Tartu Ülikool

Loodus- ja Tehnoloogiateaduskond

Ökoloogia ja Maateaduste Instituut

Ökofüsioloogia õppetool

Annika Karusion

Ksüleemimahla kaaliumioonide sisalduse mõju

ksüleemi hüdraulilisele juhtivusele

Magistritöö

Juhendaja: dotsent Arne Sellin

Tartu 2012

2

Sisukord

1. Sissejuhatus .................................................................................................................... 3

1.1. Ksüleemi hüdraulilise juhtivuse ökofüsioloogiline tähtsus ........................................ 3

1.2. Taime hüdrauliliste omaduste iseloomustamiseks kasutatavad karakteristikud .......... 4

1.3. Anatoomiline ehitus − esmane faktor, mis määrab ksüleemi hüdraulilise juhtivuse ... 6

1.4. Ksüleemi veesisalduse mõju ................................................................................... 10

1.4.1. Veesisaldus ...................................................................................................... 10

1.4.2. Kavitatsiooni mehhanism ................................................................................. 11

1.5. Biootilised faktorid ................................................................................................. 16

1.6. Ksüleemimahla keemilised omadused .................................................................... 17

1.7. Töö eesmärgid ........................................................................................................ 24

2. Materjal ja metoodika.................................................................................................... 25

2.1. Proovialade iseloomustus ja katsete korraldus ........................................................ 25

2.2. Ksüleemi hüdraulilise juhtivuse määramine ............................................................ 26

2.2.1. Valguskatse ..................................................................................................... 26

2.2.2. Õhuniiskusega manipuleerimise katse .............................................................. 27

2.2.3. Floeemi sälkamise katse .................................................................................. 28

2.3. Ksüleemimahla kogumine ja kaaliumioonide sisalduse määramine ......................... 28

2.4. Andmete analüüs .................................................................................................... 29

3. Tulemused .................................................................................................................... 30

3.1. Valguskatse ............................................................................................................ 30

3.2. Õhuniiskusega manipuleerimise katse .................................................................... 33

3.2.1. Arukask ........................................................................................................... 33

3.2.2. Hübriidhaab ..................................................................................................... 35

3.3. Floeemi sälkamise mõju hübriidhaava okste hüdraulilisele juhtivusele ja

ksüleemimahla füüsikalis-keemilistele omadustele ........................................................ 37

4. Arutelu .......................................................................................................................... 39

4.1. Hüdraulilise juhtivuse ja ksüleemimahla K+ sisalduse vertikaalsed trendid puude

võras ............................................................................................................................. 39

4.2. Floeemi-ksüleemi interaktsioonid ........................................................................... 42

Kokkuvõte ........................................................................................................................ 44

Summary .......................................................................................................................... 46

Tänuavaldused .................................................................................................................. 48

Kasutatud kirjandus .......................................................................................................... 49

Lisad

3

1. Sissejuhatus

1.1. Ksüleemi hüdraulilise juhtivuse ökofüsioloogiline tähtsus

Taimi on võimalik käsitleda hüdrauliliste süsteemidena, mis põhiolemuselt on võrreldavad

põldude niisutussüsteemide, hoonete veevarustussüsteemide ja loomade vereringega,

koosnedes sarnastest põhielementidest liikumapanev jõud, torud, mahutid ehk

reservuaarid, reguleeriv süsteem (Cruiziat et al. 2002). On oluline mõista, kuidas toimuvad

hüdraulilised protsessid, s.h. lehtede veevarustus taimedes. Ksüleemi hüdraulilise juhtivuse

uurimine on ökofüsioloogias vajalik, kuna see mõjutab nii transpiratsiooni (Wullschleger et

al. 1998; Cochard et al. 2000; Hubbard et al. 2001), lehe veetranspordivõimet (Hubbard et

al. 2001; Sack & Holbrook 2006), õhulõhede juhtivust (Whitehead 1998; Wullschleger et

al. 1998; Hubbard et al. 2001), fotosünteesi (Macinnis-Ng et al. 2004; Nardini et al. 2011a)

kui ka taimede produktiivsust (Whitehead 1998; Nardini et al. 2011a). Võib öelda, et taime

võime assimileerida süsiniku ja täita teisi elutähtsaid funktsioone on otseselt seotud vett

lehtedesse toimetava hüdraulilise võrgustiku omadustega (McCulloh et al. 2010).

Taimedes on vee kaugtransporti käivitavaks jõuks transpiratsioon – vee pidev

aurumine lehepinnalt, mis kohesiooniteooria kohaselt tõmbab pidevate veesammaste kaudu

vett mullast lehtedesse. Transpiratsiooni energiaallikaks on päikese energia (Cruiziat et al.

2002), aurumine lehtedest kutsub esile vee passiivse absorptsiooni juurtes. Aurumise käigus

leherakkude veepotentsiaal (Ψ) langeb, mis põhjustab vee liikumist leheroodude ksüleemist

mesofüllirakkudesse. See langetab omakorda ksüleemi veepotenstiaali. Langenud

veepotentsiaal (rõhupotentsiaal) lehe juhtkudedes kandub kohesioonijõudude mõjul juurteni

välja, mis alanenud Ψ tõttu absorbeerivad mullast vett (Kramer & Boyer 1995). Lehe

tasemel on transpiratsioon limiteeritud õhulõhede gaasilise faasi ja piirikihi juhtivusega

(Wullschleger et al. 1998). Väga suure negatiivse rõhu all kulgev transpiratsioonivoog saab

ksüleemis toimuda tänu vee erilistele füüsikalistele omadustele ja ksüleemi anatoomilise

ehituse spetsiifikale (Tyree & Ewers 1991; Hacke et al. 2006).

Ksüleem moodustab 99% vee liikumise teekonna pikkusest juurtest lehtedesse, kuid

samas langeb tema arvele umbes 50% taime kogu hüdraulilisest takistusest. Ülejäänud 1%

selle teekonna pikkusest ja 50% hüdraulilisest takistusest on lokaliseeritud mõne millimeetri

pikkusel lõigul väljaspool juhtelemente (ingl. k. extra-vascular pathway), mis jääb vee

liikumise teele juurte pinnalt steelini ning väikestest leheroodudest mesofüllis asuvate

aurustumispindadeni. Enamik võsude takistusest on koondunud lehelabadesse (Cruiziat et

4

al. 2002). Reeglina vähemalt 30% takistusest asub lehtedes, seetõttu mõjutab lehe

hüdrauliline juhtivus tugevalt veetransporti kogu taimes (Sack & Holbrook 2006).

Taime hüdrauliline arhitektuur mõjutab otseselt vee- ja gaasivahetust, liigi levikut ja

ka puude maksimaalset kõrgust (Tyree & Ewers 1991). Puu veevahetuse mõistmisel on

hüdraulilise juhtivuse olulisust varasemates töödes alahinnatud, seda eriti õhulõhede

regulatsiooni seisukohalt (Cochard et al. 2000). Õhulõhede poolt reguleeritava lehe

gaasivahetuse mõju vahendavad interaktsioonid õhulõhede sulgrakkude turgori, lehe

veepotentsiaali ja transpiratsiooni intensiivsuse vahel (Franks 2004). Koos puu hüdraulilise

juhtivuse alanemisega vähenevad nii transpiratsioon, õhulõhede juhtivus, süsiniku

assimilatsioon kui ka lehe hüdrauliline juhtivus (Sperry 2000; Hubbard et al. 2001; Franks

& Brodribb 2005).

Puude elusatel rakkudel on kõrge veesisaldus ja elastsed rakukestad, mis käituvad

lühiajaliste veereservuaaridena. Veega täitudes rakud paisuvad ning dehüdreerudes

tõmbuvad kokku. Kudede elastsus on enamikel liikidel valdavaks vee

akumuleerimise/deponeerimise mehhanismiks. Ajutise põua tingimustes võivad veevarud

mõjutada puu võimet jätkuvalt fotosünteesida ja eriti kasvada (Cruiziat et al. 2002). Selline

lehtedesse ja peentesse okstesse deponeeritav veevaru on eriti oluline kõrgekasvuliste puude

jaoks, sest transpiratsiooni käigus kaotatud vee asendamine võtab pika vahemaa tõttu mulla

ja lehtede vahel palju aega (Holbrook & Zwieniecki 2005).

1.2. Taime hüdrauliliste omaduste iseloomustamiseks kasutatavad

karakteristikud

Taimede hüdrauliliste omaduste hindamiseks kasutatakse üsnagi erinevaid meetodeid

(Wullschleger et al. 1998). Kaks sagedamini kasutatavat parameetrit hüdraulilise

arhitektuuri kirjeldamiseks on hüdrauliline juhtivus (ingl. k. hydraulic conductance) ja

hüdrauliline erijuhtivus (ingl. k. hydraulic conductivity; Cruiziat et al. 2002).

Hüdrauliline juhtivus (K; kg s-1

MPa-1

, mmol s-1

kPa-1

) väljendab kogu taime või

tema üksikute organite (leht, oks, vars, juur, juurestik) veetranspordivõimet ehk seda kui

hõlpsalt suudab vesi taimeorganeid läbida. K on arvutatav veevoolu kiiruse (q; mmol s-1

, kg

s-1

) ning rõhkude või veepotentsiaalide erinevuse (ΔP, ; kPa-1

, MPa-1

) suhtena (Nijsse et

al. 2001):

q

P

qK

Δ (1)

5

Tavaliselt väljendatakse hüdrauliline juhtivus taimeorgani pindalaühiku (lehtede

projektsioonipindala, ksüleemi ristlõikepindala jne.) kohta. Hüdrauliline juhtivus on

takistuse pöödväärtus, mis tähendab, et K on seda suurem, mida väiksem on takistus

veevoolule läbi taimekudede ja vastupidi (Nijsse et al. 2001; Cruiziat et al. 2002).

Hüdrauliline takistus (R; MPa s kg-1

) on tuletatud omakorda vastavalt analoogiale Ohmi

seadusega (Cruiziat et al. 2002). Kõige kiiremini liigub vesi taimes juhul, kui

veepotentsiaali gradient on suur ning hüdrauliline takistus madal (Wullschleger et al.

1998).

Hüdrauliline erijuhtivus (k; kg m-1

s-1

MPa-1

, mmol m-1

s-1

kPa-1

) iseloomustab

juhtkudede (siin ksüleem) kui poorse materjali veejuhtevõimet. See on võrdeline kindla

pikkuse ja ristlõike pindalaga ksüleemilõiku läbiva vee vooluhulga ja voolu tekitava

rõhugradiendi (dP/dx, MPa m-1

) suhtega (Cruiziat et al. 2002). Seega on k on leitav

oksalõigu pikkuse (L, m) ja vastava K korrutamise teel, jagatud ristlõike pindalaga (As;

Nijsse et al. 2001):

sA

KLk (2)

Mida suurem on k, seda väiksem on tema pöörväärtus eritakistus (r; Cruiziat et al. 2002).

Praktikas arvutatakse k enamasti vastavalt järgmisele valemile (Reid et al. 2005):

ΔΨ

η

sA

QLk (3)

kus k on hüdrauliline erijuhtivus (m2), L - transporditee pikkus (m) ja As - maltspuidu

ristlõikepindala (m2), ∆Ψ - veepotensiaalide vahe (Pa) ja η - vedeliku dünaamiline

viskoossus (ingl. k. dynamic viscosity; Pa s). Hüdrauliste mõõtmiste puhul tuleb kindlasti

arvestada vedeliku viskoossusega, mis sõltub lahutunud ainete sisaldusest. Näiteks

kontsentreeritud suhkrulahus on üsna viskoosne ja aeglustab märkimisväärselt voolu.

Ksüleemimahla lahustunud ainete sisaldus on kaduvväike ja seetõttu ei mõjuta viskoossust

(Cruiziat et al. 2002). Vee viskoossus sõltub aga tugevasti temperatuurist: temperatuuri

varieeruvusest tingitud hüdraulilise juhtivuse muutusi saab seletada vee viskoossuse

muutustega apoplastses kompartmendis (Cochard et al. 2000). Hariliku pärna lehtedes

langeb umbes 1/3 temperatuuriefektist vee viskoossuse ja

2/3 rakumembraanide juhtivuse

muutuste arvele (Sellin & Kupper 2007a).

Kogu-puu hüdrauliline juhtivus (Kt; mmol m-2

s-1

MPa-1

) on veetranspordi

efektiivsuse mõõduks kogu vedela faasi teekonna ulatuses juur-muld piirpinnalt kuni lehe

mesofüllirakkude kestadeni. Kt on võimalik suurendada, vähendades lehestiku pindala.

6

Paraku on see võimalus taimedele kulukas ning seda ei ole võimalik kiiresti rakendada

(Franks & Brodribb 2005). Paljudest nii troopiliste kui parasvöötme puude veetranspordi-

alastest uuringutest selgub, et kogu-puu hüdrauliline juhtivus väljendatuna maltspuidu

pindalaühiku kohta varieerub vahemikus 3.4–5.5 mol m-2

s-1

MPa-1

ning väljendatuna

lehestiku pinnaühiku kohta vahemikus 0.39.9 mmol m-2

s-1

MPa-1

(Wullschleger et al.

1998).

1.3. Anatoomiline ehitus − esmane faktor, mis määrab ksüleemi

hüdraulilise juhtivuse

Ksüleem on soontaimede peamine vett juhtiv kude, mis võimaldab efektiivset

kaugtransporti. Lisaks sellele on tal oluline roll lahustunud ainete transpordi, toitainete

akumuleerimise ja taime toestamise juures. Ksüleem koos assimilaate transportiva

floeemiga on taime peamisteks juhtkudedeks, mis on koondunud juhtkimpudesse (Evert

2006).

Ksüleem koosneb kahte tüüpi vettjuhtivatest elementidest. Esiteks trahheiididest, mis

on otstest ahenevad kitsad värtnakujulised kuni 5 mm pikkused ja kuni 30 µm diameetriga

rakud. Teist tüüpi vettjuhtivad elemendid ksüleemis on trahheed, mis on tekkinud ridamisi

asuvate rakkude otsmiste seinte kadumise tagajärjel ja moodustavad torusarnaseid

struktuure pikkusega mõnest sentimeetrist kuni mitme meetrini ning läbimõõduga 20-700

µm (Kramer & Boyer 1995). Lisaks sellele sisaldab ksüleem ka puitunud kestadega

parenhüümirakke, mille põhiülesandeks on toitainete säilitamine tärklise ja lipiidide kujul,

ning toestava funktsiooniga puidukiude ehk libriformi. Puidukiududel on varieeruva

paksusega puitunud kestad, mis enamasti on paksemad kui sama liigi trahheiidide kestad

(Evert 2006).

Nii trahheed kui trahheiidid koosnevad pikkadest väljavenitatud puitunud

sekundaarsete kestadega rakkudest, mis kasvu lõppedes surevad (Evert 2006). Trahheed on

pikemad ja suurema diameetriga, kuna üherakuline ehitus seab piirid trahheiidide kui

juhtelementide pikkusele ja läbimõõdule (Kramer & Boyer 1995), kusjuures trahheede ja

trahheiidide pikkuse erinevus on tunduvalt suurem kui läbimõõdu erinevus (Sperry et al.

2006). Juhtelementide diameeter võib olla alla 5 μm okaspuude okastes kuni >500 μm

liaanide vartes. Nende pikkus verieerub alates mõnest millimeetrist trahheiididel kuni 10

meetrini ronitaimede ja rõngassoonelistel puude trahheedel (Hacke & Sperry 2001b).

Mainitud juhtelemendid erinevad teineteisest veel selle poolest, et üksteisega kokku

7

puutuvad trahheiidid on omavahel ühenduses üksnes pooride kaudu, kuid trahheedel on

lisaks pooridele ka erineva kujuga avaused (Kramer & Boyer 1995; Evert 2006). Poore ja

perforatsiooniplaate leidub nii juhtelementide tippudes kui ka külgmistest seintes (Evert

2006).

