Name: water movement in plants
Uploaded: 2019-01-29T11:04:45.000Z
Duration: 3 min 58 s
Channel: JoVE

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New York State Science Learning Standards

High School

Life Science

Structure and Function

HS-LS1-2.

Transpiration

Pflanzen sind in fast jedem Ökosystem der Welt zu finden, von Wüsten über gemäßigte Wälder bis hinunter zum Meeresboden. Als Folge der natürlichen Selektion haben Pflanzen eine erstaunliche Vielfalt an Anpassungen entwickelt, um mit unterschiedlichen Umweltherausforderungen fertig zu werden. Eine der größten Herausforderungen, mit denen Pflanzen konfrontiert sind, ist die Aufrechterhaltung der richtigen Flüssigkeitszufuhr. Wasser ist eine wichtige Ressource, auf die sie für die Photosynthese, die strukturelle Unterstützung und den Transport von Nährstoffen und anderen wichtigen Molekülen angewiesen sind. Eine Möglichkeit, wie Pflanzen ihren Wasserhaushalt kontrollieren können, besteht darin, einen Prozess zu regulieren, der als Transpiration bekannt ist und bei dem es sich im Wesentlichen um die Verdunstung von Wasser aus den oberirdischen Teilen einer Pflanze handelt. Dieser Wasserverlust entsteht vor allem durch Poren auf den Blättern, die Spaltöffnungen genannt werden. Doch wie kommt das Wasser hierher? 

Um diese Frage zu beantworten, schauen wir genauer in den Untergrund. Hier gelangt Wasser durch Osmose in die Wurzeln der Pflanze und gelangt dann durch ein Gefäßgewebe namens Xylem bis zu den Blättern. Dieser Wasserkanal ist als Transpirationsstrom bekannt. Da Wassermoleküle aneinander und an den Xylemwänden haften, wird beim Verdunsten aus den Spaltöffnungen Wasser aus dem unteren Teil des Transpirationsstroms nach oben gezogen, um seinen Platz einzunehmen... was zu einer Aufwärtsströmung von den Wurzeln führt. Schauen wir uns nun ein Stoma genauer an. Jede Stomatapore wird von zwei Schließzellen begrenzt, die sich ausdehnen können, um die Pore zu öffnen, und sich zusammenziehen, um sie zu schließen. Pflanzen öffnen ihre Spaltöffnungen, um Kohlendioxid für die Photosynthese aufzunehmen und Sauerstoffgas freizusetzen. Wasserverlust durch Transpiration ist ein unvermeidlicher Nebeneffekt dieses Prozesses. 

Dieser Kompromiss stellt eine besondere Herausforderung für Pflanzen dar, die in trockenen Umgebungen leben, und so haben sie Strategien entwickelt, um ihren Wasserverlust so weit wie möglich zu reduzieren. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, Blätter mit kleinen Oberflächen zu züchten, die eine kleine Fläche darstellen, über die Transpiration stattfinden kann. Aus diesem Grund sind die Blätter von Wüstenpflanzen wie Kreosot relativ klein. Aber wenn man noch einen Schritt weiter geht, haben Pflanzen aus trockenen Umgebungen auch weniger Spaltöffnungen pro Flächeneinheit auf ihren Blättern, was es ihnen ermöglicht, den Wasserverlust durch Transpiration zu minimieren. 

Im Gegensatz dazu können es sich Pflanzen, die in Umgebungen mit viel Wasser wie Regenwäldern leben, leisten, viel Wasser durch Transpiration zu verlieren. Solche Pflanzen wie dieser Taro zum Beispiel entwickeln oft Blätter mit großen Oberflächen, die ihre Fähigkeit erhöhen, Licht abzufangen, um die Photosynthese zu fördern. Diese Pflanzen haben auch eine hohe Dichte an Spaltöffnungen im Vergleich zu Pflanzen aus trockenen Lebensräumen, was es ihnen ermöglicht, hohe Photosyntheseraten aufrechtzuerhalten und große Blätter und Stängel zu tragen. 

