1.1 Funktionelle Pflanzenanatomie
1.1.4 Wasser- und Salztransport, Transpiration

Bisher haben wir uns mit rein pflanzenanatomischen Sachverhalten beschäftigt, nun wollen wir pflanzenphysiologische Inhalte besprechen. (Physiologie = Lehre vom Stoffwechsel)

Wir wollen folgendermaßen vorgehen:

  • Ursachen der Transpiration;Weg des Wassers und der Salze durch die Pflanze
  • Aufnahme durch die Wurzel
  • Aufwärtstransport im Sproß
  • Abgabe an den Blättern

1.1.4.1 Ursachen der Transpiration; Weg des Wassers und der Salze durch die Pflanze

Pflanzen sind Bestandteil des globalen Wasserhaushalts. Als verlängerter Arm des Bodens sind sie zwischen das Wasserpotential des Bodens und der Atmosphäre geschaltet. Ständig strömt Wasser vom Boden in die Wurzel, aufwärts im Sproß und wird an den Spaltöffnungen in die Atmosphäre abgegeben.

Wasserpotential Y ( psi ) = Meßgröße der Wasserverfügbarkeit eines wasserhaltigen Systems oder ein Maß für das Bestreben eines Systems, Wasser abzugeben; je höher Y, je größer die Tendenz, Wasser abzugeben.

t

P = Druckpotential (= hydrostatischer Überdruck = Wanddruck = Turgordruck); meist >= 0;
P Wasser offen zur Luft = 0 MPa

Y = P + p + t

p (Pi )= osmotisches Potential (= osmotischer Wert des Vakuoleninhaltes ); p reines Wasser = 0 MPa
p Lösung ist immer negativ z.B. p Zuckerlösung = -10

t

t (Tau ) = Matrixpotential (Einflüsse des Plasmas ( kolloidale Effekte) und der Wand (kapillare Effekte);
t Vakuole = 0; t Wasser in Kapillaren = < 0

Einheit: bar oder Pa; (1 MPa = 10 bar); MPa = MegaPascal

Y biologischer Systeme ist fast immer negativ

Y reines Wasser =0 (bei Standardbedingungen 25° C, 1 bar)

Y Blätter in Pflanzen mit guter Wasserversorgung = -0,2 bis -0,6 MPa

Y Blätter Xerophyten = -2 bis -5 MPa

Im Gegensatz zum Boden, aus dem je nach Wasserpotentialunterschied Boden/Luft, Wärme und Luftbewegung der Atmosphäre unkontrolliert Wasser verdunstet, kontrollieren die Pflanzen ihre Wasserabgabe durch die Spaltöffnungsbewegungen.

Die Pflanze verliert jedoch auch ständig Wasser durch die Spaltöffnungen, weil diese für den Gasaustausch der Photosynthese geöffnet sein müssen, andererseits wird Wasser als Rohstoff für die Photosynthese gebraucht.

Man kann also den ständigen Wasserstrom durch die Pflanze mit Hilfe des Diffusionsprinzips (siehe Klasse 11) erklären. Diffusion geschieht immer entlang eines Konzentrationsgradienten (hier das Wasserpotentialgefälle Boden/Luft). Die treibende Kraft ist das niedrige Wasserpotential der Luft ( bei 80% Luftfeuchtigkeit: Y = -300 bar).

Es besteht eine stufenweises Wasserpotentialgefälle:

YLuft < YBlatt < YXylem < Y Wurzel < Y Erdboden.

Diesem folgt der Wasserstrom (Transpirationsstrom). An den Blätter entsteht so eine Art Saugkraft, die das Wasser hochsaugt.

Transpiration ist also die treibende Kraft für den Wasserdurchfluß durch die Pflanze.

Der Wassertransport in der Pflanze ist ein physikalischer Prozess.

Er erfolgt von einem Ort hohen Wasserpotentials (Y) zum Ort mit niedrigem Y.

Alle Faktoren, die das Wasserpotentialgefälle Blatt/Luft steigern, erhöhen die Transpiration:

  • Wärme
  • Wind

Belichtung ruft die Öffnungsbewegung der Stomata hervor, vermindert so den Diffusionswiderstand und steigert deshalb die Transpiration. Mit einem einfachen Experiment kann man die Transpiration eines Zweiges messen.

Unser Experiment zeigt uns nochmals die zuvor erwähnten Faktoren, die die Transpiration beeinflussen:

Wasserpotentialgefälle, Wärme, Wind, Stomatamenge.

