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34.13: Xylem- und Transpirationsgetriebener Transport von Ressourcen
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Xylem and Transpiration-driven Transport of Resources
 
PROTOKOLLE

34.13: Xylem and Transpiration-driven Transport of Resources

34.13: Xylem- und Transpirationsgetriebener Transport von Ressourcen

The xylem of vascular plants distributes water and dissolved minerals that are taken up by the roots to the rest of the plant. The cells that transport xylem sap are dead upon maturity, and the movement of xylem sap is a passive process.

Tracheids and vessel elements transport xylem sap

Tracheary elements are the transport cells of the xylem. They lack cytoplasm and organelles when they are mature and are considered part of the apoplast of the plant because they connect directly with the extracellular space. There are two types of tracheary elements: tracheids and vessel elements.

Tracheids are elongated cells with lignified walls that contain small gaps called pits, which conduct xylem sap from one cell to the next in places where their walls overlap. Seedless vascular plants and most gymnosperms, or cone-bearing plants, have only tracheids, which are thought to have evolved before vessel elements.

Vessel elements are wider lignified cells that stack vertically to form vessels. They are connected by perforation plates, specialized cell end structures that have spaces through which xylem sap can flow. The larger diameter and the more efficient structure of perforation plates means that vessels made up of vessel elements can move a much larger volume of sap. Most angiosperms, or flowering plants, have both tracheids and vessel elements.

Active transport of minerals creates a water pressure gradient from roots to leaves

While water enters a plant passively through permeable root cells, active transport is required to move minerals into the xylem. The resulting high concentration of solutes in the roots creates a gradient in the pressure potential of water within the xylem, with higher pressure in the roots and lower pressure elsewhere in the plant, where solutes are less concentrated. Water will then move toward the lower pressure areas; however, this gradient is only a minor contributor to the overall transport of sap through the xylem.

Physical forces on water molecules hold fluid within the xylem

Transport of xylem sap through a plant is made possible in part by some of the physical properties of water itself. The cohesion-tension hypothesis for transport of sap through the xylem was first proposed in the 1890s. Cohesion between water molecules is relatively strong because all three atoms of a water molecule can participate in hydrogen bonding with other water molecules. This means that transpirational pull in the leaves can affect water molecules throughout the xylem, like links in a chain, all the way to the roots.

Another force, adhesion, allows water molecules to stick to surfaces within the plant, such as the cell walls of mesophyll cells in the leaf, where water surface tension is essential for drawing sap out of leaf vessels when water vapor is transpiring from the leaves. Adhesion of water molecules to the walls of xylem vessels prevents sap from seeping downward and out of the plant through the roots when the stomata close and the tension produced by transpiration ceases.

Das Xylem von Gefäßpflanzen verteilt Wasser und gelöste Mineralien, die von den Wurzeln aufgenommen werden, an den Rest der Pflanze. Die Zellen, die Xylemsaft transportieren, sind nach der Reife tot, und die Bewegung von Xylemsaft ist ein passiver Prozess.

Tracheiden und Gefäßelemente transportieren Xylemsaft

Tracheäre Elemente sind die Transportzellen des Xylems. Ihnen fehlen Zytoplasma und Organellen, wenn sie ausgereift sind und gelten als Teil des Apoplasten der Pflanze, weil sie sich direkt mit dem extrazellulären Raum verbinden. Es gibt zwei Arten von Tracheary-Elementen: Tracheiden und Gefäßelemente.

Tracheiden sind länglich gelängen Zellen mit lignifizierten Wänden, die kleine Lücken enthalten, die Gruben genannt werden, die Xylemsaft von einer Zelle zur nächsten an Stellen leiten, an denen sich ihre Wände überlappen. Samenlose Gefäßpflanzen und die meisten Gymnospermen, oder Kegeltragende Pflanzen, haben nur Tracheiden, von denen angenommen wird, dass sie sich vor Gefäßelementen entwickelt haben.

Gefäßelemente sind breitere lignifizierte Zellen, die sich vertikal stapeln, um Gefäße zu bilden. Sie sind durch Perforationsplatten verbunden, spezialisierte Zellendstrukturen, die Räume haben, durch die Xylemsaft fließen kann. Der größere Durchmesser und die effizientere Struktur der Perforationsplatten bedeuten, dass Gefäße, die aus Gefäßelementen bestehen, ein viel größeres Volumen an Saft bewegen können. Die meisten Angiospermen, oder blühende Pflanzen, haben sowohl Tracheiden als auch Gefäßelemente.

Aktiver Transport von Mineralien erzeugt einen Wasserdruckgradienten von den Wurzeln zu den Blättern

Während Wasser passiv durch durchlässige Wurzelzellen in eine Pflanze gelangt, ist ein aktiver Transport erforderlich, um Mineralien in das Xylem zu transportieren. Die daraus resultierende hohe Löslichkeitskonzentration in den Wurzeln erzeugt einen Gradienten im Druckpotential des Wassers innerhalb des Xylems, mit höherem Druck in den Wurzeln und geringerem Druck an anderer Stelle in der Pflanze, wo die Gelöstheit enden weniger konzentriert ist. Das Wasser bewegt sich dann in Richtung der unteren Druckbereiche; Dieser Gradient trägt jedoch nur zu einem geringen Beitrag zum Gesamttransport des Safts durch das Xylem bei.

Physikalische Kräfte auf Wassermolekülehalten Flüssigkeit im Xylem

Der Transport von Xylemsaft durch eine Pflanze wird zum Teil durch einige der physikalischen Eigenschaften des Wassers selbst ermöglicht. Die Kohäsions-Spannungshypothese für den Transport von Saft durch das Xylem wurde erstmals in den 1890er Jahren vorgeschlagen. Der Zusammenhalt zwischen Wassermolekülen ist relativ stark, da alle drei Atome eines Wassermoleküls an der Wasserstoffbindung mit anderen Wassermolekülen teilnehmen können. Dies bedeutet, dass transpirationaler Zug in den Blättern Wassermoleküle im gesamten Xylem beeinflussen kann, wie Glieder in einer Kette, bis hin zu den Wurzeln.

Eine weitere Kraft, die Haftung, ermöglicht es Wassermolekülen, an Oberflächen innerhalb der Pflanze zu kleben, wie z. B. die Zellwände von Mesophyllzellen im Blatt, wo die Wasseroberflächenspannung wichtig ist, um Saft aus Blattgefäßen zu ziehen, wenn Wasserdampf aus den Blättern austritt. Die Haftung von Wassermolekülen an den Wänden von Xylemgefäßen verhindert, dass der Saft durch die Wurzeln nach unten und aus der Pflanze sickert, wenn sich die Stomata schließen und die durch Transpiration erzeugte Spannung aufhört.


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