In diesem Labor messen Sie die Transpirationsraten und untersuchen die Häufigkeit von Blattspaltöffnungen bei verschiedenen Pflanzenarten, um herauszufinden, wie Pflanzen aus verschiedenen Lebensräumen das Problem der Regulierung der Transpiration lösen.

transpiration

<h4>Hintergrund</h4>

Alle lebenden Organismen müssen eine Reihe von grundlegenden Funktionen erfüllen, um sich selbst zu erhalten. Einer dieser Prozesse ist der Transport von Materialien durch den Organismus. Daher müssen Organismen Materialien mit der Umwelt austauschen, was sich auf der kleinen Skala von Zellen zeigt, die Proteine und andere Materialien untereinander transportieren, oder auf einer größeren Skala wie dem Wasserkreislauf, wo sich Wasser ständig auf, über und unter der Erdoberfläche bewegt. In beiden Beispielen ist die Bewegung von Materialien von einem Bereich in einen anderen ein dynamischer Prozess, der sowohl durch Umweltvariablen als auch durch biologische Variablen reguliert wird.

<h4>Transpiration: Ein Fahrer für den Wassertransport</h4>

Gefäßpflanzen, von den kleinsten Farnen bis zu den riesigen Mammutbäumen Kaliforniens, transportieren Wasser und die wasserlöslichen Stoffe durch ein System von Bündeln von Gefäßgewebe, die von den Wurzeln bis zu den Spitzen der Pflanze verlaufen, durch die Pflanze. Konkret werden Wasser und Nährstoffe von den Wurzelhaaren aufgenommen und durch Osmose in das Xylem der Pflanze übertragen, eines der beiden großen Gefäßsysteme, die in Pflanzen vorkommen. Das Wasser wird dann zum höchsten Punkt der Pflanze und nach außen in die Blätter transportiert, wo die Photosynthese stattfindet. Interessanterweise wird nur 1% des von den Pflanzen aufgenommenen Wassers für die Photosynthese verwendet. Die anderen 99 % des Wassers werden nicht direkt von der Pflanze genutzt und gehen durch Verdunstung oder Guttation, auch Transpiration genannt, aus der Pflanze verloren. Verdunstung ist die Bewegung von Wasser in die Luft, wobei sich Guttation speziell auf die Sekretion von Wassertröpfchen aus den Poren von Pflanzen bezieht. Beide Prozesse zusammen bilden die Transpiration in Pflanzen.

Die Blätter von Pflanzen spielen eine wichtige Rolle bei der Freisetzung der Nebenprodukte der Photosynthese durch ihre Spaltöffnungen, die den Austausch von Materialien zwischen der Pflanze und der Atmosphäre ermöglichen. Die Spaltöffnungen werden von Schließzellen begrenzt, die regulieren, wann sich die Spaltöffnungen öffnen und schließen. Dies ist die aktive Stelle, an der der Großteil des Wassers durch Verdunstung verloren geht, sowie die Stelle, an der Gase mit der Atmosphäre ausgetauscht werden. Obwohl es auf den ersten Blick wie eine schlechte Strategie für eine Pflanze erscheinen mag, Wasser durch Verdunstung zu verlieren, ist dies unvermeidlich, um den Transport von Materialien und Wasser in der Anlage aufrechtzuerhalten und gleichzeitig den Gaseintrag zu maximieren. Durch die Transpiration entsteht eine geringere Wasserkonzentration und damit ein geringeres osmotisches Potential im Blatt. Diese Unterschiede in der Wasserkonzentration sind dafür verantwortlich, dass sich Wasser in die Blätter der Pflanze bewegt und auch Wasser in die Atmosphäre abgibt.

Das Wasserpotenzial steuert die Aufnahme von Wasser aus den Wurzelhaaren und auch den Transport von Wasser zu den Blattspitzen. Das Wasserpotential ist das Maß für die freie Energie des Wassers, bei der sich Wassermoleküle von Bereichen mit höherem Wasserpotenzial in Bereiche mit niedrigerem Wasserpotenzial bewegen. Wenn die Verdunstung in den Blättern hoch ist, entstehen Bereiche mit geringerem Wasserpotenzial oder Bereiche mit weniger Wasser, so dass Wasser von den Wurzeln und dem Stängel zu den Blättern geleitet wird. Die Kohäsions- und Adhäsionseigenschaften von Wassermolekülen ermöglichen diese Bewegung des Wassers. Kohäsion ist die Anziehung von Wassermolekülen zueinander und Adhäsion ist die Anziehung von Wassermolekülen zu anderen Materialien, wie z. B. den Xylemwänden. Wenn Wassermoleküle durch Spaltöffnungen austreten, ziehen sie Wassermoleküle nach unten, wodurch sich das Wasser in Richtung eines niedrigeren Wasserpotentials bewegt.