Katte- ja paljasseemnetaimedel on pooride ehitus ja funktsioneerimine erinevad.

Katteseemnetaimedel on pooride membraanid ehituselt homogeensed ja suhteliselt väikeste

avadega, õhu läbipääsemist takistavad pindpinevus- ja kapillaarjõud (Holbrook &

Zwieniecki 2005; Evert 2006). Enamikul paljasseemnetaimedel on trahheiidid ühenduses

koobaspooride kaudu (Holbrook & Zwieniecki 2005; Evert 2006; Sperry et al. 2006), mille

põhielementideks on lääts- ja sulgkile. Sulgkile poorid on suhteliselt suured ja kapillaarjõud

seetõttu nõrgad. Paljasseemnetaimede koobaspooride membraanid arvestatuna membraani

pindalaühiku kohta on võrreldes katteseemnetaimede pooridega efektiivsemad (Holbrook &

Zwieniecki 2005; Evert 2006) ja kavitatsioonikindlamad (Sperry et al. 2006).

Paljasseemnetaimede puit on ehituselt homogeene − tema ksüleem sisaldab ainult

trahheiide (Kramer & Boyer 1995; Evert 2006), millel lisaks transpordifunktsioonile on ka

mehhaaniline toestamise roll (Sperry et al. 2006). Katteseemnetaimed on tunduvalt

keerulisema ehitusega - nende ksüleem sisaldab nii trahheesid kui trahheiide, lisaks veel

parenhüümirakke ja puidukiude (Kramer & Boyer 1995; Evert 2006); viimased võtavad

suurema osa toeseülesandest enda kanda (Sperry et al. 2006).

Puutüves on ksüleem ümbritsetud teiskoorega, mis sisaldab floeemi, floeem on

ksüleemist eraldatud kambiumikihiga. Noortel puudel sisaldab ksüleem elusaid

parenhüümirakke ja seda nimetatakse maltspuiduks. Puu vananedes parenhüümirakud

surevad, trahheed/trahheiidid kaotavad veejuhtimisvõime ja moodustub lülipuit (Kramer &

Boyer 1995). Samuti suureneb vananemisega trahheede seina paksus (De Micco et al.

2008). Lülipuit elusrakkusid ei sisalda ja veejuhtimises ei osale, sest lülipuidu

juhtelemendid on kaviteerunud, tüllidega ummistunud või täitunud vaiguga ning oma

transpordifunktsiooni minetanud. Lülipuit on enamasti värvuselt tumedam ja tihedam kui

maltspuit (Kramer & Boyer 1995).

Katteseemnetaimede hulka kuuluvad puud jaotatakse ksüleemi ehituse poolest

rõngas- ja hajussoonelisteks liikideks. Rõngassoonelistel puudel, nagu saare-, tamme- ja

jalakaliigid, on kevadel moodustunud trahheed (varapuit) oluliselt suurema läbimõõduga kui

kasvuperioodi lõpus moodustunud juhtelemendid (hilispuit; Kramer & Boyer 1995;

Holbrook & Zwieniecki 2005; Evert 2006). Tulemuseks on terav eraldusjoon aastarõngaste

vahel. Hajussoonelistel puuliikidel, nagu kased, vahtrad ja paplid, on trahheed tavaliselt

8

väiksema diameetriga ning vara- ja hilispuidu juhtelemendid on suhteliselt sarnase

läbimõõduga. Erinevus vara- ja hilispuidu vahel võimaldab määrata aastarõngaste arvu ja

puu vanust (Kramer & Boyer 1995; Evert 2006).

Puidu ehituses eristatakse ka juveniilpuitu, mille moodustavad säsist alates tüve või

oksa sisemised aastarõngad, ja küpspuitu, mis paikneb välimistes aastarõngastes.

Juveniilpuitu iseloomustavad näitajad (anatoomiline ehitus, mehaanilised ja hüdraulilised

parameetrid, keemiline koostis) on aastarõngaste vahel üsnagi erinevad, küpspuidu

omadused on keskkonnatingimuste konstantsuse korral suhteliselt püsivad. Juveniilpuidu

aastarõngaste arv on suuresti ära määratud geneetiliselt - tavaliselt 10-20 aastarõngast. Puu

vanemaks saades juveniilpuidus trahheiidide pikkus ja läbimõõt aasta aastalt suurenevad,

kusjuures paljasseemnetaimedel on need muutused suuremad (Holbrook & Zwieniecki

2005). Puu vanuse suurenemisel 2-lt 25 aastani pikenevad rõngassoonelise oregoni tammel

(Quercus garryana) ksüleemirakud 1-lt kuni 1.2 millimeetrini, trahheede diameeter

suureneb 164-lt 272 μm (Lei et al. 1996). Sama perioodi jooksul pikenevad aga hariliku

ebatsuuga (Pseudotsuga menziesii) trahheiidid ühelt millimeetrilt kuni viie millimeetrini

(Megraw 1985). Rakkude pikkuse ja läbimõõdu suurenemine toimub hajussoonelistel

liikidel analoogiliselt ringsoonelistega (Holbrook & Zwieniecki 2005).

Taime hüdrauliline juhtivus ja organite erijuhtivus sõltuvad otseselt ksüleemi

anatoomilisest ehitusest (Spicer & Gartner 2001; Evert 2006; Sperry et al. 2006), mistõttu

see on liigispetsiifiline (De Micco et al. 2008). Katteseemnetaimedes liigub vesi peamiselt

trahheede, paljasseemnetaimedel trahheiidide kaudu, ülejäänud rakutüüpidel

(puiduparenhüüm, puidukiud) on vee kaugtranspordis ebaoluline roll (Kramer & Boyer

1995). Trahheede efektiivsem veejuhtivus võrreldes trahheiididega on tingitud nende

suuremast diameetritest ja pikkusest (Sperry et al. 2006). Mida suurema läbimõõdu ja

pikkusega on trahheed, seda suurem on nende hüdrauliline juhtivus (Evert 2006; Sperry et

al. 2006). Liaanidel kompenseerivad suured trahheed tüve väikest diameetrit (Tyree &

Ewers 1991). Täpsemalt sõltub k nii ksüleemi juhtelementide (traheed, trahheiidid)

valendiku hüdraulilisest juhtivusest kui juhtelemente ühendavate pooride ja avade

hüdraulilisest juhtivusest (Nijsse et al. 2001).

On üsna tavaline, et keskmise suurusega trahheede diameeter moodustab ½-¼

suuremate läbimõõdust, kuid suuremate trahheede panus hüdraulilisse juhtivusse on

võrreldamatult suurem (Tyree & Ewers 1991). Suure diameetriga trahheed juhivad

tunduvalt paremini vett kui kitsad trahheed/trahheiidid, kuna ksüleemiraku teoreetiline

hüdrauliline juhtivus on võrdeline tema raadiuse neljanda astmega (Tyree & Ewers 1991;

9

Pickard & Melcher 2005; Evert 2006). See tuleneb Hagen-Poiseuille’ seadusest, mis

kirjeldab vee liikumist kapillaarides (Pickard & Melcher 2005):

l

rPJ

8

4

v (4)

kus Jv on vedeliku ruumkiirus (m3

s-1

), r – kapillaari raadius (m), ΔP – hüdrostaatilise rõhu

erinevus kapillaari otste vahel (Pa), η - vedeliku dünaamiline viskoossus (Pa s), l – kapillaari

pikkus (m). Tulenevalt sellest füüsikaseadusest põhjustavad väikesed erinevused

juhtelementide läbimõõdus suuri erinevusi nende juhtivuses (Tyree & Ewers 1991; Cruiziat

et al. 2002). Sellest tulenevalt on rõngassoonelised puuliigid võimelised palju kiiremini (15-

45 m h-1

) vett juhtima kui hajussoonelised puud (1-6 m h-1

) ja paljasseemnetaimed (kuni 2 m

h-1

; Fitter & Hay 2002).

Juhtelementide pikkus mõjutab vaheseinte osatähtsust juhtivuse kujunemisel: mida

pikemad on juhtelemendid, seda vähem peab vesi pikkusühiku kohta rakkudevahelisi

üleminekuid läbima ja seda suurem on vaheseinte juhtivus (Sperry et al. 2006). Seega

juhtelemente ühendavate pooride takistus mõjutab okaspuude lühikeste üherakuliste

trahheiidide juhtivust kõige rohkem (McCulloh et al. 2010). Ksüleemirakke ühendavad

poorid funktsioneerivad pudelikaeladena vähendades hüdraulilist erijuhtivust, mille tõttu

kogu juhtelemendi juhtivus on hoolimata trahheede või trahheiidide suurusest väiksem kui

pool valendiku juhtivusest (Sperry et al. 2006). Sarnane pudelikaela efekt on ka okste

harunemiskohtadel; suurte ja jämedate okste puidu erijuhtivus on kõrgem kui väiksestel

okstel (Cruiziat et al. 2002). Kuigi okaspuudes on takistus vee liikumisele suurem, kuna

nende ksüleemis on juhtelementideks vaid trahheiidid, mis väiksemate mõõtmete tõttu on

ebaefektiivsemad veejuhid kui trahheed (Kramer & Boyer 1995), võib tänu erilise ehitusega

koobaspooridele sama diameetriga ja 10 korda pikema trahhee juhtivus olla trahheiidi

juhtivusega võrreldav, seega koobaspoorid vähendavad katte- ja paljasseemnetaimede

vahelist hüdraulilise efektiivsuse erinevust (Sperry et al. 2006).

Peenemate okste suurimate trahheiidide diameeter on reeglina väiksem kui vastav

näitaja jämedamates okstes (Tyree & Ewers 1991). Puu hüdrauliline erijuhtivus

lehepinnaühiku kohta suureneb eksponentsiaalselt koos tüve diameetri kasvuga (McCulloh

& Sperry 2005). Liikumisel piki krüsanteemi vart ülespoole langeb erijuhtivus 50% iga 0.34

meetri kohta see langus on tingitud nii traheede ristlõikepindala kui ka pikkuse

vähenemisest (Nijsse et al. 2001). Kõige märkimisväärsem tüve hüdraulilise juhtivuse tõus

seoses tüve läbimõõdu suurenemisega esineb rõngassoonelistel puudel (McCulloh et al.

2010).

10

Rõngas- ja hajussoonelised puuliigid erinevad veel selle poolest, et rõngasoonelistel

toimub peamine vee transport ühes või mõnes kõige välimises aastarõngas ning ülejäänud

trahheed ja trahheiidid on kaviteerunud, tüllidega ummistunud või vaiguga täitunud.

Hajussoonelistel puuliikidel säilitavad paljud välimised aastarõngad veejuhtimisvõime

(Kramer & Boyer 1995).

1.4. Ksüleemi veesisalduse mõju

1.4.1. Veesisaldus

Ksüleemi erijuhtivus ja tema suhteline veesisaldus on omavahel mittelineaarselt

seotud. Juhtkudede veega küllastatuse aste on üks peamisi ksüleemi hüdraulilist erijuhtivust

määravaid tegureid. Ksüleemi suhtelise veesisalduse vähenemine võib põhjustada puu

veejuhtesüsteemi transpordivõime järsku alanemist, mis omakorda alandab lehe

veepotentsiaali (Sellin 1991).

Ksüleemi haavatavuse kõver (ingl. k. vulnerability curve) väljendab veepotentsiaali

ja sellele vastava hüdraulilise erijuhtivuse muutusi seoses juhtelementide kaviteerumisega

(Cruiziat et al. 2002). Seda kasutatakse sageli taimede põuatundlikkuse hindamiseks

(Pammenter & Willigen 1998), kuna see peegeldab ksüleemimahla hõrenduse

suurenemisega kaasnevaid õhumullide hulga muutuseid ksüleemis (Cochard et al. 1999).

Rõngassoonelistes puudes ja liaanides langeb hüdrauliline juhtivus negatiivse rõhu

suurenemisega järsult, samas hajussoonelistes puudes toimub juhtivuse alanemine tunduvalt

sujuvamalt (Hacke et al. 2006). Ka okaspuudes toimub juhtivuse alanemine üldiselt

sujuvamalt kui rõngassoonelistel (Oliveras et al. 2003). Tegelikult varieeruvad haavatavuse

kõverad nii liikide ja kui ka sama liigi erinevate osade vahel märkmisväärselt. Näiteks

hariliku pöögi (Fagus sylvatica) varjuoksad on palju tundlikumad kavitatsiooni suhtes kui

valgusoksad (Cochard et al. 1999). Lisaks sellele võivad haavatavuse kõverad sõltuvalt

keskkonnatingimusest varieeruda isegi sama taimeorgani sees (Cruiziat et al. 2002).

Haavatavuse kõverat kirjeldab sigmoidne võrrand (Pammenter & Willigen 1998):

))Ψ(exp(1

100PLC

ba (5)

kus PLC on erijuhtivuse vähenemine võrreldes täisküllastatusega (%), Ψ – vee potentsiaal

(MPa), a ja b – konstandid. Konstant a on tõenäoliselt seotud haavatavust määravate

11

anatoomiliste tunnustega. Konstant b määrab sigmoidi assendi X-telje suhtes ja väljendab

50% erijuhtivuse kaotusele vastavat veepotentsiaali väärtust (Pammenter & Willigen 1998).

Praktikas arvutatakse PLC-d järgmiselt (Pammenter & Willigen 1998):

max

max )(100PLC

k

kk (6)

kus kmax – maksimaalne erijuhtivus veega küllastatud olekus, k – hüdrauliline erijuhtivus

antud tingimustes. Kõige sagedamini kasutatakse ksüleemi haavatavuse hindamiseks 50%

erijuhtivuse kaotusele vastavat veepotensiaali (PLC50), kuid see parameeter ei erista

erinevaid hüdraulilise juhtivuse kaotuse viise, näiteks kiiret ja sujuvat erijuhtivuse

vähenemist veepotentsiaali alanemisel (Pammenter & Willigen 1998).

1.4.2. Kavitatsiooni mehhanism

Evolutsioonitrendi ksüleemi suurema hüdraulilise efektiivsuse suunas limiteerib

juhtelementide funktsioneerimiskindluse kahanemine. Veetranspordisüsteemi toimimist

veedefitsiidi korral ähvardavad veesammaste katkemine ja ksüleemielementide

kokkulangemine, mis piiravad ksüleemielementide suurust, nõuavad tugevaid rakukesti ja

seavad piirid juhtkoesse tehtud investeeringute efektiivsusele (Holbrook & Zwieniecki

2005). Seega võib öelda, et ksüleemi hüdrauliline juhtivus on kompromiss veejuhtesüsteemi

töökindluse ja efektiivsuse vahel konkreetsetes keskkonnatingimustes (Hacke et al. 2006).

Kavitatsiooniks nimetatakse veesamba katkemist juhtelemendis, mille tagajärjel gaas

tungib rakku ning juhtelement emboliseerub ehk täitub gaasimullidega, mis ummistavad

trahheed ja trahheiidid (Sperry & Sullivan 1992; Evert 2006; Sperry et al. 2006).

Emoliseerunud juhtelementidest võib õhk rakkudevaheliste pooride kaudu edasi liikuda

(Sperry & Tyree 1988a; Christman et al. 2012). Kavitatsioon toimub siis, kui ksüleemi

veepotensiaal langeb teatud kriitilisest piirist allapoole (Cruiziat et al. 2002; Holbrook &

Zwieniecki 2005). Mida kõrgem on transpiratsiooni intensiivsus, seda madalam on ksüleemi

veepotentsiaal ja ühtlasi seda suurem on kavitatsioonirisk (Cruiziat et al. 2002).