Viele mehrjährige Pflanzen werfen im Herbst ihre Blätter ab. Daraus ergibt sich die Frage, wie die Wasserversorgung im Winter ohne Stomata aufrechterhalten wird, z.B. bei Laubbäumen, die über 20 m hoch sind. In dieser Jahreszeit herrscht außerdem eine niedrige Temperatur, die die Diffusionsrate absenkt. Trotzdem durchleben die Bäume diese Jahreszeit und aus den Ästen entspringen im Frühjahr neue Blätter.

Es muß also neben der atmosphärischen Saugkraft noch einen anderen Vorgang geben, der das Wasser nach oben befördert. Man nennt ihn Wurzeldruck.

Schneidet man eine Pflanze direkt über der Wurzel ab, entsteht an der Querschnittsfläche ein Wassertropfen, Nachweis für den Wurzeldruck.

Es sieht so aus, als wenn die Wurzel Wasser in den Sproß presst. Genaugesagt entsteht der Wurzeldruck durch die Aktivität der Endodermiszellen, die unter Energieaufwand (ATP-Verbrauch; Aktiver Transport) Ionen in den Zentralzylinder drücken. Das Wasser folgt passiv nach.
Genaueres erfahren Sie weiter unten bei der Wasseraufnahme durch die Wurzel.

Zusammenfassung:

Ursachen für die Transpiration:

  • Wasserpotentialgefälle Boden/Luft
  • Wurzeldruck

Turgeszenz einer Zelle

Nicht verholzte Pflanzengewebe erhalten ihre Form durch den Druck des Zellinhaltes (Vakuole) gegen die Zellwand. Diesen Druck nennt man Turgordruck (P). Er wird durch die osmotische Wasseraufnahme der Zelle verursacht.

Wasser strömt wegen der in der Vakuole gelösten niedermolekularen Stoffe in die Zelle.

Solange das Wasserpotential der Vakuole niedriger ist als das der Umgebung nimmt die Zelle Wasser auf. Die Wasseraufnahme geht solange, bis der Wanddruck (W = -P) der Zellwand gleich dem osmotischen Druck (p )entspricht. Nun ist die Zelle vollturgeszent.

Die Saugkraft (S) der Zelle ist dann : S = p -W ( 0,5 -1 MPa)

Die Turgeszenz hält krautige Pflanzen aufrecht.

 

 

 

 

 

 

Abb.1

Aufnahme, Transport, Evaporation von Wasser

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 2

Wasserpotential

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 3

Wasserkreislauf

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 4

Wasserpotentialgefälle

Messung der Transpiration eines Zweiges:
Die Messung wir mit einem Potometer durchgeführt. Material:

Stativ und Klemmen
10 ml Pipette, Spitze abgesägt
1 durchbohrter Stopfen
Gummischlauch
kleines Becherglas
Föhn
Paraffin
Kleiner Zweig mit Blätter
Durchsichtiger Nagellack
Folien
Deckgläser
Objektträger

  1. Bauen Sie das Potometer wie auf dem Bild unten auf.
  2. Schneiden Sie den Zweig an und stecken Sie ihn in den durchbohrten Stopfen, so daßder Sproß dicht abschließt.
  3. Dichten Sie zusätzlich mit Paraffin ab.
  4. Füllen Sie die Pipette und den Schlauch vollständig mit Wasser und ohne Luftblasen.

 

Abb.5

Wasserpotentialgefälle

 

Abb. 6

Messung der Transpirationsrate mit einem Potometer

Vorgehensweise:

  • Messen Sie die Transpirationsrate des Zweiges unter Normalbedingungen
  • Streichen Sie etwas klaren Nagellack auf die Blattunterseite eines Blattes.
  • Warten Sie bis der Lack getrocknet ist und ziehen Sie den Lack von der Blattoberfläche ab.
  • Zeichnen Sie einen Quadratmillimeter auf, legen Sie das Lackstück unter das Mikroskop und schätzen Sie die Zahl der Stomata pro mm2 bzw. pro Blatt. 
  • Berechnen Sie den Wasserdurchfluß in der Testzeit ( 2 Std - 3 Tage.)
  • Föhnen Sie die Pflanze und beobachten Sie den Wasserdurchfluß.
  • Schneiden Sie alle Blätter bis auf ein Blatt ab und beobachten Sie die Transpiration.

 

 

 

 

 

 

Abb. 7

Wurzeldruck

 

 

Abb.8

Turgeszenz

 

 


Weiterführende Quellen:

Botanik:
Alles über Bäume:

http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/d00/inhalt.htm
http://www.domtar.com/arbre/english/

Wasser und Mineralstoffaufnahme:

http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/BioBookPLANTHORM.html
http://www.hcs.ohio-state.edu/hcs300/

Wasseraufnahme

http://www.hcs.ohio-state.edu/hcs300/pstrans.htm