<h4>Umweltfaktoren</h4>

Pflanzenarten unterscheiden sich stark in ihren physikalischen Eigenschaften sowie in ihrer Morphologie und ihren Funktionen im Ökosystem. Diese Unterschiede zwischen den Pflanzenarten und auch die Ähnlichkeiten zwischen entfernt verwandten Pflanzenarten werden im Laufe der Zeit durch die Evolution und insbesondere durch die Selektion durch Pflanzenfresser, Bestäuber und andere Klima- und Umweltfaktoren geprägt. Daher werden Unterschiede in der Transpirationsrate sowohl von der Umwelt als auch von der Pflanzenart selbst beeinflusst. Der wichtigste Umweltfaktor, der die Transpirationsrate antreibt, ist die Temperatur. Höhere Temperaturen erhöhen die Transpirationsrate, da Wasser durch Verdunstung schneller verloren geht. Pflanzen, die in heißen Umgebungen leben, neigen dazu, mehr Wasser zu verlieren als Pflanzen, die sich in kühleren Klimazonen befinden. Faktoren wie Wasserverfügbarkeit, Wind, Sonnenlicht und andere tragen ebenfalls dazu bei, die Transpirationsrate bei Pflanzen zu beeinflussen.

Pflanzen, die in heißen und trockenen Umgebungen leben, haben spezifische Anpassungen, die ihnen helfen, den Wasserverlust zu kontrollieren, wie z. B. die Fähigkeit, Wasser zu speichern oder zu sparen. Eine Gruppe von Pflanzen in diesen Umgebungen, die auch als Crassulacean-Säurestoffwechsel oder CAM-Pflanzen bekannt sind, haben Strategien entwickelt, wie z. B. ihre Spaltöffnungen nur nachts für den Gasaustausch zu öffnen, um den Wasserverlust zu reduzieren1. Einige andere Pflanzenmerkmale, die für trockene Umgebungen spezifisch sind, sind eine reduzierte Blattoberfläche, weniger Spaltöffnungen oder Haare auf den Blättern, um Wasser zu sparen. Es gibt jedoch einen Kompromiss zwischen der Begrenzung des Wasserverlusts und einer optimalen Transpirationsrate, die für die Photosynthese erforderlich ist. Die Rate der Photosynthese bezieht sich auf die Wachstumsrate und die Energieaufnahme einer Pflanze, die mit der Rate der Wasseraufnahme und des Wasserverlusts zusammenhängt, daher ist es für Pflanzen äußerst wichtig, diesen Kompromiss ausgleichen zu können. Auf der anderen Seite sind Pflanzen in Umgebungen, in denen Wasser keine begrenzende Ressource ist, wie z. B. tropische Regenwälder, einem unterschiedlichen Selektionsdruck ausgesetzt, der zu Unterschieden in den Transpirationsraten führt. In diesen Umgebungen kann die natürliche Selektion stattdessen Pflanzenarten begünstigen, die Wasser schneller transportieren können, um ihre konkurrierenden Nachbarn zu übertreffen oder groß genug zu werden, um nicht von Pflanzenfressern gefressen zu werden.

<h4>Bewertung der Transpirationsraten</h4>

Die Transpirationsraten können indirekt mit einem Potometer gemessen werden, einem Gerät, das die Wasseraufnahme einer Blattpflanze misst. Bei der Potometermessung wird davon ausgegangen, dass die Transpiration die Wasseraufnahme verursacht, deren Menge quantifiziert werden kann. Darüber hinaus können Wissenschaftler die relativen Transpirationsraten von Pflanzen bestimmen, indem sie die Blattstrukturen beobachten, wie z. B. die Größe und Anzahl der Spaltöffnungen pro Flächeneinheit.