Kavitatsioonist põhjustatud embolite teke vähendab ksüleemi hüdraulilist juhtivust ja võib

viia õhulõhede sulgemiseni (Trifilo et al. 2011). Kui veepotentsiaal langeb ksüleemi

juhtelementides progresseeruvat kavitatsiooni käivitava künniseni, siis õhumullide ehk

embolite tekke vältimiseks õhulõhed sulguvad (Holbrook & Zwieniecki 2005). Selle

tagajärjel alanevad omakorda fotosüntees ja taime produktiivsus (Nardini et al. 2011a).

Õhulõhede regulatsioon on üks võtmemehhanisme, mis aitab ära hoida ksüleemi

düsfunktsioonist tingitud taime surma (Cruiziat et al. 2002).

12

Kavitatsiooni tekkepõhjuseid on palju uuritud. Juhtelementide tõenäosust

kaviteeruda mõjutab nii ksüleemi anatoomiline ehitus kui ka keskkonnatingimused (Sperry

& Sullivan 1992; Hacke & Sperry 2001b). Suurimat rolli mängivad selles protsessis

külmumine ja põud (Sperry et al. 1994; Cruiziat et al. 2002; De Micco et al. 2008).

Eelkõige on kavitatsioon iseloomulik kuivusstressi all kannatavatele taimedele (Trifilo et al.

2011). Põua tingimustes alaneb mulla veepotentsiaal ning mulla ja juure vahelise piirpinna

hüdrauliline takistus suureneb oluliselt. Lehtede veepotentsiaal alaneb ja ksüleemimahla

osmootne potentsiaal samuti. Käivitub kavitatsioon, millest tulenevalt tekivad õhumullid ja

maltspuidu hüdrauliline juhtivus langeb (Cruiziat et al. 2002). Teiste sõnadega

kavitatsioon toimub siis, kui imemisrõhk juhtelementides ületab õhu ja vee piirpinnal

toimivaid kapillaarjõude. Sellistes tingimustes tõmmatakse ümbritsev õhk juhtelementi,

tekivad õhumullid, mis põhjustavad kavitatsiooni (joon. 1; Hacke & Sperry 2001b). Mida

suuremale negatiivsele ksüleemirõhule peavad taimed kaviteerumata vastu, seda paremini

taluvad nad kuivust ja seda suurem on ksüleemi juhtelementide seinale rakenduv koormus

(Hacke et al. 2001a). Ulatusliku embolismi tekkimiseks on vaja aga pikaajalist põuda

(Cruiziat et al. 2002). Ulatuslik kaviteerumine leiab näiteks Quercus gambelii maltspuidus

aset -1 MPa hõrenduse juures, kuid kõige töökindlamad trahheed kaviteeruvad alles <-4

MPa juures (Christman et al. 2012).

Parasvöötmes võivad talvised külmumis-sulamistsüklid põhjustada samuti

embolismi ja vähendada hüdraulilist juhtivust (Sperry & Sullivan 1992). See on seotud

puidu suhtelise veesisalduse vähenemisega. Šotimaal läbiviidud katses vähendas talvine

embolism arukasel (Betula pendula) ksüleemi erijuhtivust 50-70% (Strati et al. 2003).

Kanadas vähenes kollase kase (Betula alleghaniensis) hüdrauliline juhtivus talvel koguni

90% võrra (Cox & Zhu 2003), samas okaspuudes ei põhjusta külmumis-sulamistsüklid

olulist kavitatsiooni (Sperry & Sullivan 1992; Hacke & Sperry 2001b). Kõige

vastuvõtlikumad on suurte trahheedega rõngassoonelised liigid (Sperry & Sullivan 1992;

Sperry et al. 1994). Ksüleemimahl sisaldab alati lahustunud gaase. Ksüleemimahla

külmudes eralduvad lahustunud gaasid mullidena, mis võivad sulades laieneda ning

kavitatsiooni põhjustada (joon. 1). Hüdraulilise erijuhtivuse langus (PLC) progresseerub

koos külmumis-sulamistsüklite arvuga (Strati et al. 2003). Okaspuudes külmumise käigus

tekkivad väikesed gaasimullid võivad sulamise ajal ümbritsevas vedelikus uuesti lahustuda,

kuid rõngassooneliste puude suure läbimõõduga trahheedes moodustuvad suured õhumullid,

mis tõenäoliselt jää sulamise järel ei lahustu (Holbrook & Zwieniecki 2005).

Külmakahjustused ilmnevad pigem tipmistes kui basaalsetes võsudes, seega ei põhjusta

13

need otseselt taime surma (Strati et al. 2003), kuid mõjutavad võsude kärbumist, pungade

puhkemist ja uute võrsete pikkust (Cox & Zhu 2003).

Joonis 1. Külmumisest (ülemine) ja põuast (alumine) põhjustatud kavitatsiooni mehhanism

katteseemnetaimedel. Külmudes lahusest eraldunud gaasimullid võivad sulades ühineda ja

juhtelemendi blokeerida. Põuast tingitud kavitatsioon toimub juhul, kui õhk imetakse läbi

juhtelemendi suurimate pooride töötavasse veega täidetud trahheesse (Hacke & Sperry

2001b).

Ksüleemivoolu takistust (koosneb poorimembraanide ja luumeni takistusest; Nardini et al.

2011a), juhtelemendite töökindlust (s.t. kavitatsioonikindlust) ja juhtelementide seinte

kokkulangemiskindlust mõjutavad trahheede/trahheiidide pikkus, läbimõõt ja rakukestade

paksus (Sperry et al. 2006). Trahheede läbimõõdu suurenemine parandab oluliselt

veejuhtivust, kuid samal ajal väheneb nende töökindlus (Evert 2006). Näiteks pikkade ja

suure läbimõõduga trahheedega ronitaimed kaviteeruvad kergesti. Väiksemate

juhtelementidega liigid on nii katte- kui ka paljasseemnetaimede hulgas

kavitatsioonikindlamad (Hacke et al. 2006). Hacke et al (2006) leidsid, et rõngassooneliste

puude ja liaanide maksimaalne hüdrauliline erijuhtivus enne ksüleemi emboliseerumist on

suhteliselt kõrge, kuid samas negatiivse rõhu suurenemisel kahaneb see järsult.

Hajussooneliste puude maksimaalne erijuhtivus on madalam, kuid tõmbe suurenemisel

säilitavad nad ksüleemi erijuhtivust paremini (Hacke et al. 2006). Rõngassooneliste hulka

14

kuuluvatel tammeliikidel ümbritsevad trahheesid tihti trahheiidid. Sellised veega täidetud

trahheiidid võivad käituda trahheesid õhu sisenemise eest kaitsva barjäärina (Hacke &

Sperry 2001b).

Mitmetes uuringutes on leitud trend, et keskkonna ariidsuse suurenedes vähenevad

trahheede pikkus ja diameeter (De Micco et al. 2008) ning et ka külmemas kliimas on

juhtelemendid lühemad ja väiksema läbimõõduga (Holbrook & Zwieniecki 2005). Selline

väikese ruumalaga juhtelementidest koosnev külmumis-sulamistsüklitest tingitud

kavitatsioonile vastupidavam ksüleem juhib vähem efektiivselt vett (Sperry et al. 1994).

Juhtelemendi tasandil suureneb vastupanuvõime kavitatsioonile proportsionaalselt

juhtelemendi rakukesta tugevusega, s.t. kavitatsioonikindlamad on taimed, kes investeerivad

rohkem süsinikku juhtelementide kestadesse, samas väheneb aga hüdrauliline juhtivus

(Hacke et al. 2001a). Kavitatsiooni vältimiseks suurendavad nii katte- kui ka

paljasseemnetaimed puidu tihedust (Sperry et al. 2006), kuna puidu tiheduse (s.h. trahheede

tiheduse) suurenemisega tõuseb nende töökindlus ja vasupanuvõime kavitatsioonile.

Tugevam puit peab kindlamini vastu ka negatiivsetele ksüleemirõhkudele (Hacke et al.

2001a; De Micco et al. 2008). 16 sugukonnast pärit 48 katte- ja paljasseemnetaimega

läbiviidud uuring näitas, et puidu suurem tihedus seostub 50%-lise hüdraulilise juhtivuse

kaotust (PLC50) indutseerivate rõhkudega (Hacke et al. 2001a).

Juhtelemente ühendavate pooride ehitus mõjutab samuti ksüleemi hüdraulilist

juhtivust, kavitatsioonitundlikkust ja juhtelemendi seina tugevust (Holbrook & Zwieniecki

2005). Embolite tekke tõenäosus juhtelementides on otseselt seotud pooride avade laiusega,

mitte juhtelementide diameetriga (Cruiziat et al. 2002), kuigi poorid moodustavad kõigest

6±1% trahheede seina pindalast (Hacke et al. 2006). Pooride juhtivus ning töökindlus on

omavahel lõivsuhtes, kuna vett paremini juhtivad poorid lasevad kergemini läbi ka

õhumulle (Holbrook & Zwieniecki 2005), sellest tulenevalt on suuremate pooridega

trahheed kavitatsioonitundlikumad (Hacke et al. 2006). Samuti mida rohkem leidub poore

trahhee kohta, seda haavatavam on juhtkude (Christman et al. 2012). Poori „pindala

hüpotees” seletab kompromissi kujunemist ksüleemi töökindluse ja efektiivsuse vahel.

Pooride pindala vähenemine trahhee kohta seostub kavitatsiooniriski vähenemisega ehk

töökindluse suurenemisega (Hacke et al. 2001a; Wheeler et al. 2005; Sperry et al. 2006).

On leitud, et üksikud kõige suuremad poorid mängivad olulist rolli trahhee

kavitatsioonitundlikuses. Koos pooride pindala vähenemisega trahhee kohta vähendab ka

trahhee kõige suurema poori keskmine suurus ja seega vähendab õhumullide läbivust

(Hacke et al. 2001a; Wheeler et al. 2005). Poori „pindala hüpotees” kehtib vaid

15

katteseemnetaimede näitel, paljaseemnetaimede kohta kogutud andmed ei kinnita vastavat

seost (Sperry et al. 2006). Paljasseemnetaimedele on iseloomulikud koobaspoorid, mis

väldivad kavitatsiooni levikut tihendina käituva läätskile abil. See sulgeb õhumulli läbipääsu

ühest juhtelemendist teise. Kaviteerumine toimub juhul, kui õhk pääseb tugeva surve all

läbipaindunud läätskile servast mööda (Cruiziat et al. 2002; Holbrook & Zwieniecki 2005).

Letaaalselt lõppeda võiva ksüleemi düsfuntsiooni vältimiseks on taimedel erinevad

strateegiad:

1. Embolismi vältimine ksüleemis õhulõhede sulgemisega, mis hoiab ksüleemi

rõhu kontrolli all (Holbrook & Zwieniecki 2005; Nardini et al. 2011a).

2. Kambiumi poolt uue ksüleemi tootmine (Nardini et al. 2011a; Nardini et al.

2011b), mis on iseloomulik rõngassoonelistel puudele, eriti tammeliikidele (Sperry

et al. 1994).

3. Gaasiga täitunud juhtelementide uuesti veega täitmine (Nardini et al. 2011a;

Nardini et al. 2011b); madala transpiratsiooni tingimustest suudavad taimed

emoliseerunud ksüleemielemente uuesti täita (Nardini et al. 2011b). Alla -1 MPa

küleemimahla pinge juures ilmnes Quercus gambelii kavitatsioon, juhtelementide

veega taastäitmine toimus rõhul alates -0.5 MPa (Christman et al. 2012). Positiivne

juurerõhk aitab samuti juhtkudesid uuesti veega täita (Sperry et al. 1994).

4. Samuti mängib floeem olulist rolli ksüleemi juhtelementide veega

taastäitmise mehhanismis (Christman et al. 2012; Nardini et al. 2011b).

Eksperimentaalselt on näidatud, et floeemi sälkamine inhibeerib Quercus gambelii

tüve hüdraulilise juhtivuse taastamist, s.t. trahheede veega täitmist (Christman et al.

2012).

Nii katte- kui ka paljasseemnetaimed on hoolimata anatoomilise ehituse kvalitatiivsetest ja

kvantitatiivsetest erinevustest osutunud taimeriigi evolutsioonis edukateks.

Katteseemnetaimede fülogeneetiline mitmekesisus on küll tunduvalt suurem, kuid

paljasseemnetaimed suudavad edukalt asustada kuivi, külmasid ja toitainetevaeseid

keskkondi. Kõige suuremad ja pikemad puud kuuluvad ka paljasseemnetaimede hulka.

Kumbki neist seemnetaimede rühmadest ei ole maailma ökoloogilist mitmekesisust vaadates

ühtlaselt domineeriv. Tõenöoliselt soodustab ka kompromiss puidu ehituse ja funktsiooni

vahel sellist kooseksisteerimist (Sperry et al. 2006).

16

1.5. Biootilised faktorid

Puude ksüleemi kaitsevad mikroorganismide rünnakute eest sekundaarsed kattekoed

(periderm) tüve ja okste välispinnal ning teiskoor (sekundaarne floeem). Lisaks sellele on

maltspuidul muid patogeenidevastaseid kaitsemehhanisme (Pearce 1996). Sellest hoolimata

võivad erinevad mikroorganismid, s.h. väikesed selgrootud, tungida puude kudedesse ning

vaskulaarpatogeenid neist oluliselt mõjutada taimede veevahetust. Bakterite, seente,

nematoodide ja putukate elutegevuse tagajärjel võib ksüleem ummistuda (Kramer & Boyer

1995) ning seeläbi võib väheneda taime hüdrauliline juhtivus (Parke et al. 2007; McElrone

et al. 2008; Collins et al. 2009). Seda tõestab mikroobidega saastumise ja erijuhtivuse

vähenemise korrelatsioon (Sperry et al. 1988b).

Ksüleemi hüdraulilist funktsiooni pärssivad bakterid on endofüütsed patogeenid, kes

elavad taimekudedes, eelkõige ksüleemielementides (Purcell & Hopkins 1996). Üks

tuntumaid taimehaigusi põhjustav ksüleemi transpordifunktsiooni pärssiv bakter on Xylella

fastidiosa (Purcell & Hopkins 1996; Hopkins & Purcell 2002; McElrone et al. 2008), kelle

poolt hüdraulilist düsfunktsiooni põhjustavaid haigusi iseloomustab geelide, vaikude ja

tüllide tootmine peremeestaimes ja/või bakteriaalsete polüsahhariidide ja rakkude

kuhjumine, mis mehaaniliselt ummistavad ksüleemi juhtelemendid (Hopkins 1989).

Katseliselt on tõestatud X. fastidiosa poolt põhjustatud ksüleemi hüdraulilise juhtivuse

langus lehtpuudes. Näiteks punase (Quercus rubra) ja sootamme (Quercus palustris)

nakatumisel langes leherootsude hüdrauliline juhtivus oluliselt võrreldes tervete puudega

(McElrone et al. 2008).

Nematoodid mõjutavad samuti vee kaugtransporti taimedes. Laialt levinud

puidunematood Bursaphelenchus xylophilus põhjustab männi närbumishaigust (ingl. k. pine

wilt disease, PWN), mis kahjustab ksüleemi (Fukuda 1997; Kuroda 2011; Ryss et al. 2011).

