Wetenschappers hebben lang aangenomen dat de suikers die bomen voeden door waterdruk worden geduwd van de bladeren waar ze worden gemaakt naar de stengels en wortels waar ze nodig zijn.

Maar hoe volbrengen hogere bomen die taak, gezien de grotere afstanden die de voedingsstoffen moeten afleggen en de grotere kracht die nodig lijkt om ze te transporteren?

Een team van negen wetenschappers, meestal van Harvard, ontdekte een antwoord met een recente studie waarvan de bevindingen ook zouden kunnen helpen een einde te maken aan een al lang bestaand debat over de dynamiek van het suikertransport in bomen. De studie, waarvan de resultaten worden beschreven in het nummer van 4 december van het tijdschrift Natuur Planten , vastgesteld dat de hydraulische weerstand tegen het naar beneden bewegen van suikerrijk sap van de bladeren niet zo veel toeneemt met de hoogte van de boom als zou worden verwacht, vanwege fysieke kenmerken in het transportsysteem.

Ze ontdekten ook dat "de druk die zich ontwikkelt in de bladeren van een volwassen rode eik voldoende is om het transport van suikers helemaal naar de wortels te stimuleren, " zei Noel Michele Holbrook, een onderzoeksteamlid dat hoogleraar biologie is en Charles Bullard hoogleraar bosbouw aan de afdeling Organismische en Evolutionaire Biologie van Harvard.

"We hebben nu bewijs dat alle planten - zowel kleine als grote - hetzelfde mechanisme gebruiken om suikers te transporteren, "Zei Holbrook. "En we begrijpen nu hoe bomen hoog kunnen worden zonder tegen transportbeperkingen aan te lopen die verband houden met hun grootte. Ons onderzoek geeft antwoord op een decennialange discussie over hoe suikers in bomen worden getransporteerd."

De studie is het resultaat van een samenwerking die in 2011 is begonnen tussen Holbrook en Michael Knoblauch, een plantencelbioloog van de Washington State University. Knoblauch leidde de ontwikkeling van de instrumenten die bij het onderzoek werden gebruikt, terwijl de metingen grotendeels op Harvard werden gedaan.

Naast Holbrook en Knoblauch, de belangrijkste bijdragers aan het project waren Jessica Savage, een voormalig postdoctoraal student van Harvard en Putnam Fellow aan het Arnold Arboretum die nu assistent-professor is aan de Universiteit van Minnesota, en Kaare Jensen, een voormalige postdoctorale student van Harvard die nu universitair hoofddocent is aan de Deense Technische Universiteit in Kopenhagen.

Het onderzoek werd voornamelijk uitgevoerd in het Harvard Forest in Petersham, Massa., en in het Arnold Arboretum, veel ervan dateert uit de periode van Knoblauch als Bullard Fellow aan Harvard in 2013-14, volgens Holbrook, die op sabbatical is aan de Universiteit van Tasmanië in Australië. Vijf andere teamleden zijn huidige of voormalige Ph.D. studenten of postdoctorale fellows aan Harvard.

"We wilden begrijpen hoe bomen de hydraulische nadelen van toenemende grootte overwinnen, het simpele feit dat het meer energie zou moeten kosten om materialen over langere afstanden te transporteren, " Zei Holbrook. Het team wilde ook bepalen of bomen dezelfde transportmechanismen gebruiken als kleinere planten.

Holbrook zei dat suikers die bij fotosynthese worden gegenereerd, geconcentreerd worden in "floëem, " het plantenweefsel dat werd gebruikt om ze van het bladerdak naar beneden te leiden. De geconcentreerde suiker trekt water aan door osmose, positieve turgor opbouwen, of waterdruk, binnen de cellen. Dat op zijn beurt "drijft het suikerrijke sap naar plaatsen waar de suikers worden gebruikt."

"Het probleem is dat modellen suggereerden dat de hydraulische weerstand voor het transport van floëemsap zeer grote drukgradiënten in hoge bomen zou vereisen, " zei ze. Dat leidde tot discussies over "of dit mechanisme voldoende was om floëemtransport in die bomen te verklaren." Sommige wetenschappers hebben gesuggereerd dat er mechanismen bestaan ​​om energie langs het pad toe te voegen.

Het onderzoeksteam deed uitgebreide metingen van de structuur van de suikergeleidende buizen langs de lengte van veel bomen, terwijl ook de hydraulische weerstand in deze buizen wordt gemeten.

"Om het floëem te proeven, een van de meest delicate en gemakkelijk gewonde weefsels in de plant, we moesten de buitenste bast wegsnijden. In de grote stengels, we deden dit met een hamer en een beitel, geen tools die we doorgaans in het lab gebruiken, " Zei Holbrook. Het team heeft ook de druk in de bladeren van een hoge boom gemeten met behulp van een fluorescerende microscoop die ze in het bladerdak van de boom hebben gehesen.

"We ontdekten dat de weerstand tegen het verplaatsen van het suikerrijke floëemsap niet lineair toeneemt met de transportlengte, omdat de floëemtransportcellen in de hoofdstam, vooral in de richting van de basis, waren breder en langer en hadden ook meer poreuze zeefplaten, '" zei Holbrook. "Dus, de druk die nodig is om het floëemtransport aan te drijven, is veel lager dan was voorspeld."

Ze zei dat de onderzoeksresultaten belangrijke implicaties hebben voor de voedselproductie.

"Het grootste deel van het voedsel dat door fotosynthese wordt gegenereerd, beweegt door het floëem, "zei ze. "Als er manieren zijn om planten productiever te maken in termen van hogere fotosynthese, dan hebben ze ook het vermogen nodig om die suikers te transporteren naar de weefsels die we eten. Dus, begrijpen hoe planten efficiënte transportsystemen maken, zou kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van gewassen met een hogere opbrengst en productievere bomen."

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan de Harvard Gazette, De officiële krant van Harvard University. Voor aanvullend universiteitsnieuws, bezoek Harvard.edu.