Die Untersuchung der Transpirationsraten von Pflanzen kann uns nicht nur lehren, wie sich Pflanzen an verschiedene Umgebungen anpassen, sondern auch Informationen darüber liefern, wie wir Pflanzen unter verschiedenen Umweltbedingungen am besten anbauen, um die Nahrungsmittelproduktion zu steigern und unsere Pflanzennutzung an den globalen Klimawandel und das Bevölkerungswachstum anzupassen. So werden beispielsweise die Transpirationsraten durch die globale Erwärmung und andere Ursachen verändert und können den globalen Wasserkreislauf beeinflussen, was sich wiederum auf Ökosysteme und die menschliche Bevölkerung auswirken kann2. Daher wäre es notwendig, diese Veränderungen zu verstehen, um Strategien zu entwickeln, um ihre negativen Auswirkungen zu beheben. Darüber hinaus kann die Untersuchung der Transpirationsraten verschiedener Kulturpflanzen dazu beitragen, Pflanzen mit hoher Wassernutzungseffizienz zu identifizieren, um die Nahrungsmittelproduktion pro Wassereinheit zu steigern und den Bedarf an Bewässerung zu verringern3.

<h4>Referenzen</h4>

<ol class="Referenzen">
	<li>IP, TIng. Metabolismus der Crassulaceansäure. Ann REv Pflanzenphysiol. 1985, Bd. 36, 595-622.</li>
	<li>Schlesinger WH, Jasechko S. Transpiration im globalen Wasserkreislauf. Agrar- und Forstmeteorologie. 2014, Bd. 189-190, 115-7.</li>
	<li>Coupel-Ledru A, Lebon E, Christophe A, Gallo A, Gago P, Pantin F, Doligez A, Simonneaua T. Reduzierte nächtliche Transpiration ist ein relevantes Züchtungsziel für eine hohe Wassernutzungseffizienz bei Weinreben. PNAS. 2016, Band 113, 32: 8963-8.</li>
</ol>

Hintergrund

Alle lebenden Organismen müssen eine Reihe von grundlegenden Funktionen erfüllen, um sich selbst zu erhalten. Einer dieser Prozesse ist die ...

Education

Lehre

JoVE Lab Manual

Biology

Biologie

Cellular Processes

Zelluläre Prozesse

water movement in plants

Water movement in plants depends on transpiration and the vascular system. Plants must move water and dissolved nutrients from the roots to the leaves. They also exchange materials with the environment as part of normal life processes.

Vascular plants use bundles of tissues that run from the roots to the tips of the plant. Root hairs absorb water and nutrients, and osmosis moves water into the xylem, the main water-conducting tissue. Water then travels to the tallest parts of the plant and into the leaves, where photosynthesis takes place. Only about 1% of the water taken up is used for photosynthesis, while the rest is lost from the plant.

That water loss happens through evaporation and guttation, and together these processes are called transpiration. Evaporation moves water into the air. Guttation is the release of water droplets from plant pores. Most water is lost from leaves through stomata, which are openings that also allow gas exchange with the atmosphere.

Stomata are bordered by guard cells, which control when the openings open and close. This makes the leaf the main site for both water loss and gas exchange. Although water loss may seem harmful, it helps keep water moving through the plant while still allowing carbon dioxide and oxygen to move in and out.

Transpiration creates a lower water concentration in the leaf, which lowers osmotic potential there. Water potential is the free energy of water, and water moves from areas of higher water potential to areas of lower water potential. As evaporation increases in the leaf, water is pulled upward from the roots and stem toward the leaves.

Cohesion and adhesion help make this movement possible. Cohesion is the attraction between water molecules, and adhesion is the attraction between water and other materials, such as xylem walls. When water molecules leave through the stomata, they pull more water molecules behind them, which keeps the flow moving toward the areas of lower water potential.

Transpiration rate changes with both the plant and the environment. Temperature is the main environmental factor, and higher temperatures usually increase transpiration because evaporation happens faster. Water availability, wind, sunlight, and other conditions also affect how quickly water is lost.