Veejuhteteede kahjustumine tüves viib lehes toimuvate füsioloogiliste muutusteni, mille

tulemusel langeb veepotentsiaal, vähenevad transpiratsiooni intensiivsus ja fotosüntees. See

võib viia ka fotosünteesi lakkamiseni, mille tagajärjel haigussümptomid kiiresti

progresseeruvad, seda eelkõige tänu nematoodide populatsiooni pahvatuslikule kasvule. Nii

virulentsed kui avirulentsed nematoodid põhjustavad õhumullide teket trahheiidides, kuid

virulentsed nematoodid tapavad lisaks sellele kambiumi rakke ja blokeerivad

ksüleemitranspordi täielikult (Fukuda 1997). Uuemad uuringud näitavad, et virulentsus on

tingitud nematoodi ja bakteri Pseudomonas fluorescens ektosümbioosist (Ryss et al. 2011).

17

Thunbergi männi (Pinus thunbergii) nakatamisel nematoodiga B. xylophilus

kaotavad ksüleemelemendid kiiresti oma juhtivuse (Kuroda 2011). Kuroda (2011)

katsetulemused viitavad sellele, et arvukate embolite tekke tõttu kaviteeruvad nakatunud

mändide trahheiidid grupiti, mispeale ei täideta neid enam veega. PWN-ga nakatunud

mändidel jätkub embolite teke ka öösel, kui transpiratsiooni lakkamise tõttu ksüleemimahla

pinge väheneb. Embolismi varases staadiumis on trahheiidid võimelised mõningal määral

veel veega täituma, kuid hilisemal perioodil tänu ksüleemielementide täielikule

blokeeringule ja kambiumi kärbumisele enam mitte (Kuroda 2011).

Seened mõjutavad samuti taimede veevahetust. Patogeensed seened tungivad kas

otse (Armillaria spp., Heterobasidion annosum) või mehaaniliste vigastuste kaudu

(Chondrostereum purpureum, Stereum gaiisapatum) maltspuitu ning võivad seal kiirelt

levivat ksüleemi kärbumist põhjustada (Pearce 1996). Munaseente hulka kuuluv

Phytophthora ramorum põhjustab pöögilistel erinevaid haigusi, näiteks tamme äkksurma,

lehe jahukastet ning kudede nekroosi (Parke et al. 2007). On tõestatud, et P. ramorum häirib

veetransporti taimes, mis viib lõpuks kogu puu hukuni (Parke et al. 2007; Collins et al.

2009).

Ka kiviviljak (Lithocarpus densiflorus) on väga tundlik P. ramorum infektsioonide

suhtes (Parke et al. 2007; Collins et al. 2009). Parke et al. (2007) katse näitas, et see

seeninfektsioon põhjustab antud liigil maltspuidu hüdraulilise erijuhtivuse alanemist. Kuna

nii nakatanud kui ka terve puu puidu anatoomias ei olnud olulisi erinevusi, oli nakatunud

isendite erijuhtivuse langus tingitud seeneniitide, klamüdospooride, tüllide ja arvatavasti ka

embolite poolt tekitatud takistusest (Parke et al. 2007). Collins et al. (2009) uuringu

kohaselt olid tüllide esinemissagedus ja ksüleemielementide hüdraulilise juhtivuse langus

omavahel seotud, kusjuures nakatanud ja terve puu puidu anatoomias erinevusi ei esinenud.

1.6. Ksüleemimahla keemilised omadused

Traditsiooniliselt on arvatud, et soontaimede ksüleemi hüdraulilise erijuhtivuse (k)

määravad üksnes anatoomilise ehituse iseärasused ja koe veega küllastatuse tase. Kuid

viimase aja uuringud näitavad, et lühiajalised k muutused võivad olla tingitud

ksüleemimahla katioonide sisaldusest. Seega ei saa ksüleemi veetransporti käsitleda

täielikult passiivse protsessina (Van Ieperen 2007; Nardini et al. 2011a). Idee, et

ksüleemimahla ioonide kontsentratsioon mõjutab taimede hüdraulilist juhtivust leiab

18

viimasel ajal järjest suuremat toetust (Van Ieperen 2007). Esimesena käsitles antud teemat

Martin Zimmmermann aastal 1978, kuid alles enam kui 20 aastat hiljem hakati neid

mehhanisme täpsemalt uurima (Nardini et al. 2011a).

Zwieniecki et al. (2001) leidsid, et reaktsioonina ksüleemimahla ioonide sisalduse

suurenemisele väheneb taimede hüdrauliline takistus kiiresti. Hariliku loorberipuu (Laurus

nobilis) okste voolutamine KCl lahusega näitas, et lahuse kontsentratsiooni tõstmisel 0-st

kuni 50 mM-ni kasvab voolu kiirus 2.5 korda. Kui KCl lahus asendati deioniseeritud veega,

alanes voolu kiirus esialgsele tasemele (Zwieniecki et al. 2001). Paljud uuringud kinnitavad

sama tendentsi mitmetel erinevatel liikidel (Zwieniecki et al. 2003; Van Ieperen & Van

Gelder 2006; Nardini et al. 2007; Aasamaa & Sõber 2010; Nardini et al. 2010; Trifilo et al.

2011). Kuue parasvöötme heitlehise puuliigiga läbiviidud katses suurenes ja vähenes tüve

ning leherootsude hüdrauliline juhtivus koos ksüleemimahla ioonide sisaldusega (Aasamaa

& Sõber 2010). Mitmes uuringus on tõestatud, et harilikul loorberipuul on hüdrauliline

juhtivus, ksüleemi erijuhtivus ja ksüleemimahla ioonide sisaldus omavahel seotud (Gasco et

al. 2006; Nardini et al. 2010; Trifilo et al. 2011).

Ioonse efekti suurus varieerub liigiti (Nardini et al. 2011a). 20 katteseemnetaimega

läbiviidud uuringus oli keskmine ioonne efekt +16.8% (Jansen et al. 2011), teises 30

katteseemnetaimega läbiviidud uuringus oli keskmine ioonne efekt tunduvalt suurem

+32% (Boyce et al. 2004). Kahe uuringu vahelisi erinevusi saab suure tõenäosusega

seletada erinevusega referentslahuste ioonide kontsentratsioonides (Jansen et al. 2011).

Boyce et al. (2004) avastasid väga kõrge ioonse efekti sõnajalgadel: 5 sõnajalaliigi

keskmine on +68%. Paljasseemnetaimedel ioone efekt tunduvalt väiksem: k suurenes samas

uuringus kõigest 10% võrra. Autorid seostasid neid erinevusi ksüleemirakkude seinte

puitumise astmega, mis on madalaim sõnajalgtaimedel ja kõrgeim paljasseemnetaimedel.

Sellest tulenevalt järeldati, et ioonide poolt vahendatud k suurenemine on tingitud rakuseina

puitumata osas paiknevatest hüdrofiilsetest polüsahhariididest (Boyce et al. 2004).

Kehtivate arusaamade kohaselt sisaldavad ksüleemirakkude vaheliste pooride

membraanid pektiini maatriksit (geelina tselluloosfibrillide peal), mis pundub/paisub

ksüleemimahla madala ioonide kontsentratsiooni korral. Paisumine toimub ka siis, kui poore

läbib destilleeritud vesi. Juhul kui ksüleemimahla ioonide sisaldus on kõrge, siis pektiini

maatriks tõmbub kokku. Selle tulemusel poori membraanis olevad nanoavad suurenevad,

võimaldades ajaühikus suuremate vooluhulkade läbimist (joon. 2). Kokkuvõttes suureneb

sellega ksüleemi erijuhtivus (Zwieniecki et al. 2001; Nardini et al. 2011a).

19

Joonis 2. Metalli katioonide poolt pooride membraanides indutseeritud muutused ja nende

mõju vooluhulkadele (Nardini et al. 2011a).

Tõenäoliselt on tegemist mehhanismi lihtsustusega, kuna täpsemal uurimisel on saadud

vastuolulisi tulemusi (Nardini et al. 2011a). Cochard et al. (2010) leidsid, et mõningal juhul

KCl lahusega tehtud mõõtmistel ksüleemi hüdrauliline juhtivus hoopis väheneb, kui seda

võrrelda deioniseeritud veega tehtud katsetega. Sellise reaktsiooni põhjuseks võib olla

asjaolu, et mõningate liikide ksüleemipooride membraanid võivad käituda nagu

geelitaolised mittepoorsed struktuurid (Cochard et al. 2010). Zwieniecki et al. (2001)

tõestasid, et antud protsess toimub ka elusates taimedes. Vääristubaka (Nicotiana tabacum)

varrelõikude voolutamisel 7 mM tehisliku ksüleemimahlaga suurenes taimede vee

omastamise efektiivsus, lahuse asendamisel deioniseeritud veega langes vee omastamise

efektiivsus endisele tasemele. Taimede varustamisel deioniseeritud veega selliseid muutusi

ei täheldatud (Zwieniecki et al. 2001).

Enamik uurijaid kasutab ioonse efekti testimiseks KCl lahust (Zwieniecki et al.

2001; Zwieniecki et al. 2003; Gasco et al. 2006; Gasco et al. 2008; Aasamaa & Sõber 2010;

Cochard et al. 2010; Jansen et al. 2011), kuid mõnes uuringus on kasutatud ka NaCl lahust,

samas NaCl efekt on väiksem kui KCl-l (Gasco et al. 2006; Gasco et al. 2008), kuna K+ on

ksüleemimahla kõige olulisemaid ioone. Need moodustavad umbes 50% ksüleemimahlas

lahustunud anorgaanilisest ainetest (Herdel et al. 2001) ja seega sobivad kõige paremini

katioonide sisaldusest põhjustatud ksüleemi hüdraulilise juhtivuse muutuste hindamiseks

(Nardini et al. 2011a). Referentslahusena on kasutatud enamasti deioniseeritud vett

20

(Zwieniecki et al. 2001; Zwieniecki et al. 2003; Gasco et al. 2006; Gasco et al. 2008;

Aasamaa & Sõber 2010; Cochard et al. 2010), kuid selle kasutamine on problemaatiline,

sest deioniseeritud vesi võib muuta proovi hüdraulilist juhtivust, kuna ei ole tegemist

bioloogilise lahusega. Seetõttu ei ole deioniseeritud vesi võrreldav küleemimahlaga (Van

Ieperen & Van Gelder 2006; Van Ieperen 2007), mis sisaldab alati väikestes kogustes

erinevaid ioone, sealhulgas K+, Ca

2+ ja Mg

2+ (Herdel et al. 2001). Krüsanteemil

(Chrysanthemum sp.) ja harilikul loorberkirsipuul (Prunus laurocerasus) läbiviidud katsed

viitavad sellele, et ioonide vahendatud varre hüdraulilise takistuse muutused ei ole looduses

nii suured, kui on leitud deioniseeritud vee kasutamisel referentslahusena, seetõttu on

intaktsetes taimedes toimuvad ioonide poolt moduleeritud veevoolu muutuseid tõenäoliselt

ülehinnatud (Van Ieperen & Van Gelder 2006).

Ioonse efekti mõju ksüleemi erijuhtivusele ja takistusele on suurim madalate

katioonide kontsentratsioonide (0-10 mM) korral (Zwieniecki et al. 2001; Van Ieperen &

Van Gelder 2006). Küllastusefekti avaldumine väga madalate katioonide

kontsentratsioonide juures viitab samuti asjaolule, et taimedes toimuvaid ioonide

vahendatud juhtivuse muutuseid on deioniseeritud vee kasutamisel referentsina suure

tõenäosusega ülehinnatud. In planta ei toimu nii suuri ioonide poolt põhjustatud hüdraulilise

juhtivuse muutuseid (Van Ieperen 2007).

Puutüve mõnetunnine voolutamine keeva veega või tüve külmutamine vedela

lämmastikuga ei mõjuta ioonide poolt vahendatud veevoolu suurenemist (Zwieniecki et al.

2001; Gasco et al. 2006). Seega elusad rakud ei põhjusta ksüleemi takistuse muutusi

(Zwieniecki et al. 2001). Samas mõned uuringud näitavad, et ksüleemi hüdrauliline takistus

on seotud ksüleemi ümbritseva floeemiga. Seoes floeemi sälkamisega väheneb punasel

(Acer rubrum) ja suhkruvahtral (Acer saccharum) ksüleemimahla ioonide sisaldus, mis

viitab ioonide aktiivsele liikumisele (retsirkulatsioon) floeemist ksüleemi (Zwieniecki et al.

2004). Loomulik ksüleemimahla pH (5.8-8.0) ei mõjuta oluliselt vooluhulga muutusi, kuid

märkimisväärselt madalam pH (2.5) suurendab seda oluliselt (Zwieniecki et al. 2001),

kusjuures madala pH-ga (pH<3) voolutamine hoiab ära pikemas ajaskaalas toimuvat

erijuhtivuse vähenemist (Sperry et al. 1988b). Gasco et al. (2008) uuringus kaasnes K+ poolt

indutseeritud hüdraulilise juhtivuse tõusuga järsk ksüleemimahla pH alanemine: pH alanes

6-lt 5-le. Sarnased erijuhtivuse ja pH muutused toimuvad ka kuuma veega voolutatud

tüvelõikudes (Gasco et al. 2008). Arvatakse, et lahuse hapestumine on tingitud

ioonvahetusest H+ asendamisega metalli katioonidega mittedissotsieerunud

karboksüülrühmadega pektiini ahelates (Gasco et al. 2006). Sperry et al. (1988) uuringus

21

leiti, et madala pH-ga (1.8-2.0) 20 mM oksaalhappe ja 0.1 mM kaltsiumkloriidiga

voolutamine suurendab trahheede läbitavust veele, sellega kaasnes ühtlasi

kavitatsioonitundlikkuse suurenemine. Efekt esines ka 2 mM oksaalhappe ja 0.1 mM CaCl2

lahuse kasutamisel. Üksnes 10 või 20 mM oksaalhappega (pH 1.8-2.0) voolutamine ei

mõjutanud läbilaskevõimet, seega suurenenud juhtivus polnud antud juhul tingitud otseselt

pH-st (Sperry & Tyree 1988a).

Katsetes on leitud, et lühiajaline KCl-ga väetamine (25 mM KCl-ga kastmine)

suurendab ksüleemimahala kaaliumisisaldust, samas aga ei mõjuta see juurte ja lehtede

kaaliumisisaldust. 24 tundi peale väetamist läbi viidud mõõtmised näitasid, et väetamine

suurendab kogu taime hüdraulilist juhtivust (~30%), transpiratsiooni (~45%) ning võrse

erijuhtivust lehe pinnaühiku kohta (~120%; Oddo et al. 2011).

Ksüleemimahlas leiduv Ca2+

arvatavasti inhibeerib K+ poolt vahendatud hüdraulilise

juhtivuse muutuseid taimedes (Van Ieperen 2007). Van Ieperen et al. (2006) leidsid, et juba

väike Ca2+

sisaldus referentslahuses pärsib nii krüsanteemil kui loorberkirsipuul K+

stimuleerivat efekti langus kuni 95% (Van Ieperen & Van Gelder 2006). Sarnane efekt on

leitud suhkruvahtral (Acer saccharum), harilikul tomatil (Lycopersicon esculentum),

harilikul saarel (Fraxinus excelsior), harilikul viinapuul (Vitis vinifera) ja harilikul

pruudisõlel (Zinnia elegants; Van Ieperen 2007). Ca2+

mõju uurides on saadud ka

teistsuguseid tulemusi. Nardini et al. (2007) uuringus esines nii hariliku loorberkirsipuu,

kahekojalise kermesmarja (Phytolacca dioica) kui ka hariliku jaanikaunapuu (Ceratonia

siliqua) veega küllastatud võrsetes analoogiline Ca2+

sõltuv erijuhtivuse inhibeerimisfekt,

kuigi see ei olnud nii tugev (kuni 60%). Harilikul loorberipuul ja pirnloorberil (Persea

gratissima) antud efekti aga ei leitud. Lisaks sellele ei mõjutanud Ca2+

samade liikide

emboliseerunud võrsete hüdraulilist juhtivust. Seega ei saa käsitelda Ca-sõltuvat ioonse

efekti inhibitsiooni universaalse nähtusena (Nardini et al. 2007).

