Xylem-Wasserverteilung in Holzpflanzen visualisiert mit einem Kryo-Scanning-Elektronenmikroskop

Kenichi Yazaki; Mayumi  Y. Ogasa; Katsushi Kuroda; Yasuhiro Utsumi; Peter Kitin; Yuzou Sano

doi:10.3791/59154

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Methodenartikel

Xylem-Wasserverteilung in Holzpflanzen visualisiert mit einem Kryo-Scanning-Elektronenmikroskop

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DOI:

10.3791/59154

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20. Juni 2019

Kenichi Yazaki¹ , Mayumi Y. Ogasa² , Katsushi Kuroda³ , Yasuhiro Utsumi⁴ , Peter Kitin⁵ , Yuzou Sano⁶

¹Department of Plant Ecology, Forestry and Forest Products Research Institute (FFPRI), ²Kansai Research Center, Forestry and Forest Products Research Institute (FFPRI), ³Department of Wood Properties and Processing, Forestry and Forest Products Research Institute (FFPRI), ⁴Faculty of Agriculture, Kyushu University, ⁵Department of Bacteriology, University of Wisconsin, ⁶Research Faculty of Agriculture, Hokkaido University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Die Beobachtung der Wasserverteilung innerhalb des Xylems liefert wichtige Informationen über die Wasserströmungsdynamik in holzigen Pflanzen. In dieser Studie zeigen wir den praktischen Ansatz zur Beobachtung der Xylem-Wasserverteilung vor Ort mithilfe eines Kryostats und Kryo-SEM, der artefaktische Veränderungen des Wasserstatus während der Probenvorbereitung eliminiert.

Zusammenfassung

Ein Rasterelektronenmikroskop, das Kryo-Unit (Cryo-SEM) installiert hat, ermöglicht probenbeobachtung bei Minustemperaturen und wurde zur Erforschung der Wasserverteilung in Pflanzengeweben in Kombination mit Gefrierfixierungstechniken mit flüssigem Stickstoff (LN)_{eingesetzt. 2}). Für holzige Arten jedoch sind die Vorbereitungen zur Beobachtung der xylem quer geschnittenen Oberfläche aufgrund der Ausrichtung von Holzfasern mit einigen Schwierigkeiten verbunden. Darüber hinaus kann eine höhere Spannung in der Wassersäule in Xylem-Leitungen gelegentlich zu artefaktischen Veränderungen in der Wasserverteilung führen, insbesondere während der Probenfixierung und -entnahme. In dieser Studie zeigen wir ein effizientes Verfahren zur Beobachtung der Wasserverteilung innerhalb des Xylems von holzigen Pflanzen in situ mit Hilfe von Kryostat und Kryo-SEM. Zunächst sollte bei der Probenentnahme die Messung des Xylemwasserpotentials bestimmen, ob in den Xylem-Leitungen hochspannung vorhanden ist. Wenn das Xylem-Wasserpotential gering ist (< ca. 0,5 MPa), ist ein Spannungsentspannungsverfahren erforderlich, um eine bessere Erhaltung des Wasserzustands in Xylem-Schläuchen während der Probenfrostfixierung zu erleichtern. Als nächstes wird ein wasserdichter Kragen um den Baumstamm befestigt und mit LN₂gefüllt, um den Wasserzustand von Xylem zu fixieren. Nach der Ernte ist darauf zu achten, dass die Probe eingefroren aufbewahrt wird, während die Verfahren der Probenvorbereitung zur Beobachtung abgeschlossen sind. Ein Kryostat wird verwendet, um die xylem quer geschnittene Oberfläche deutlich zu belichten. In kryo-SEM-Beobachtungen ist eine Zeitverstellung für die Gefrierätzung erforderlich, um Froststaub zu entfernen und den Rand der Zellwände auf der Betrachtungsfläche zu akzentuieren. Unsere Ergebnisse zeigen die Anwendbarkeit von Kryo-SEM-Techniken zur Beobachtung der Wasserverteilung innerhalb von Xylem auf zellulärer und subzellulärer Ebene. Die Kombination von Kryo-SEM mit zerstörungsfreien In-situ-Beobachtungstechniken wird die Erforschung der holzigen Pflanzenwasserströmungsdynamik grundlegend verbessern.

Einleitung

Die Verfügbarkeit von Wasserressourcen (d. h. Niederschlag, Bodenwassergehalt) bestimmt streng die Sterblichkeit und geografische Verteilung der Pflanzenarten, da sie Wasser aus dem Boden aufnehmen und zur photosynthetischen Produktion zu den Blättern transportieren müssen. Die Anlagen müssen ihr Wassertransportsystem unter schwankender Wasserversorgung aufrechterhalten. Insbesondere holzige Pflanzen erzeugen hohe Spannungen in ihren Leitungen entlang der Transpirationsströme, da sie in einigen Fällen ihre Krone mehr als 100 m über dem Boden halten müssen. Um Wassersäulen unter einem derart hohen Unterdruck zu erhalten, bestehen Xylemschläuche aus einem Kontinuum von ....