Plants in hot, dry environments often have adaptations that reduce water loss. Some CAM plants, or Crassulacean acid metabolism plants, open their stomata at night to limit water loss. Other arid-environment traits include smaller leaf surface area, fewer stomata, and hairs on leaves. These features help conserve water, but they also create a tradeoff because plants still need enough transpiration for photosynthesis and growth.

In wet environments such as tropical rainforests, water is less limiting. In those settings, natural selection may favor plants that move water quickly so they can grow faster than nearby plants or grow tall enough to avoid herbivores. Differences in transpiration rates therefore reflect both environmental pressures and plant species traits.

Scientists can estimate transpiration rates with a potometer, a device that measures water uptake in a leafy plant. The idea is that transpiration drives the water uptake that the potometer records. Researchers can also compare plants by looking at leaf features such as stomata size and number per unit area.

Studying transpiration helps explain how plants adapt to different environments. It can also guide crop growth under changing climate conditions and rising food demands. Transpiration affects the global water cycle, ecosystems, and human populations, so understanding it can support better water use and crop breeding. Plants with high water-use efficiency may help increase food production per unit of water and reduce the need for irrigation.

Water Movement in Plants

photosynthesis

Photosynthesis: Light, Sugars, and Carbon

Photosynthesis turns sunlight into chemical energy in the form of glucose. This process powers most life on Earth by helping autotrophs, or primary producers, make food. The glucose they make can provide quick energy or be stored as starch for later use. Consumers depend on these producers for energy. Photosynthesis happens in many kinds of organisms. Cyanobacteria, some protists such as algae, and plants can all carry out this process. In eukaryotic cells, it takes place in the chloroplast.

cellular respiration

Cellular Energy From Glucose Breakdown

Cellular respiration is the process cells use to release usable energy from biomolecules such as sugars and lipids. Living things need a steady energy supply for growth, repair, movement, defense, and reproduction. Cells use that energy mainly by converting adenosine diphosphate (ADP) to adenosine triphosphate (ATP). Autotrophs and heterotrophs get the molecules for respiration in different ways. Autotrophs, such as plants, algae, and photosynthetic and chemosynthetic bacteria, build...

cell division

Cell Cycle, Mitosis, and Meiosis

Cell division is essential for growth, repair, and reproduction in living organisms. It lets single-celled organisms create a new organism and helps multicellular organisms make new cells for development and for replacing damaged cells. In multicellular species, cell division also makes reproductive cells needed for reproduction. Before a cell divides, it must copy its genetic material and split it into two daughter cells. This process is called the cell cycle. Although the timing can vary...

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enzyme activity

Factors That Shape Enzyme Function

Enzymes are biological catalysts that help living things run biochemical reactions faster. They lower activation energy, which is the energy needed to start a reaction. Enzymes are not used up in the process, so they can keep working again and again. Most enzymes are proteins, although some ribonucleic acid molecules also have catalytic activity. Each enzyme usually binds only one or a few specific substrates. This selectivity depends on the enzyme’s active site, which fits its substrate like...

cellular processes

Learn how transpiration moves water through plants, how stomata and guard cells control loss, and how temperature and plant traits affect the rate.

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Characteristics of Life

Biology is a natural science that studies life and living organisms, including their structure, function, development, interactions, evolution, ...

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Cell Structure

Background
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Nucleic Acids

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Base-pairing and DNA Repair

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Three main types of RNA are involved in protein synthesis: messenger RNA (mRNA), transfer RNA (tRNA), and ribosomal RNA (rRNA). These RNAs perform diverse ...

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In ovo Electroporation of Chicken Embryos

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Quantifying Environmental Microorganisms and Viruses Using qPCR

Source: Laboratories of Dr. Ian Pepper and Dr. Charles Gerba - The University of Arizona
Demonstrating Author: Bradley Schmitz
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RNA Analysis of Environmental Samples Using RT-PCR

Source: Laboratories of Dr. Ian Pepper and Dr. Charles Gerba - The University of Arizona
Demonstrating Author: Bradley Schmitz
Reverse ...

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Construct an explanation based on evidence for how the structure of DNA determines the structure of proteins which carry out the essential functions of life through systems of specialized cells.

HS-LS1-1.

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