Valguse intensiivsus mõjutab puu anatoomilist ehitust (Lemoine et al. 2002), mis

omakorda mõjutab taime hüdraulilist juhtivust ja puidu erijuhtivust (Lemoine et al. 2002;

Sellin et al. 2010). Ka K+ sisaldus ksüleemimahlas sõltub valguse intensiivsusest

tingimustes, milles taim on kasvanud (Nardini et al. 2010; Sellin et al. 2010). Hariliku

loorberipuu valgusele eksponeeritud okste ksüleemimahla K+ kontsentratsioon oli 12 mM

ning varjuokstel 3 mM need näitajad olid heas kooskõlas võrsete hüdraulilise juhtivusega.

Valgusokste hüdrauliline juhtivus oli keskmiselt 60% kõrgem kui varjuokstel (Nardini et al.

2010).

22

Ksüleemimahla ioonset sisaldut iseloomustab päevane ja sesoonne dünaamika.

Päeva kõige kuumematel tundidel ja aasta kõige soojematel kuudel on kaaliumioonide

sisaldus keskmisest kõrgem. Kõrge transpiratsiooni intensiivsusega perioodidel suurendab

kõrgem ioonide sisaldus ksüleemi hüdraulilist võimekust. Ksüleemi hõõrdetakistuse

vähendamine võimaldab rohkem vett lehtedesse transportida, mis omakorda pidurdab

veepotentsiaali langust ja lehekudede dehüdratatsiooni (Nardini et al. 2011a).

Vahemerelises kliimas tehtud uuringud kinnitavad seda tendentsi: kuivadel ja soojadel

suvekuudel kasvab K+ sisaldus ksüleemimahlas võrreldes kevadkuudega (Trifilo et al.

2008). Samas hariliku loorberipuuga tehtud uuring näitab, et kogu aasta lõikes on

vahemerelises kliimas kõige kõrgem ioonide poolt indutseeritud hüdraulilise erijuhtivuse

tõus hoopis talvel (kuni +120% veebruaris) ja kõige madalam efekt on kasvuperioodil (kuni

+20%; Gasco et al. 2007).

K+ sisaldus harilikku loorberipuu ksüleemimahlas ning ksüleemi erijuhtivus lehes ja

tüves on keskpäeval kõrgemad (nii kuivastressi all kannatavatel kui ka kontrolltaimedel) kui

varahommikul (Trifilo et al. 2011). Kuivastressi all kannatavate taimede K+ sisaldus

keskpäeval oli omakorda kõrgem kui kontrolltaimedel, kuigi nende hüdraulilises juhtivuses

ei täheldatud erinevusi. On leitud, et ioonide poolt indutseeritud hüdraulilise juhtivuse tõus

on emboliseerunud tüvedes suurem kui veega küllastatud tüvedes ning see korreleerub

positiivselt erijuhtivuse ja ksüleemi emboliseerumise määraga (Nardini et al. 2007).

Ksüleemimahla K+ sisalduse ja tüve hüdraulilise erijuhtivuse päevased muutused on

tõenäoliselt seotud valguse intensiivsuse tõusuga (Trifilo et al. 2011). Ksüleemimahla K+

sisalduse ja tüve hüdraulilise erijuhtivuse sesoonsed muutused võivad olla seotud

trahheedevahelistes poorides lokaliseeritud neutraalsete ja dissotsieerunud –COOH rühmade

vahelise tasakaaluga. Talvel on dissotsieerunud karboksüülrühmade osakaal suurem. See

võib olla taimede kohastumuslik vastus talvistele miinuskraadidele. Suurem hulk

dissotsieerunud karboksüülrühmi muudab pooride membraanid kompaktsemaks, tänu

millele suudavad nad paremini vee külmumisest tekkinud kahjustustele vastu seista (Gasco

et al. 2007).

Harilikul loorberipuu kavitatsioonist põhjustatud erijuhtivuse vähenemine (PLC)

võrreldes täisküllastatusega langeb kokku ioonide poolt vahendatud hüdraulilise erijuhtivuse

tõusuga. PLC on samuti kõige suurem talvel – detsembris ja veebruaris üle 65% ning

jaanuaris koguni üle 80%. Tugev negatiivne korrelatsioon ioonide poolt vahendatud

hüdraulilise erijuhtivuse muudu (Δk) ja minimaalse õhutemperatuuriga viitab sellele, et Δk

on seotud ksüleemi kaviteerumise astmega (Gasco et al. 2007). Veesamba katkemine ehk

23

kavitatsioon juhtelementides blokeerib ksüleemimahla aksiaalse liikumise, kuid tänu

juhtelementide radiaalsuunalistele ühendustele saab vesi siiski ülespoole liikuda (Cochard et

al. 2010). Ksüleemimahlas sisalduvad ioonid mõjutavad oluliselt just selle radiaalsuunalise

raja juhtivust (Cochard et al. 2010; Trifilo et al. 2011). Sellest tulenevalt saab kuivastressi

all kannatavate taimede ksüleemi emboliseerumisest tingitud hüdraulilise juhtivuse langust

kompenseerida veel töötavate juhtelementide hüdraulilise juhtivuse suurendamisega, mis

toimub sünkroonselt koos ksüleemimahla ioonide sisalduse ja radiaalsuunalise juhtivuse

suurendamisega (Zwieniecki et al. 2001; Cochard et al. 2010; Trifilo et al. 2011; Nardini et

al. 2011a). Jansen et al. (2011) leidsid ioonide poolt indutseeritud hüdraulilise juhtivuse

suurenemise ja naabertrahheedega kattumise määra (FC; ingl. k. intervessel contact fraction)

vahel positiivse korrelatsiooni. 20 katteseemnetaimega läbiviidud uuringus esines liikidel,

mille FC<0.1 ioonne efekt vahemikus 2-17%, samas liikidel mille FC>0.1 jäi ioonne efekt

vahemikku 10-32% (Jansen et al. 2011). On leitud, et K+ (20 mM KCl) suurendavad

tomatil (Lycopersicon esculentum) radiaalsuunalist veejuhtivust tunduvalt rohkem kui

aksiaalselt: vastavalt ~50% ja ~20%. See on hästi jälgitav ebaühtlaselt veega täitunud

juhtelemendides. Ühtlaselt veega täitunud juhtelementidel on ioonide poolt vahendatud

radiaalsuunaline vool takistatud (Zwieniecki et al. 2003).

Kaudset tehnikat kasutades leidsid Cochard et al. (2010), et poorimembraanide

läbitavus õhumullidele pole seotud ksüleemimahla ioonse koostisega, kuna enamiku uuritud

liikide puhul ei tuvastatud ioonse efekti ja kavitatsioonitunlikkuse vahelist seost. Ainult

kahel liigil seitsmest (Pinus sylvestris ja Salix alba) leiti nõrk seos eelmainitud näitajate

vahel. Lisaks sellele ei sõltunud embolite tekke tõenäosus enamikel liikidel ksüleemimahla

keemilisest koostisest (Cochard et al. 2010). Selleks, et paremini mõista ksüleemi

poorimembraanide talitlemist ja lõplikult kindlaks teha ioonse efekti olemus, on vaja

juhtelemente ühendavate pooride membraanide ehituse ja keemilise koostise kohta

detailsemat informatsiooni (Cochard et al. 2010; Nardini et al. 2011a).

Selge on üks ksüleemimahla K+ kontsentratsioon mõjutab oluliselt hüdraulilist

juhtivust nii katteseemnetaimedes kui ka okaspuudes (Zwieniecki et al. 2001). Nii nagu

hüdrauliline juhtivus ja puidu erijuhtivus on liigispetsiifilised (De Micco et al. 2008),

varieerub ka ioonse efekti suurus liigiti (Nardini et al. 2011a). Ioonset efekti põhjustava

mehhanismi lõplik kindlakstegemine vajab veel täiendavat informatsiooni, seetõttu on

sellekohased uuringud vajalikud ja aktuaalsed.

24

1.7. Töö eesmärgid

Senised uuringud kinnitavad, et ksüleemimahla katioonide sisalduse moduleerimise teel

saavad taimed reguleerida ksüleemi hüdraulilist erijuhtivust (Van Ieperen 2007; Nardini et

al. 2011a). Ometi vajab ioonset efekti põhjustava mehhanismi lõplik kindlakstegemine

täiendavaid uuringuid. Käesoleva magistritöö eesmärgiks on uurida heitlehiste puude

ksüleemimahla K+ sisalduse ja hüdraulilise juhtivuse vahelisi seoseid, võttes vaatluse alla

valguse kvaliteedi ja intensiivsuse, õhuniiskuse tõstmise ja floeemi sälkamise mõju nende

kahe tunnuse vahelisele seosele.

Käesolev magistritöö on valminud Eesti Teadusfondi poolt finantseeritava projekti

“Atmosfääri suureneva õhuniiskuse mõju metsapuude veevahetusele ja hüdraulilisele

arhitektuurile” (ETF grant nr. 8333) ning Haridus- ja Teadusministeeriumi

sihtfinantseeritava projekti „Ökosüsteemi süsiniku ja veevoogude interaktsioon muutuvas

keskkonnas” (SF0182732s06) raames.

25

2. Materjal ja metoodika

2.1. Proovialade iseloomustus ja katsete korraldus

Välitööd toimusid Tartumaal Meeksi vallas kahel proovialal aastatel 2009-2011. Aastane

keskmine sademete hulk piirkonnas on 650 mm, keskmine temperatuur juulis on 17.0°C ja

jaanuaris -6.7°C. Vegetatsiooniperiood kestab piirkonnas tavaliselt 175-180 päeva, aprilli

keskpaigast oktoobrini. Keskmine aastane lühilainelise kiirguse hulk on 3518 MJ m-2

ja

kiirgusbilanss 2552 MJ m-2

.

Esimene katse (Valguskatse) viidi läbi arukase (Betula pendula Roth) lõigatud

võrsetel labori tingimustes 2009. aasta juulis-augustis. Võrsed toodi proovialalt, mis asub

Liispõllu küla serval (58°16' N, 27°16' E, kõrgus merepinnast 40 m), jänesekapsa-mustika

kuusiku ning angervaksa kaasiku piirimail gleistunud pseudoleetunud mullal. Puurindes on

domineerivateks liikideks harilik kuusk (Picea abies L.) ning arukask. Proovipuudeks olid

kolm umbes 25-30 aastast arukaske, mille võradele ligipääsemiseks kasutati

ehitustellingutest torni. Proovipuude kõrgus oli 16.8-19.4 m, diameeter rinna kõrguselt 11.6-

16.2 cm; proovivõrsed lõigati võra ülemisest (valgusoksad) ja alumisest (varjuoksad)

kolmandikust. 20-40 cm pikkused võrsed lõigati katsele eelneval õhtul vee all ja hoiti üleöö

plastikpudelites deioniseeritud, filtreeritud (Direct-Q3 UV veepuhastussüsteem; Millipore

SAS, Prantsusmaa) ja degaseeritud vee (T-04-125 ultraheli-vaakumdegasaator; Terriss

Consolidated Industries, Ameerika Ühendriigid) sees pimedas ruumis.

Ülejäänud katsed toimusid Rõka külas (58º14'N, 27º17'E, kõrgus merepinnast 40-48

m) asuval metsaökosüsteemi õhuniiskusega manipuleerimise (FAHM) katsealal suvekuudel

2009-2011. FAHMi katseala on rajatud 2006.-2007. a. mahajäetud põllule, kus 2.7 hektarile

on püstitatud 9 prooviringi diameetriga 14 m. Igasse ringi on istutatud 196 puud tihedusega

10 000 puud ha-1

, ühe poole ringist katavad arukased ja teise poole hübriidhaavad (Populus

tremula L. × P. tremuloides Michx.) Kõiki prooviringe ümbritseb puhvertsoon, kuhu on

istutatud hübriidhaavad tihedusega 2500 puud ha-1

. Kolmes prooviringis (H1, H2, H4)

toimub õhuniiskuse kunstlik suurendamine ümbritseva õhu suhtes ning kolm ringi on

kontrollalad (C1 ,C2, C4). Suhteline õhuniiskus on niisutatavatel aladel keskmiselt 7%

kõrgem kui kontrollaladel. Lisaks on töös veel kolm open-top-tüüpi katseala, kus toimub

õhuniiskuse suurendamine (H3), alandamine (D1) ning üks neist on kontrollala (C3).

26

Õhuniiskusega manipuleerimise eksperimendi tehnilise lahenduse ja katseala detailsem

kirjeldus on esitatud Kupper et al. (2011) artiklis.

Suurenenud õhuniiskuse mõju puude hüdraulilisele arhitektuurile (Õhuniiskusega

manipuleerimise katse) uuriti eksperimentaalselt 2009. ja 2011. aasta juulis-augustis. 2009.

a. toimunud katseteks valiti igast katseringist välja 2 arukaske, mõõtmisi teostati kokku

kuuel katseringil: kolmel niisutataval (H1, H2, H4) ja kolmel kontrollalal (C1 ,C2, C4).

2011. a. viidi sama katse läbi hübriidhaavaga, kuid igast prooviringist (H1, H2, H4, C1 ,C2,

C4) valiti mõõtmisteks välja 3 puud.

2010. aasta juulis-augustis korraldati katse kaaliumioonide retsirkulatsiooni

uurimiseks floeemi sälkamise meetodil (Floeemi sälkamise katse). Katses kasutati kümmet

5-aastast puhvertsoonis kasvavat hübriidhaaba keskmine kõrgusega (S.E) 4.00.09 m.

2.2. Ksüleemi hüdraulilise juhtivuse määramine

Ksüleemi hüdraulilise juhtivuse määramiseks kasutati kahte erinevat meetodit –

evaporatiivse voo ja kõrgsurve meetodit. Floeemi sälkamise katses rakendati evaporatiivse

voo meetodit. Selle meetodi korral mõõdeti veevoogu lehepinnalt poromeetriga (LI-1600M

difusiooniporomeeter; Li-Cor Biosciences, Ameerika Ühendriigid) ning liikumapanevat

jõudu veepotensiaalide erinevuse alusel, kasutades selleks Scholanderi-tüüpi rõhukambrit.

Kõrgsurve meetodit kasutati õhuniiskusega manipuleerimise ja valguskatsetes. Selle

meetodi korral mõõdeti nii veevoogu kui rõhugradienti kõrgsurve voolumõõtjaga (HPFM;

Dynamax, Ameerika Ühendriigid), töötades kvaasi-statsionaarsel režiimil.

2.2.1. Valguskatse

Valguskatse eesmärgiks oli hinnata valguse kvaliteedi mõju lehe hüdraulilisele juhtivusele.

Võrseid eksponeeriti erineva kvaliteediga valgusele (valgusvoo tihedus 200-250 μmol m-2

s-

1): sinine valgus spektraalse emissioonimaksimumuga 450-460 nm selleks kasutati metall-

haliid lampe Artcolour MH-T Blue, 400 W (Philips, Holland); valge valgus, laia

spektriribaga 550-710 nm selleks kasutati kõrgsurve-naatrium lampe Master SON-T PIA

Agro, 400 W (Philips); punane valgus emissioonialaga üle 600 nm selleks kasutati Master

SON-T PIA Agro lampe koos 026 Bright Red valgusfiltritega (Lee Filters, Suurbritannia).

Valguse intensiivsust reguleeriti lampide kauguse muutmisega võrsetest. Lokaalsete

temperatuurigradientide vältimiseks tekitati ventilaatoriga võrset ümbritseva õhu liikumine.

