese Situation verbessern.)
Ein Geheimnis gelüftet
Allerdings in einem Reihe von Experimenten In den letzten 15 Jahren haben wir Beweise dafür gesammelt, dass diese Annahme nicht korrekt ist.
Wenn die Luft außerhalb des Blattes trocken war, beobachteten wir, dass die relative Luftfeuchtigkeit in den Lufträumen im Inneren der Blätter regelmäßig deutlich unter 100 Prozent sank, manchmal sogar auf bis zu 80 Prozent.
Das Bemerkenswerteste an diesen Beobachtungen ist, dass die Photosynthese nicht aufhörte oder sich sogar verlangsamte, wenn die relative Luftfeuchtigkeit im Inneren der Blätter abnahm.
Dies bedeutet, dass die Wasserverlustrate der Blätter konstant blieb, auch wenn die Außenluft ihren „Verdunstungsbedarf“ erhöhte (ein Maß für die Trocknungsfähigkeit oder den „Durst“ der Luft, basierend auf Temperatur, Luftfeuchtigkeit und anderen Faktoren).
Wenn die Blätter ihren Wasserverlust nur durch das Schließen ihrer Spaltöffnungen begrenzen würden, würden wir eine Verlangsamung oder einen Stopp der Photosynthese erwarten.
Es scheint also, dass Pflanzen den Wasserverlust aus ihren Blättern effektiv kontrollieren können, während die Spaltöffnungen offen bleiben, sodass Kohlendioxid weiter in das Blatt diffundieren kann, um die Photosynthese zu unterstützen.
Mit Wasser sinnvoll umgehen
Wir glauben, dass Pflanzen die Bewegung des Wassers mithilfe spezieller „Wasser-schleusender“ Proteine, sogenannter Aquaporine, steuern, die sich in den Zellmembranen im Inneren des Blattes befinden.
Unsere nächsten Experimente werden testen, ob Aquaporine tatsächlich der Mechanismus hinter dem beobachteten Verhalten sind.
Wenn wir diesen Mechanismus gründlich verstehen, könnte es möglich sein, seine Aktivität gezielt zu steuern und den Landwirten letztendlich Pflanzen zur Verfügung zu stellen, die Wasser effizienter nutzen.
In den kommenden Jahrzehnten wird die globale Erwärmung dazu führen, dass die Atmosphäre zunehmend nach verdunstetem Wasser dürstet.
Wir freuen uns, Ihnen mitteilen zu können, dass die Natur möglicherweise noch Geheimnisse preisgibt, die genutzt werden können, um die Pflanzenproduktion bei begrenzten Wasserressourcen anzukurbeln.
Die Autoren möchten die Beiträge zu dieser Arbeit von Graham Farquhar, Martin Canny (verstorben), Meisha Holloway-Phillips, Diego Marquez und Hilary Stuart-Williams würdigen. 
Lucas Cernusak , Außerordentlicher Professor, Pflanzenphysiologie, James-Cook-Universität Und Chin Wong , Gastwissenschaftler, Pflanzenwissenschaften, Australische Nationaluniversität .
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