Non-foliar Photosynthese

Corticulare CO2-Refixierung Non-foliar Photosynthese

Obwohl die grünen Blätter höherer Pflanzen als die Photosynthese-Instanzen per se gelten, erschließt sich dem aufmerksamen Beobachter bei näherer Betrachtung eine Vielzahl weiterer chlorophyllhaltiger und somit potentiell photosynthetisch aktiver pflanzlicher Strukturen, wie beispielsweise grüne Rinden- und Stammgewebe, Blüten und reifende Früchte, oder sogar Wurzeln.

Einige epiphytische Orchideenarten nutzen nahezu alle vorhandenen vegetativen und generativen Strukturen zur Photoassimilation, bis hin zur vollständigen Reduktion der Blätter und des Sprosses. In den frühen Entwicklungsstadien sind die Kronblätter der meisten Blütenpflanzen grün, aber auch im ausdifferenzierten Zustand gibt es zahlreiche Beispiele grünblühender Vertreter der einheimischen Flora (siehe Abb. 1). 

 

Abb. 1: Helleborus viridis mit grünen, assimilierenden Kronblättern.

 

Corticulare CO2-Refixierung

Entfernt man das sekundäre Abschlußgewebe verholzter, lignifizierter Achsenorgane tritt bei nahezu allen Holzgewächsen (Pfanz et al. 2002), einschließlich der Nadelbaumarten und einiger (sub-) tropischer Spezies, ein intensiv grünes, chlorophyllhaltiges Rindengewebe in Erscheinung.

 

Foto: Copyright C. Wittmann

Abb. 2:  links: Aufsicht auf das Rindengewebe von Alnus glutinosa (oben) und Rindengewebe im Querschnitt (unten); rechts: Schema der corticularen CO2-Refixierung, grün: Rindengewebe).

 

In diesen Geweben wird bei Belichtung internes CO2, das im Xylem im bis zu 2stelligen Prozentbereich vorkommt (Saveyn et al. 2009, Pfanz et al. 2002), sehr effizient refixiert (siehe Abb. 2). Als Folge dieser sogenannten „corticularen CO2-Refixierung" werden die Atmungsverluste der vegetativen Organe um bis zu 70-90% reduziert. Durch diesen Prozess wird nicht nur der CO2-Ausstoß der Bäume deutlich vermindert, sondern auch die Ressource CO2 hocheffizient genutzt. Berücksichtigt man, dass Berechnungen zur Folge jährlich zwischen 30 und 70% des assimilierten CO2 durch die Atmung der Achsenorgane (Äste, Stämme) wieder an die Atmosphäre abgegeben werden (u.a. Ryan et al. 1994, Cavaleri et al. 2007), so lässt sich die Bedeutung dieses Prozesses für die C-Bilanz von Holzgewächsen erahnen.

Insgesamt wird die sog. non-foliar Photosynthese (Wittmann & Pfanz 2008,Wittmann et al. 2007, Wittmann et al. 2006, Aschan & Pfanz 2003) als eine bedeutende Strategie zusätzlichen Kohlenstoffgewinns angesehen, die einen nicht unerheblichen Anteil des Kohlenstoffbedarfs höherer Pflanzen zu decken vermag.

Unser aktuelles Interesse besteht darin, das Phänomen der Photosynthese vegetativer und reproduktiver Strukturen anhand ausgewählter Beispiele qualitativ und quantitativ zu analysieren. Außerdem wird der Frage nachgegangen, wie die corticulare CO2 - Refixierung von abiotischen Umweltfaktoren (u.a. Temperatur, Strahlung, CO2) beeinflusst und reguliert wird. Aus den daraus gewonnen Erkenntnissen wird derzeit ein mathematisches Modell erstellt, dass auf Basis verschiedener abiotischer Inputvariablen eine näherungsweise Abschätzung der corticularen CO2-Refixierung ermöglichen soll. Die erhobenen Daten, und die daraus ableitbaren Faktorenabhängigkeiten der CO2 -Flüsse können letztlich auch die Grundlage für weitere mathematische Modelle zur Erstellung lokaler und  regionaler CO2 -Bilanzen bilden.

Ausgewählte Publikationen

Wittmann, C., Pfanz, H. (2015) The optical, absorptive and chlorophyll fluorescence properties of young stems of five woody species. Environmental and Eperimental Botany; doi:10.1016/j.envexpbot.2015.05.007PDF journal link

Pfanz, H., Mombour J.,Wittmann, C., Fleischmann, F., Oßwald, W. (2015) Chlorophyll fluorescence for visualizing the spatial and temporal spread of Phytophthora alni subsp. alni in alder bark tissue. Plant Pathology 64(2), 467-477. DOI:10.1111/ppa.12256 PDF journal link

Wittmann, C., Pfanz, H. (2014) Bark and woody tissue photosynthesis: a means to avoid hypoxia or anoxia in developing stem tissues. Functional Plant Biology 05/2014; DOI:http://dx.doi.org/10.1071/FP14046. PDF journal lin

Wittmann C, Pfanz H (2008) General trait relationships in stems: a study on the performance and interrelationships of several functional and structural parameters involved in corticular photosynthesis. Physiologia Plantarum, 134: 636-648. journal lin

Wittmann C, Pfanz H (2007) Temperature-dependency of bark photosynthesis in beech (Fagus sylvatica L.) and birch (Betula pendula Roth.) trees. Journal of Experimental Botany, 58:4293-4306. PDF journal link

Wittmann C, Pfanz H, Loreto F, Centritto M, Pietrini F, Alessio G (2006) Stem CO2 release under illumination: corticular photosynthesis, photorespiration or inhibition of mitochondrial respiration? Plant, Cell and Environment, Vol 29 (6), 1149-1158. PDF journal link

Aschan G, Pfanz H (2006) Why snowdrop (Galanthus nivalis L.) have green marks. Flora 201 (8), 623-632

Aschan G, Pfanz H (2003): Non-foliar photosynthesis - a strategy of additional carbon acquisition. Flora 198: 81-97

Pfanz H, Aschan G, Langenfeld-Heyser R, Wittmann C, Loose M (2002): Ecology and ecophysiology of tree stem photosynthesis: corticular and wood photosynthesis Naturwissenschaften 89, 147-162

Wittmann C, Aschan G, Pfanz H (2001): Leaf and twig photosynthesis of young beech (Fagus sylvatica) and aspen (Populus tremula) trees grown under different light intensity regimes. Basic and Applied Ecology 2: 145-154