27

Oksa hüdrauliline juhtivus (KB; s.t. võrse ilma lehetedeta) määrati kõrgsurve voolumõõtjaga

pärast lehelabade ja -rootsude mõõtmist ning eemaldamist. Mõõtmiste ajal määrati ja

salvestati lehe ja oksa temperatuurid MT2 temperatuurianduri ning DL2e andmisalvestiga

(Delta-T Devices, Suurbritannia). Pärast hüdraulilisi mõõtmisi loeti lehtede arv ja määrati

AM300 digitaalse pindalamõõtjaga (ADC BioScientific, Suurbritannia) lehelabade pindala.

Hüdraulilise juhtivuse andmed korrigeeriti vastavalt vee dünaamilisele viskoossusele

temperatuuril 24°C ja väljendati lehelaba pindalaühiku kohta. Kokku määrati valguskatses

hüdrauliline juhtivus 108 võrsel (3 puud × 2 võra asendit × 3 erinevat valgust × 3

ekspositsiooni aega × 2 kordust). Detailne katse kirjeldus on leitav Lisas 1.

2.2.2. Õhuniiskusega manipuleerimise katse

Õhuniiskusega manipuleerimise katses lõigati proovioksad arukaskedelt kolmelt kõrguselt:

keskmiselt 53 cm (keskmine pikkus 91 cm), 177 cm (keskmine pikkus 112 cm) ja 227 cm

(keskmine pikkus 91 cm) maapinnast. Kokku mõõdeti 36 proovioksa (2 töötlust × 3

prooviringi × 2 puud × 3 võra asendit). Oksa alused lõigati vee all üle ning hüdrauliline

juhtivus määrati koheselt valgusvoo tihedusel 120-150 μmol m-2

s-1

(Master SON-T PIA

Agro lambid). Lokaalsete temperatuurigradientide vältimiseks hoiti oksa ümbritsev õhk

ventilaatori abil liikumises. Okste ja nende osade (lehtedeta vars, leherootsud ja lehelabad)

hüdraulilise juhtivuse määramiseks kasutati kõrgsurve meetodit, nii nagu kirjeldatud

valguskatse juures. Pärast HPFM-ga stabiilse näidu saamist lehtedeta oksal, lõigati oksa

ülemine osa ära. Allesjäänud 15-20 cm pikkune oksa basaalne osa jäeti ühendatuks HPFM-

ga. Seda voolutati uuesti oksapuidu hüdraulilise erijuhtivuse (kB) hindamiseks, mis arvutati

valemiga:

X

seg

BA

lKk

, (7)

kus Kseg on oksalõigu hüdrauliline juhtivus, l on lõigu pikkus ja AX on ksüleemi

ristlõikepindala. Peale hüdraulilisi mõõtmisi koguti kõik lehelabad kokku ning mõõdeti LI-

3100C optilise pindalamõõtjaga (Li-Cor Biosciences) nende summaarne pindala.

Hübriidhaavaga toimus katse sama skeemi kohaselt. Proovioksad lõigati samuti kolmelt

kõrguselt: keskmiselt 88 cm (keskmine oksa pikkus 97 cm), 234 cm (keskmine oksa pikkus

121 cm) ja 377 cm (keskmine oksa pikkus 95 cm) maapinnast. Kokku oli 54 proovioksa (2

töötlust × 3 prooviringi × 3 puud × 3 võra asendit). Hüdraulilise juhtivuse andmed

korrigeeriti 2009. aastal vee viskoosusega temperatuuril 22°C ja 2011. aastal temperatuuril

25°C ning väljendati lehelaba pindalaühiku kohta. Detailne katse kirjeldus on leitav Lisas 2.

28

2.2.3. Floeemi sälkamise katse

Selles katses valiti 10 katsepuul hüdraulilisteks mõõtmisteks kaks sama suurt oksa

(keskmine kõrgus 1293.6 cm ja pikkus 1474.4 cm) – üks oks floeemi sälkamiseks ja teine

kontrolliks. Manipuleeritavalt oksalt eemaldati žiletiga ksüleemi kahjustamata kaks 1 cm

laiust kooreriba (teiskoor ja floeem) – üks osa aluselt ja teine 15 cm sellest kõrgemalt.

Sälgatud kohad kaeti koheselt silikoonmäärdega ja mähiti kuivamise vältimiseks tihedalt

teibiga. Esimesed hüdraulilised mõõtmised viidi läbi vahetult enne floeemi sälkamist,

järgnevad mõõtmised aga 1, 2 ja 3 päeva pärast sälkamist. Hüdraulilise juhtivuse

mõõtmiseks kasutati evaporatiivse voo meetodit. Igal oksal mõõdeti kaheksal lehel juhtivus

veeaurule (gL), transpiratsiooni intensiivsus (E) ja lehe temperatuur, selleks kasutati LI-

1600M poromeetrit. Liikumapanevat jõudu hinnati veepotentsiaalide erinevuse kaudu.

Okste ksüleemi veepotentsiaal (ΨB) määrati pakitud lehtede meetodil (Nardini et al. 2001;

Brodribb & Holbrook 2003): mittetranspireeriva (pakitud) lehe veepotentsiaal eeldatakse

olevat tasakaalus oksa ksüleemi veepotenstiaaliga. Antud katses kasutati proovioksaoksa

kohta 2 eelmisel õhtu ette valmistatud lehte. Võra alumises osas tüve läheduses pakiti veel

täiendavalt 2 lehte, mis mõõdeti vahetult enne päikesetõusu. Saadud tulemusi kasutati mulla

veepotentsiaali (ΨS) hinnanguna. Ksüleemi hüdrauliline juhtivus (KX) arvutati Ohmi seaduse

analoogile tuginedes:

,X

E

K (8)

kus on veepotentsiaali langus teekonnal juur-muld piirpinnalt kuni leheni (ΨS-ΨB).

Hüdraulilise juhtivuse andmed korrigeeriti vee viskoosusega temperatuuril 25°C ning

väljendati lehelaba pindalaühiku kohta.

2.3. Ksüleemimahla kogumine ja kaaliumioonide sisalduse määramine

Ksüleemimahla ekstraheerimiseks lõigati prooviokstelt või -võrsetelt kõik lehed. Kõikides

katsetes eemaldati floeemimahlaga saastumise vältimiseks okste/võrsete lõigatud otstelt

umbes 3 cm pikkuselt koor. Seejärel loputati lõikekoht deioniseeritud veega, kuivati

filterpaberiga ja asetati rõhukambrisse (Model 1000; PMS Instrument Company, Ameerika

Ühendriigid) nii, et ots jääks välja. Ksüleemimahl ekstraheeriti okstest aeglaselt rõhku tõstes

kuni 20-25 MPa-ni, eralduv mahl koguti 1.5 ml Eppendorfi katsutitesse. K+ sisaldus mahlas

mõõdeti koheselt C-131 kaaliumioonide mõõtjaga (Horiba, Jaapan).

29

Õhuniiskusega manipuleerimise katses mõõdeti K+

sisaldust paralleelselt kahes

samalt puult lähedaselt kõrguselt võetud oksas – hüdraulilisteks mõõtmisteks kasutatud

oksas ja sellele kõige lähemal asetsevas oksas, mida ei voolutatud. Ka valguskatses

mõõdeti K+ sisaldust paralleelselt kahes võrses – hüdraulilisteks mõõtmisteks kasutatud

võrses ja lisavõrses, mis lõigati samalt puult ja kõrguselt.

Floeemi sälkamise katses lõigati peale muude mõõtmiste lõppemist (s.t. kolmandal

päeval peale sälkamist) puult proovioksad (sälgatud ja kontroll) ja eemaldati lehed. Seejärel

pressiti välja ksüleemimahl nagu eelnevalt kirjeldatud ja määrati K+

sisaldus. Lisaks sellele

mõõdeti veel nii ksüleemimahla elektrijuhtivus (Twin Cond B-173 konduktomeeter, Horiba)

kui ka summaarse ioonse kontsentratsiooni indeks ja pH (Twin B-212 pH meeter, Horiba).

2.4. Andmete analüüs

Algandmed sisestati programmi MS Excel 2003 (Microsoft Corp., Ameerika Ühendriigid),

kus viidi läbi esmased arvutused. Andmete statistiliseks töötluseks kasutati programmi

Statistica 8.0 (StatSoft Inc., Ameerika Ühendriigid). Esmalt kontrolliti andmete vastavust

normaaljaotusele, milleks kasutati Kolmogorov–Smirnovi testi. Enamik mõõdetud

parameetritest olid normaaljaotusega, ülejäänute puhul piisas normaaljaotuse saavutamiseks

logaritmilisest teisendustest. Erinevate tunnuste mõju analüüsimiseks kasutati

dispersioonanalüüsi (GLM moodul), kasutades analüüsides IV tüüpi ruutude summat juhul,

kui polnud tegemist täielikult tasakaalustatud andmestikuga ning III tüüpi ruutude summat

tasakaalustatud andmestiku puhul. Dispersioonide homogeensuse nõue (kontrollitud Levene

testiga) oli kõigi teostatud analüüside puhul täidetud. Uuritavate tunnuste keskmiste

erinevuste olulisust hinnati Tukey HSD testi abil. Kaaliumioonide sisalduse ja hüdraulilise

juhtivuse vaheliste seoste uurimiseks rakendati lineaarset regressioonanalüüsi, samas kui

oksa ksüleemimahla kaaliumioonide sisalduse ja elektrilise juhtivuse vahelise seose

hindamiseks kasutati mittelineaarset regressiooni.

30

3. Tulemused

3.1. Valguskatse

Valguskatsest selgus, et suurtel looduslikus puistus kasvavatel arukaskedel on võra asendil

oluline mõju lehtedeta oksa hüdraulilisele juhtivusele (KB), samuti ksüleemimahla K+

sisaldusele nii voolutatud kui ka voolutamata võrsetes (tabel 1). Valgusvõrsete KB oli

keskmiselt 1.2 korda kõrgem kui varjuvõrsete KB. Samuti oli valgusokstes K+ sisaldus

kõrgem kui varjuokstes – voolutatud võrsetes 37% ja voolutamata võrsetes 36%, sealjuures

voolutamata võrsetes oli [K+] keskmiselt 1.3 korda suurem kui voolutatud võrsetes (joon. 3).

Lisaks sellele avaldas olulist mõju oksa hüdraulilisele juhtivusele (KB) oksa

valgusele eksponeerimise aeg (tabel 1). KB statistilisel analüüsil selgus, et ükski asendi,

valguse kvaliteedi ja oksa valgusele eksponeerimise aja vahelistest koomõjudest pole

oluline. Valgusokste KB langes 5 tunni jooksul sõltumata valguse kvaliteedist 23% ning

varjuokstel 10%. Valgusokstes 1. ja 3. tunni vahel toimunud KB langus osutus statistiliselt

oluliseks (joon. 4).

Valguse spektri mõju osutus oluliseks vaid voolutatud okste ksüleemimahla K+

sisaldusele ([K+]1; tabel 1). Tukey testi järgi esines voolutatud okste ksüleemimahla K

+

sisalduse osas oluline erinevus üksnes valgusokste punase ja varjuokste sinise

valgusvariandi keskmiste vahel (P=0.027; joon. 5). Regressioonanalüüsiga tuvastati

lineaarne seos KB ja ksüleemimahla K+ sisalduse vahel nii voolutamata (R

2 = 0.640,

P=0.003; joon. 6) kui voolutatud võrsetes (R2 = 0.607, P=0.004).

Tabel 1. Valguskatse tulemuste dispersioonanalüüs; ns – faktori mõju ei ole statistiliselt

oluline.

Tunnus Faktor Tõenäosus

Oksa hüdrauliline juhtivus,

KB (kg m-2

s-1

MPa-1

)

Oksa asend P<0.001

Valguse kvaliteet ns

Eksponeerimise aeg P=0.014

Voolutatud oksa ksüleemimahla K+

sisaldus, [K+]1 (ppm)

Oksa asend P=0.013

Valguse kvaliteet P=0.024

Oksa asend × valguse kvaliteet ns

Voolutamata oksa ksüleemimahla K+

sisaldus, [K+]2 (ppm)

Oksa asend P=0.005

Valguse kvaliteet ns

Oksa asend × valguse kvaliteet ns

31

Varjuoksad Valgusoksad0

5

10

15

20

25

30

35

Ksü

lee

mim

ah

la K

+ s

isa

ldu

s,

[K+] 1

ja

[K

+] 2

(p

pm

)

3.2

3.6

4.0

4.4

4.8

5.2

Oksa

hü

dra

ulil

ine

ju

htivu

s,

KB (10

-4,

kg

m-2

s-1

MP

a-1

)

[K+]1

[K+]2 KB

a

B

b

A

Joonis 3. Ksüleemimahla kaaliumioonide sisaldus arukase voolutatud ([K+]1) ja

voolutamata ([K+]2) võrsetes ning oksa hüdrauliline juhtivus (KB) vastavalt asendile võras

(varju ja valgusokstes); veapostid näitavad standardviga.

1 3 5

Valgusele eksponeerimise aeg (h)

0

2

4

6

Oksa h

üdra

ulil

ine juhtivus,

KB (10

-4, kg m

-2s

-1M

Pa

-1)

a

A

BB

a

a

Varjuoksad Valgusoksad

Joonis 4. Arukase oksa hüdraulilise juhtivuse muutus sõltuvalt oksa asendist ja valgusele

eksponeerimise ajast; veapostid näivad standardviga.

32

Sinine Valge Punane8

12

16

20

24

28

32

36

40

Ksü

lee

mim

ah

la K

+ s

isa

ldu

s,

[K+] 1

(p

pm

)

Varjuoksad Valgusoksad

a

ab

b

ab

ab

ab

Joonis 5. Arukase ksüleemimahla K+ sisalduse ([K

+]1) varieeruvus sõltuvalt oksa asendist ja

valguse spektrist voolutatud okstes; veapostid näivad standardviga.

16 20 24 28 32 36 40 44 48

Ksüleemimahla K+ sisaldus,

[K+]2 (ppm)

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

Oksa h

üd

rau

lilin

e juh

tivus,

KB (1

0-4

, kg m

-2s

-1M

Pa

-1) R2=0.640; P=0.003

Joonis 6. Seos arukase voolutamata okste ksüleemimahla K+ sisalduse ([K

+]2) ja oksa

hüdraulilise juhtivuse (KB) keskmiste vahel.

33

3.2. Õhuniiskusega manipuleerimise katse

3.2.1. Arukask

Õhuniiskusega manipuleerimise katses osutus arukase uuritavatele tunnustele (KB, kbw, [K+]1

ja [K+]2) statistiliselt oluliseks üksnes oksa asendi mõju. Erinevate töötluste, s.t. kontroll- ja

niisutusringides kasvavate puude, vahel ei olnud olulisi erinevusi (tabel 2), kuigi esines

tendents, et niisutusringides kasvavate puude okste hüdrauliline juhtivus (KB) ja puidu

erijuhtivus (kbw) on kõrgemad kui kontrollis. Samas K+ sisalduse osas ilmnes pigem

vastupidine tendents kontrollringides kõrgem kui niisutusringides, vastavalt 20%

voolutatud ja 10% voolutamata okstes.

KB ja kbw suurenesid liikumisel võra aluselt ladva suunas: ülemises võrakihis olid

need näitajad vastavalt 1.8 ja 1.5 korda kõrgemad kui alumises. [K+] järgis sama trendi –

voolutatud oste võra alumise ja ülemise asendi K+ sisalduse erinevus oli koguni 130%, kuid

voolutatud okstes kõigest 32%. Voolutamata okstes oli [K+] keskmiselt 2.4 korda kõrgem

kui voolutatud okstes (joon. 7). Oksa hüdrauliline juhtivus oli lineaarselt seotud

ksüleemimahla K+ sisaldusega voolutatud okstes (R

2 = 0.917, P=0.003), kuid mitte

voolutamata okstes (P=0.104; joon. 8).

