Extracellular freezing in frost hardy plants and its structural and physical factors

Abstract

In this thesis, the structural adaptations of plants were investigated by studying freezing in different taxa (Betula nana, Betula albosinensis, Castanea sativa, Stachys byzantina and Equisetum hyemale). A physical model exploring the interrelationship between tissue structure and extracellular freezing is devised based on E. hyemale. Younger and older stems of the shrub B. nana and the trees B. albosinensis and C. sativa, which differ in habitat demands and frost hardiness, were analyzed and evaluated with regard to their ice nucleation temperature and the distribution of tissue, air and water/ice within the cortex of the bark. The median ice nucleation temperature of younger and older B. nana stems became similar from summer to winter and the number of active ice nuclei were lower for winter samples, which indicates controlled freezing processes. The ice crystallization occurred within the intercellular spaces of the cortex of the bark. Tissue porosity of the two Betula species was larger than for C. sativa. The small, perennial S. byzantina revealed continuous intercellular spaces – two on the lower and one or two on the upper side – along the petiole and leaf veins. These intercellular spaces exist between the epidermis and the collenchyma or between collenchyma layers. Connection zones within each side of the petiole or vein and in the middle of the lower side remain open during the freezing event, while the connection zone on the upper part separate. Ice growth leads to a deformation of the cross section and a strong dehydration of the living tissue. In E. hyemale, ice accumulates in the intercellular spaces of the chlorenchyma, substomatal chambers, vallecular canals and pith cavities. Protuberances different in form and size have been found as well as water at specific regions as in the parenchymatous pith. The parenchymatous pith gets deformed during a freezing event and it might play a role during extracellular freezing. Based on the results of the E. hyemale, a model of the physical process was devised which explains the water efflux out of the cells, extracellular freezing and ice accumulation at specific sites. The model is consistent with results from the other species and therefore probably describes the process of extracellular freezing in general.

In dieser Arbeit wurden die strukturellen Anpassungen von Pflanzen an Frostereignisse anhand verschiedener Arten untersucht (Betula nana, Betula albosinensis, Castanea sativa, Stachys byzantina und Equisetum hyemale). Ein physikalisches Modell am Beispiel von E. hyemale, welches den Dehydrationsmechanismus erklären kann, wurde erstellt. Von dem Strauch B. nana und den Bäumen B. albosinensis und C. sativa, welche aus verschiedenen Regionen kommen und unterschiedliche Wuchsformen sowie Frosttoleranzen besitzen, wurden ältere und jüngere Zweige im Hinblick auf die „ice nucleation temperature“ und die Verteilung von Gewebe, Luft und Wasser/Eis innerhalb des Kortex der Rinde ausgewertet. Die „median ice nucleation temperatures“ der jungen und älteren Zweige glichen sich im Winter an. Weniger aktive Eisnuklei wurden im Winter ermittelt, was auf ein organisiertes Gefrieren hindeutet. Eisbildung trat in den Interzellularräumen des Kortex auf. Die zwei Betula Arten besaßen eine höhere Porosität als C. sativa. Die kleine, mehrjährige S. byzantina zeigte durchgehende Interzellularräume – zwei an der unteren und ein bis zwei an der oberen Seite – entlang der Petiolen und Blattadern. Diese Interzellularräume befinden sich zwischen der Epidermis und dem Kollenchym oder zwischen Kollenchymreihen. Auf jeder Seite der Petiolen und Blattadern und an der unteren Seite konnten entsprechende Verbindungszonen, die sich an der oberen Seite mit wachsendem Eisvolumen lösten, nachgewiesen werden. Das Eiswachstum führte zu einer Deformation des Querschnitts und einer starken Dehydrierung des lebenden Gewebes. In E. hyemale sammelt sich das Eis in Interzellularräumen des Chlorenchyms, im substomatären Raum, in Vallekularkanälen und in der Markhöhle. Eis in den Kanälen zeigt eine typische Trennung von Wasser und gelösten Stoffen. Unterschiedliche Protuberanzen, sowie Wasser in speziellen Regionen wie dem Parenchymmark, welches durch den Gefrierprozess deformiert wird, wurden gefunden. Diese könnten bei der extrazellulären Eisbildung eine Rolle spielen. Basierend auf den Ergebnissen zu E. hyemale wurde ein physikalisches Modell erstellt. Dieses erklärt den Wasserefflux aus den Zellen und das Gefrieren an speziellen Stellen, sowie die weitere Dehydrierung durch das Eis. Die Ergebnisse des Modells wurden mit den Ergebnissen der anderen Arten verglichen, und wahrscheinlich ist das Modell in der Lage, die bei frostharten Arten häufig vorkommende extrazelluläre Eisbildung an bevorzugten Stellen zu erklären.