Hvordan høje træer flytter sukker

Forskere har længe antaget, at de sukkerarter, der nærer træer, skubbes af vandtryk fra bladene, hvor de er skabt, til stænglerne og rødderne, hvor de er nødvendige.

Men hvordan klarer højere træer den opgave, givet jo længere afstande næringsstofferne skal tilbagelægge og jo større kraft, der ser ud til at være nødvendig for at transportere dem?

Et ni-mands team af forskere, mest fra Harvard, opdagede et svar med en nylig undersøgelse, hvis resultater også kunne hjælpe med at afslutte en langvarig debat om dynamikken involveret i sukkertransport i træer. Studiet, hvis resultater er beskrevet i 4. december-udgaven af ​​tidsskriftet Natur Planter , fastslået, at den hydrauliske modstand mod at flytte sukkerholdig saft nedad fra bladene ikke stiger med træets højde så meget, som man kunne forvente, på grund af fysiske egenskaber i transportsystemet.

De fandt også ud af, at "trykket, der udvikler sig i bladene på et modent rødt egetræ, er tilstrækkeligt til at drive transport af sukker hele vejen til rødderne, " sagde Noel Michele Holbrook, et forskerholdsmedlem, der er professor i biologi og Charles Bullard professor i skovbrug i Institut for Organismisk og Evolutionær Biologi på Harvard.

"Vi har nu beviser for, at alle planter - både små og høje - bruger den samme mekanisme til at transportere sukker, " sagde Holbrook. "Og vi forstår nu, hvordan træer kan blive høje uden at løbe ind i transportbegrænsninger forbundet med deres størrelse. Vores forskning besvarer en debat i flere årtier om, hvordan sukker transporteres i træer."

Undersøgelsen er en udløber af et samarbejde påbegyndt i 2011 mellem Holbrook og Michael Knoblauch, en plantecellebiolog fra Washington State University. Knoblauch ledede udviklingen af ​​de instrumenter, der blev brugt i forskningen, mens målingerne stort set blev foretaget på Harvard.

Ud over Holbrook og Knoblauch, projektets vigtigste bidragydere var Jessica Savage, en tidligere Harvard postdoc-studerende og Putnam Fellow ved Arnold Arboretum, som nu er assisterende professor ved University of Minnesota, og Kaare Jensen, en tidligere Harvard-postdoc-studerende, der nu er lektor ved Danmarks Tekniske Universitet i København.

Undersøgelsen blev primært udført ved Harvard Forest i Petersham, Masse., og ved Arnold Arboretum, meget af det stammer fra Knoblauchs ophold som Bullard Fellow ved Harvard i 2013-14, ifølge Holbrook, som er på sabbatår på University of Tasmania i Australien. Fem andre teammedlemmer er nuværende eller tidligere ph.d. studerende eller postdoc-stipendiater ved Harvard.

"Vi ville forstå, hvordan træer overvinder den hydrauliske straf for stigende størrelse, den simple kendsgerning, at det skulle kræve mere energi at transportere materialer over længere afstande, " sagde Holbrook. Holdet ønskede også at afgøre, om træer bruger de samme transportmekanismer, som mindre planter gør.

Holbrook sagde, at sukker genereret i fotosyntese bliver koncentreret i "floem, " plantevævet brugt til at lede dem ned fra trækronen. Det koncentrerede sukker suger vand ind ved osmose, opbygning af positiv turgor, eller vandtryk, inde i cellerne. Det "driver igen den sukkerrige saft mod steder, hvor sukkeret bliver brugt."

"Problemet er, at modeller foreslog, at den hydrauliske modstand til transport af floemsaft ville kræve meget store trykgradienter i høje træer, "sagde hun. Det fik debatter om" om denne mekanisme var tilstrækkelig til at tage højde for floemtransport i disse træer. "Nogle forskere har foreslået mekanismer til at tilføre energi langs stien.

Forskerholdet tog omfattende målinger af strukturen af ​​de sukkerledende rør langs længden af ​​mange træer, mens man også måler den hydrauliske modstand i disse rør.

"For at prøve floemet, et af de mest sarte og let sårede væv i planten, vi måtte skære den yderste bark væk. I de store stængler, vi gjorde dette ved hjælp af en hammer og en mejsel, ikke værktøjer, som vi typisk bruger i laboratoriet, " sagde Holbrook. Holdet målte også trykket i bladene på et højt træ ved at bruge et fluorescerende mikroskop, de hejste op i trækronen.

"Vi fandt ud af, at modstanden mod at flytte den sukkerrige floemsaft ikke øges lineært med transportlængden, fordi floemtransportcellerne i hovedstammen, især mod basen, var bredere og længere og havde også mere porøse siplader, " sagde Holbrook. "Således, det nødvendige tryk for at drive floemtransport er meget lavere end forudsagt."

Hun sagde, at undersøgelsesresultaterne har vigtige konsekvenser for fødevareproduktionen.

"Størstedelen af ​​maden, der genereres af fotosyntesen, bevæger sig gennem floemet, " sagde hun. "Hvis der er måder at gøre planter mere produktive i forhold til at have højere fotosyntese, så vil de også have brug for evnen til at transportere disse sukkerarter til det væv, vi spiser. Dermed, at forstå, hvordan planter laver effektive transportsystemer, kunne bidrage til udviklingen af ​​højere ydende afgrøder og mere produktive træer."

Denne historie er offentliggjort med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitets officielle avis. For yderligere universitetsnyheder, besøg Harvard.edu.