Tabel 2. Arukase õhuniiskusega manipuleerimise katse tulemuste dispersioonanalüüs; ns –

faktori mõju ei ole statistiliselt oluline.

Tunnus Faktor Tõenäosus

Oksa hüdrauliline juhtivus, KB (kg m-2

s-1

MPa-1

) Oksa asend P<0.001

Töötlus ns

Oksapuidu erijuhtivus, kbw (kg m-1

s-1

MPa-1

) Oksa asend P=0.013

Töötlus ns

Voolutatud oksa ksüleemimahla K+ sisaldus, Oksa asend P<0.001

[K+]1 (ppm) Töötlus ns

Voolutamata oksa ksüleemimahla K+ sisaldus,

[K+]2 (ppm)

Oksa asend P=0.013

Töötlus ns

34

Alumine Keskmine Ülemine0

20

40

60

80

100

120

Ksüle

em

ima

hla

K+ s

isald

us,

[K+] 1

ja

[K

+] 2

(p

pm

)

2

3

4

5

6

7

Oksa h

üd

rau

lilin

e ju

htivus,

KB (1

0-4

, kg m

-2s

-1M

Pa

-1)

[K+]1

[K+]2 KB

ab

B

b

AB

a

A

Joonis 7. Ksüleemimahla kaaliumioonide sisaldus arukase voolutatud ([K+]1) ja

voolutamata ([K+]2) okstes ning nende hüdrauliline juhtivus (KB) vastavalt asendile võras;

veapostid näitavad standardviga.

20 40 60 80 100 120

Ksüleemimahla K+ sisaldus,

[K+]1 ja [K+]2 (ppm)

3

4

5

6

7

8

Oksa

hü

dra

ulil

ine

ju

htivu

s,

KB (1

0-4

, kg

m-2

s-1

MP

a-1

)

Voolutatud oksad:

R2 = 0.917; P=0.003Voolutamata oksad:P=0.104

[K+]1

[K+]2

Joonis 8. Seos arukase voolutatud ([K+]1) ja voolutamata ([K

+]2) okste ksüleemimahla K

+

keskmise sisalduse ja oksa hüdraulilise juhtivuse (KB) vahel (töötluste ja võrakihtide

keskmised).

35

3.2.2. Hübriidhaab

Õhuniiskusega manipuleerimise katses osutus hübriidhaava kolme uuritava tunnuse (KB,

kbw, ja [K+]2) osas statistiliselt oluliseks oksa asendi mõju ning voolutatud okste K

+ sisalduse

([K+]1) osas lisaks ka töötluse mõju (tabel 3). Voolutatud okste K

+ sisaldus oli

niisutusringides keskmiselt 16% madalam kui kontrollringides ning voolutamata okstel 8%

madalam (joon.10). Samas suunas muutus ka okste hüdrauliline juhtivus (KB), kuid kbw

töötlus ei mõjutanud.

Erinevalt arukasest oli KB kõrgeim keskmisel oksal, ehkki see ülemisest oksast

statistiliselt ei erinenud. Oksapuidu erijuhtivust (kbw) mõõdeti hübriidhaaval proovipuude

iseärasuste tõttu üksnes keskmistel ja alumistel prooviokstel: kbw oli keskmisel oksal 2.1

korda suurem kui alumisel oksal. Analoogiliselt arukasega suurenes K+ sisaldus liikumisel

võra aluselt ladva suunas. Voolutatud oste võra alumise ja ülemise asendi K+ sisalduse

erinevus oli 123%, kuid voolutatud okstel kõigest 32%. Voolutamata okstes oli K+ sisaldus

keskmiselt 1.9 korda kõrgem kui voolutatud okstes (joon. 9).

Kogu puu lõikes ei sõltunud oksa hüdrauliline juhtivus ksüleemimahla K+ sisaldusest

ei voolutatud (P=0.381) ega voolutamata okstes (P=0.520). Ülemise võrakihi väljajätmisel

analüüsist leidsime aga olulise seose voolutatud okste hüdraulilise juhtivuse ja

ksüleemimahla K+ sisaldusese vahel (R

2=0.511; P<0.001; joon. 11). Voolutamata okstel

vastavat seost ei tuvastatud (P=0.207).

Tabel 3. Hübriidhaava õhuniiskusega manipuleerimise katse tulemuste dispersioonanalüüs;

ns – faktori mõju ei ole statistiliselt oluline.

Tunnus Faktor Tõenäosus

Oksa hüdrauliline juhtivus, KB (kg m-2

s-1

MPa-1

) Oksa asend P<0.001

Töötlus ns

Oksapuidu erijuhtivus, kbw (kg m-1

s-1

MPa-1

) Oksa asend P<0.001

Töötlus ns

Voolutatud oksa ksüleemimahla K+ sisaldus, Oksa asend P<0.001

[K+]1 (ppm) Töötlus P=0.048

Voolutamata oksa ksüleemimahla K+ sisaldus,

[K+]2 (ppm)

Oksa asend P=0.005

Töötlus ns

36

Alumine Keskmine Ülemine0

25

50

75

100

125

150

Ksüle

em

imahla

K+ s

isald

us,

[K+] 1

ja [

K+] 2

(ppm

)

4

8

12

16

20

Oksa h

üdra

ulil

ine juhtivus,

KB (10

-4,

kg m

-2s

-1M

Pa

-1)

[K+]1

[K+]2 KB

b

c

B

AB

A

a

a

Joonis 9. Ksüleemimahla kaaliumioonide sisaldus hübriidhaava voolutatud ([K+]1) ja

voolutamata ([K+]2) okstes ning nende hüdrauliline juhtivus (KB) vastavalt asendile võras;

veapostid näitavad standardviga.

Kontroll Niisutus40

60

80

100

120

140

Ksü

lee

mim

ah

la K

+ s

isa

ldu

s,

[K+] 1

ja

[K

+] 2

(p

pm

)

[K+]1

[K+]2

b

A

a

A

Joonis 10. Ksüleemimahla kaaliumioonide sisaldus hübriidhaava voolutatud ([K+]1) ja

voolutamata ([K+]2) okstes sõltuvalt töötlusest; veapostid näitavad standardviga.

37

Joonis 11. Seos hübriidhaava voolutatud okste ksüleemimahla K+ sisalduse ([K

+]1) ja oksa

hüdraulilise juhtivuse (KB) vahel keskmises ja alumises võrakihis.

3.3. Floeemi sälkamise mõju hübriidhaava okste hüdraulilisele juhtivusele

ja ksüleemimahla füüsikalis-keemilistele omadustele

Hübriidhaava muld-oks transporditee hüdrauliline juhtivus (ksüleemi hüdrauliline juhtivus,

KX) reageeris tundlikult floeemi sälkamisele oksa alusel. Manipulatsiooni tulemusel vähenes

kolme päeva jooksul keskmine KX drastiliselt: 17.6-lt 2.2-le mmol m-2

s-1

MPa-1

, s.o. 7.8

korda (joon. 12). Floeemi sälkamine ei mõjutanud ksüleemimahla füüsilis-keemilisi

omadusi – ei ksüleemimahla K+ sisaldust ([K

+]), elektrilist juhtivust (σsap) ega pH-d. KX

varieeruvus polnud seotud ei [K+], sap ega ksüleemimahla pH-ga, samas olid [K

+] ning sap

tugevas korrelatsioonis (joon. 13).

Tabel 4. Hübriidhaava floeemi sälkamise katse tulemuste dispersioonanalüüs. Aeg –

sälkamisest möödunud aeg päevades; ns – faktori mõju ei ole statistiliselt oluline.

Tunnus Faktor Tõenäosus

Muld-oks transporditee hüdrauliline juhtivus,

Kx (mmol m-2

s-1

MPa-1

)

Aeg P<0.001

Töötlus P<0.001

Aeg × töötlus P<0.001

Ksüleemimahla K+ sisaldus, [K

+] (ppm) Töötlus ns

Ksüleemimahla elektriline juhtivus, σsap (mS cm-1

) Töötlus ns

Ksüleemimahla pH Töötlus ns

15 30 45 60 75 90 105

Ksüleemimahla K+ sisaldus, [K+] (ppm)

0

10

20

30

Oksa h

üdra

ulil

ine juhtivus,

KB (10

-4,

kg m

-2s

-1M

Pa

-1)

R2=0.511; P<0.001

38

0 1 2 3

Sälkamisest möödunud aeg (päev)

0

5

10

15

20

Mu

ld-o

ks tra

nsp

ord

itee

hü

dra

ulil

ine

juhtivus,

Kx (

mm

ol m

-2s

-1 M

Pa

-1) Kontroll

Sälgatud

A

a

AB

CBC

aaa

Joonis 12. Ksüleemi hüdrauliline juhtivuse (Kx) muutused kolme päeva jooksul pärast

floeemi sälkamist hübriidhaaval; veapostid näitavad standardviga.

0 10 20 30 40 50

Oksa ksüleemimahla K+ sisaldus, [K+] (ppm)

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Ksü

lee

mim

ah

la e

lektr

ilin

e ju

htivu

s,

σsap (m

S c

m-1

)

Kontroll

R2=0.953, P<0.001

Sälgatud

R2=0.925, P<0.001

Joonis 13. Hübriidhaava ksüleemimahla elektrilise juhtivuse (σsap) sõltuvus ksüleemimahla

K+ sisaldusest ([K

+]).

39

4. Arutelu

4.1. Hüdraulilise juhtivuse ja ksüleemimahla K+ sisalduse vertikaalsed

trendid puude võras

Arukasel läbi viidud eksperimendid näitasid, et valgusele eksponeerimise aja suurenedes

väheneb valgusokste KB oluliselt sõltumata valguse kvaliteedist. Seejuures varjuokste KB

näib järgivat sama trendi (joon. 4). Pikka aega on arvatud, et soontaimede ksüleemi

hüdraulilise juhtivuse määravad üksnes anatoomilise ehituse iseärasused ja koe veega

küllastatuse tase. Kuid viimase aja uuringud näitavad, et ksüleemi hüdraulilise juhtivuse

lühiajalised muutused võivad olla tingitud ksüleemimahla katioonide sisaldusest

(Zwieniecki et al. 2001; Gasco et al. 2006; Nardini et al. 2007; Van Ieperen 2007; Cochard

et al. 2010; Nardini et al. 2011a), eelkõige kaaliumioonide sisaldusest (Herdel et al. 2001).

Ioonide poolt vahendatud ksüleemi hüdraulilise juhtivuse muutused on tingitud

ksüleemirakkude-vaheliste pooride membraanides asuva pektiini maatriksi paisumisest ja

kokkutõmbumisest (joon. 2), kuna pektiini maatriks reageerib ioonide sisaldusele

ksüleemimahlas (Zwieniecki et al. 2001; Nardini et al. 2011a). Võrsete hoidmine katse

käigus deioniseeritud vees tõenäoliselt ajapikku lahjendas ksüleemimahla, s.t. vähendas K+

sisaldust ksüleemirakkude vaheliste pooride membraanides, mis omakorda oli ilmselt okste

KB vähenemise põhjuseks. Nimetatud ideed toetab samas katses leitud seos KB suureneb

koos ksüleemimahla kaaliumioonide sisalduse ([K+]) suurenemisega (joon. 6). Valguskatses

saadud tulemusi on detailsemalt analüüsitud ajakirjas Plant, Cell and Environment 2011.

aastal ilmunud artiklis (Lisa 1).

Valguse spektri mõju osutus oluliseks vaid voolutatud okste ksüleemimahla K+

sisaldusele. Valguse kvaliteedi mõju [K+]-le ei ole teadaolevalt varem uuritud ning valguse

kvaliteedi mõju hüdraulilisele juhtivusele on seni uuritud ainult kahes katses (Voicu et al.

2008; Sellin et al. 2011). Voicu et al. (2008) leidsid, et valguse spekter mõjutab

suureviljalisel tammel (Quercus macrocarpa) lehe hüdraulilist juhtivust, meie katse arukase

võrsetega tõestas sama. Oksa hüdraulilise juhtivuse ja valguse kvaliteedi vahel olulist seost

aga ei õnnestunud tuvastada (Sellin et al. 2011). Saadud tulemused viitavad asjaolule, et

lehe hüdraulilise juhtivuse seadistamises osalevad sinise valguse retseptorid –

krüptokroomid, millel on taime ainevahetuse regulatsiooni keskne positsioon. Käesolev töö

võimaldab spekuleerida, et krüptokroomid mõjutavad, lisaks paljudele teistele

40

füsioloogilistele protsessidele, mingi senitundmatu kaudse mehhanismi läbi ka K+ sisaldust

ksüleemimahlas (joon. 6), mis osalevad taime hüdraulilist juhtivuse regulatsioonis.

Ksüleemimahla K+ sisaldust ja oksa hüdraulilist juhtivust näib mõjutavat valguse

intensiivsus nii pikemas (kuud, aastad) kui lühemas (tunnid) ajaskaalas. Nii valguskatses kui

ka õhuniiskusega manipuleerimise katses oli võra ülaosas (valgusoksad) [K+] nii voolutatud

kui ka voolutamata okstes oluliselt kõrgem kui võra alaosas (varjuoksad; joon. 3, 7 ja 9).

Sarnaseid tulemusi on saadud ka harilikul loorberipuul, mille valgusokste [K+] oli umbes

3.6 korda suurem kui varjuoste [K+] (Nardini et al. 2010). Samas homogeensetes

valgustingimustes kasvavate halli haava (Populus tremula × P. alba) seemikute võsudes

[K+] kõrguslikult ei varieerunud (Siebrecht et al. 2003), seega [K

+] muutused puude võrade

aluselt ladva suunas on seotud valguse intensiivsusega.

Nii valguskatses kui ka õhuniiskusega manipuleerimise katses oli proovipuude

alumiste okste KB kõige madalam, samas kui valgusele paremini eksponeeritud okste KB oli

tunduvalt kõrgem (joon. 3, 7 ja 9). Oksapuidu erijuhtivus (kbw) suurenes samuti võra

basaalsest osast ladva suunas liikumisel. Seega kinnitavad käesoleva magistritöö andmed

varem saadud tulemusi lehtpuudel (Sellin & Kupper 2007a, 2007b; Sellin et al. 2008b).

Need tulemused viitavad asjaolule, et pikaajaline erinevates valgustingimustes kasvamine

on kujundanud võra hüdraulilise arhitektuuri. Oksa puult eemaldamise ja mõõtmiste

vahelise aja mõju hüdrauliliste juhtivusele ja ksüleemimahla [K+]-le oli tühine, kuna

hüdrauliliste parameetrite mõõtmine toimus otsekohe pärast oksa lõikamist. Seega

mõõtmiste tulemused annavad alust väita, et oksa hüdrauliline juhtivust ja [K+] sõltuvad

keskkonnafaktorite gradientidest puistu vertikaalsel profiilil.

Võrasisesed hüdraulilise juhtivuse erinevused on tingitud eelkõige ksüleemi

anatoomilisest ehitusest, eriti trahheede ja traheiidide diameetritest ning nende tihedusest.

Seda seisukohta toetavad mitmed uuringud (Lemoine et al. 2002; Sellin et al. 2008a; Zach

et al. 2010). Selleks, et tagada ülemiste okste piisav veevarustus, peab pikemast

vooluteekonnast tingitud takistuse ja suureneva gravitatsioonivälja mõju ületamiseks okste

hüdrauliline võimekus suurenema võras akropetaalselt. Seda universaalset trendi kinnitavad

uuringud erinevatel liikidel (Sellin et al. 2008b; Sellin et al. 2010). Lisaks sellele on leitud,

et lühiajalistes kiiretes ksüleemi transpordivõime muutustes mängib olulist rolli valgus –

hüdrauliline efektiivsus (hüdrauliline juhtivus) suureneb koos valgusintensiivsuse

suurenemisega (Nardini et al. 2010; Sellin et al. 2010).

Valguskatses korreleerusid arukase KB ja ksüleemimahla [K+] nii voolutatud (R

2 =

0.640, P=0.003; joon. 6) kui ka voolutamata okstes (R2 = 0.607, P=0.004). Õhuniiskusega

41

manipuleerimise katses aga leidsime KB ja ksüleemimahla [K+] vahel olulise seose vaid

nimetatud liigi voolutatud okstes (R2 = 0.917, P=0.003; joon. 8). Ülemise võrakihi

väljajätmisel analüüsist leidsime olulise seose ka hübriidhaava voolutatud okste hüdraulilise

juhtivuse ja [K+] vahel (joon. 11). Varasemates uuringutes (Zwieniecki et al. 2001;

Zwieniecki et al. 2003; Van Ieperen & Van Gelder 2006; Nardini et al. 2007; Aasamaa &

Sõber 2010; Nardini et al. 2010; Trifilo et al. 2011) on hüdraulilise juhtivuse ja [K+]

vaheline seost korduvalt näidatud. Näiteks hariliku loorberipuu võrsete hüdrauliline juhtivus

on seotud tema ksüleemimahla [K+]-ga (Gasco et al. 2006; Nardini et al. 2010; Trifilo et al.

2011). Samuti hariliku pärna, raagremmelga, harilik vahtra, hariliku haava, hariliku tamme

ja hariliku toominga tüve ning leherootsude hüdrauliline juhtivus suureneb ja väheneb

kooskõlastatult K+ sisaldusega (Aasamaa & Sõber 2010). Hüdraulilise juhtivuse ja

ksüleemimahla [K+] dünaamika ühildumine sõltuvalt valguse intensiivsusest viitab sellele,

et kaaliumioonid osalevad tüve hüdraulilise juhtivuse regulatsioonis, mis leiab aset

reaktsioonina valguse intensiivsuse muutustele. Küsimust on laiemalt käsitletud ajakirjas

Tree Physiology 2010. aastal ilmunud artiklis (Lisa 2).

Hüdraulilise juhtivuse ja ksüleemimahla [K+] vahelise seose puudumine

hübriidhaaval võib olla seotud okste vanuseliste erinevustega. Mõõtmiseks kasutatud

ülemised oksad olid valdavalt esimese aasta külgvõrsed, samas suurima hüdraulilise

juhtivusega võra keskosa oksad olid mitmeaastased. Kuna need koosnevad vaid esipuidust,

siis jäi nende KB tõenäoliselt anatoomiliste iseärasuste tõttu oluliselt madalamaks võrreldes

keskmiste okstega. Morfoloogiliste iseärasuste tõttu ei olnud aga võimalik ülemistel okstel

oksapuidu erijuhtivust mõõta. S.t. ksüleemi anatoomilise ehituse erinevused varjutavad

ilmselt K+ vahendatud efekti. Seda mõttekäiku toetab keskmiste ja alumiste okste KB ning

ksüleemimahla [K+] vaheline oluline seos voolutatud okstel (joon. 11). Arukase ülemiste

okste mõõtmisel õhuniiskusega manipuleerimise katses seda probleemi aga ei esinenud:

need olid vähemalt üheaastased.

Õhuniiskusega manipuleerimise katses osutus töötluse (niisutus- ja kontrollringid)

mõju statistiliselt oluliseks üksnes hübriidhaabade voolutatud okste [K+] juures (tabel 3).

Voolutatud okste K+ sisaldus oli niisutusringides 16% madalam kui kontrollringides (joon.

10). Teistel juhtudel statistiliselt olulist mõju ei tuvastatud, kuid nii hübriidhaava

voolutamata okstes kui ka arukase voolutatud ja voolutamata okstes ilmnes sarnane tendents

kontrollringides olid [K+] väärtused suuremad kui niisutusringides. Selline seos võib olla

tingitud asjaolust, et kontrollringides on õhuniiskus madalam, mille tõttu veekaod on

transpiratsioonil suuremad. Lehtedele piisava veevarustuse tagamiseks intensiivse

42

transpiratsiooni korral suurendades transpordikanali hüdraulilist juhtivust peab ilmselt ka

ksüleemimahla kaaliumioonide sisaldus kõrgem olema.

4.2. Floeemi-ksüleemi interaktsioonid

Arukase voolutamata okste keskmine [K+] oli valguskatses 1.3 korda kõrgem kui voolutatud

okstel. Õhuniiskusega manipuleerimise katses oli arukaskede ja hübriidhaabade voolutamata

okste keskmine [K+] vastavalt 2.4 ja 2.0 korda kõrgem kui voolutatud okstel. Selline

erinevus on tingitud kõrgsurve meetodil (HPFM-ga töötamisel) hüdrauliliste parameetrite

mõõtmisega kaasneva ksüleemimahla lahjendamisest. Tegelikult on pigem üllatav, et

õhuniiskusega manipuleerimise katses jäid nii arukaskede kui ka hübriidhaabade voolutatud

okstes peale 20 minutilist kõrge rõhu all deioniseeritud veega voolutamist [K+] statistiliselt

olulised erinevused püsima. Selline manipulatsioon peaks täitma ksüleemi juhtelemendid

täielikult veega ja seega ühtlasi varjutama/ühtlustama valguse poolt indutseeritud K+

sisalduse erinevused. Sellest tulenevalt võib oletada, et kõrgsurve meetodil läbiviidud

mõõtmiste käigus rikastasid arvatavasti elavad koed (tõenäoliselt floeem) ksüleemimahla

jätkuvalt kaaliumioonidega. Hiljutised uuringud toetavad ideed, et kaaliumioonide

retsirkulatsioon floeemi vahendusel, võib olla ksüleemimahla [K+] muutuste põhjuseks

(Metzner et al. 2010). Floeemi osalusele ksüleemitranspordi regulatsioonis viitab ka

ksüleemi hüdraulilise juhtivuse vähenemine metaboolsete inhibiitorite kasutamise tagajärjel,

näiteks HgCl2 rakendamisel (Sellin et al. 2008b).

Hübriidhaava muld-oks transporditee hüdrauliline juhtivus (ksüleemi hüdrauliline

juhtivus, KX) reageeris tundlikult floeemi sälkamisele oksa alusel (joon. 12). Samas ei

mõjutanud floeemitranspordi blokeerimine ksüleemimahla füüsikalis-keemilisi omadusi – ei

ksüleemimahla K+ sisaldust ([K

+]), elektrilist erijuhtivust (σsap) ega pH-d. Teisisõnu

manipulatsioon ei mõjutanud hübriidhaavadel ioonide (sealhulgas K+) retsirkulatsiooni

floeemist ksüleemi, seega sälgatud okste KX vähenemine võrreldes kontrollokstega ei saa

olla seotud ksüleemimahla katioonide sisaldusega.

Saadud tulemus erineb mõningatest varasematest uurimustest. Näiteks Zwieniecki et

al. (2004) leidsid kahe vahtraliigiga läbiviidud katses, et floeemi sälkamisele järgneva oksa

KX vähenemisega kaasneb ksüleemimahla osmootse kontsentratsiooni vähenemine. Autorid

oletasid, et hüdraulilise juhtivuse vähenemine oli põhjustatud floeemi ja ksüleemi vahelisest

ioonide transpordist. Seda kinnitab asjaolu, et okste voolutamisel 140 mM KCl lahusega ei

mõjutanud floeemi sälkamine ksüleemi hüdraulilist juhtivust (Zwieniecki et al. 2004).

43

Samuti ei välistanud Domec ja Pruyn (2008) kollasel männil tüve sälkamise mõju uurides

võimalust, et manipulatsioonist põhjustatud ksüleemi hüdraulilise juhtivuse vähenemine

võib olla seotud ioonide sisalduse langusega ksüleemimahlas. Käesoleva töö tulemused aga

viitavad asjaolule, et floeemi eemaldamisega kaasnevaid hübriidhaava hüdraulilise juhtivuse

muutusi ei põhjusta ksüleemimahla ioonide sisalduse ega pH muutused. Ka Zwieniecki et

al. (2004) ei välistanud võimalust, et ksüleemi hüdraulilise juhtivuse langus võib olla seotud

hoopis mõne üldisema puu vigastamise tagajärjel toimuva protsessiga, kuna hetkel on veel

vähe teada floeemi-ksüleemi retsirkulatsiooni regulatsiooni mehhanismidest (Zwieniecki et

al. 2004). Mehaanilise vigastuse reaktsioonina võib küleem ummistuda näiteks

pektiinitaoliste polüsahhariididega (Tyree & Zimmermann 2002). Lisaks sellele võib

hüdrogeeli produktsiooni tõus füüsiliselt takistada ksüleemimahla liikumist ja seeläbi

alandada ksüleemi erijuhtivust. Samas võivad ka mõlemad protsessid floeemi-ksüleemi

retsirkulatsioon või mõni muu vigastusele järgnev reaktsioon – antud protsessis olulist rolli

mängida (Zwieniecki et al. 2004). Tegelik floeemi sälkamisel hüdraulilist juhtivust mõjutav

mehhanism on endiselt ebaselge ning vajab edasist uurimist.

Korraldatud katsest nägime, et floeemi sälkamine vähendab kolme päeva jooksul

drastiliselt ka õhulõhede juhtivust (gS) ja netofotosünteesi (An). Sälkamisest tingitud gS

vähenemine alandas transpiratsioonist tingitud veekadusid, mille tulemusel sälgatud okste

keskmine lehe veepotentsiaal oli kolmandal päeval peale manipulatsiooni kõrgem kui

kontrollokstel – vastavalt -0.67 MPa sälgatud ja -1.19 MPa kontrollokstel (Aigar Niglas,

avaldamata andmed). Siit võib järeldada, et KX langus võis olla eelkõige õhulõhede

juhtivuse vähenemise tagajärg. Vähenenud gS, transpiratsiooni ja netofotosüneesi

tingimustes ei tarbinud manipuleeritud oks enam nii palju vett ega polnud ka vajadust

taolise veetranspordivõimekuse järele floeemi sälkamise katse demonstreeris sellega

gaasilise ja vedela faasi juhtivuste head koordinatsiooni hübriidhaava noortel puudel.

Töös leitud tugev seos [K+] ja sap vahel (joon. 13) kinnitab fakti, et kaaliumioonid

on hübriidhaava ksüleemimahla üheks olulisemaks ioonseks komponendiks. Seda näitavad

ka varasemad uuringud teistel taimeliikidel. Näiteks halli haava (Populus tremula × P. alba)

ksüleemimahlas on K+ kõige levinum katioon, moodustades 46.1% kõikidest

ksüleemimahlas leiduvatest ioonidest (Siebrecht et al. 2003). Kuna K+ on ksüleemimahla

olulisemaid ioone, moodustades tavaliselt umbes 50% ksüleemimahlas lahustunud

anorgaanilisest ainetest (Herdel et al. 2001), sobivad nad kõige paremini katioonide

sisaldusest indutseeritud ksüleemi hüdraulilise juhtivuse muutuste uurimiseks (Nardini et al.

2011a).

44

Kokkuvõte

Käesoleva magistritöö eesmärgiks oli uurida ksüleemimahla kaaliumioonide sisalduse

([K+]) ja ksüleemi hüdraulilise juhtivuse vahelisi seoseid lehtpuudes. Selleks võtsime

vaatluse alla valguse kvaliteedi ja intensiivsuse, suurenenud õhuniiskuse ning floeemi

sälkamise mõju arukase ja hübriidhaava K+ sisalduse ja hüdraulilise juhtivuse ning nende

kahe tunnuse vahelistele seostele. Töös on esitatud kolme iseseisva katse valguskatse,

õhuniiskusega manipuleerimise katse ja floeemi sälkamise katse tulemused. Hüdrauliliste

parameetrite mõõtmiseks kasutasime kahte erinevat meetodit evaporatiivse voo ja

kõrgsurve meetodit.

Oksa eksponeerimine erinevatele valguse lainepikkustele mõjutas voolutatud okste

ksüleemimahla K+ sisaldust, kuid ei mõjutanud lehtedeta oksa hüdraulilist juhtivust (KB).

Valguse kvaliteedi mõju [K+]-le ei ole teadaolevalt varem uuritud ning selle taga olevad

mehhanismid on ebaselged.

Tööst selgus, et valguse intensiivsus mõjutab nii pikemas (kuud, aastad) kui lühemas

ajaskaalas (tunnid) nii ksüleemimahla K+ sisaldust kui ka oksa hüdraulilist juhtivust. [K

+] ja

KB muutused puude võra aluselt ladva suunas olid seotud valguse intensiivsusega.

Valgusokste [K+] ja KB olid oluliselt kõrgemad kui varjuokste vastavad näitajad, enamikes

katsetest olid KB ning [K+] omavahel korreleeritud. Nende näitajate samasuunalised

muutused vastavalt puistu sisesele vertikaalsele valgusgradiendile viitavad sellele, et

kaaliumioonid osalevad ksüleemi hüdraulilise juhtivuse regulatsioonis, mis leiab aset

rektsioonina valguse intensiivsuse muutustele. Õhuniiskusega manipuleerimise katse näitas,

et hübriidhaabade voolutatud okste [K+] oli niisutusringide puudes 16% madalam kui

kontrollringides, arukasel vastavat tendentsi tuvastada ei õnnestunud.

Floeemi sälkamine oksa alusel põhjustas hübriidhaava muld-oks transporditee

hüdraulilise juhtivuse drastilist langust. Samas ei mõjutanud floeemitranspordi blokeerimine

ksüleemimahla füüsikalis-keemilisi omadusi – ei ksüleemimahla K+ sisaldust, elektrilist

juhtivust (σsap) ega pH-d. Teisisõnu, manipulatsioon ei mõjutanud hübriidhaavadel ioonide

(sealhulgas K+) retsirkulatsiooni floeemist ksüleemi, seega sälgatud okste ksüleemi

hüdraulilise juhtivuse vähenemine võrreldes kontrollokstega ei saa olla seotud

ksüleemimahla katioonide sisaldusega. Töös leidsin tugeva statistilise seose [K+] ja sap

vahel, mis viitab asjaolule, et kaaliumioonid on hübriidhaava ksüleemimahla üheks

olulisemaks ioonseks komponendiks.

45

Korraldatud katsed kinnitavad, et ksüleemi hüdrauliline juhtivus sõltub nii

hübriidhaaval kui arukasel ksüleemimahla K+ sisaldusest. Viimast näivad mõjutavat nii

valguse intensiivsus, lainepikkus kui ka veevoog läbi taime. Samas ei ole ksüleemi

hüdraulilises juhtivuse varieeruvus alati põhjustatud ksüleemimahla K+ sisalduse

muutustest.

46

Summary

Impact of potassium ion concentration in xylem sap on hydraulic

conductance of xylem

The aim of the present Master’s thesis was to study relationships between potassium ion

concentration in xylem sap ([K+]) and xylem hydraulic conductance in deciduous trees. The

effects of light quality and intensity, elevated air humidity and phloem girdling on [K+] and

xylem hydraulic conductance were assessed in two tree species (silver birch and hybrid

aspen). The thesis presents results of three different experiments light experiment, air

humidity manipulation experiment and phloem girdling experiment. Hydraulic properties

were measured by using two different methods evaporative flux method and water

perfusion method (with HPFM).

Shoot exposure to light of different wavelengths influenced xylem sap [K+] in

perfused branches, but did not influence branch (without leaves) hydraulic conductance

(KB). To my knowlegde the influence of light quality on [K+] has not been observed earlier,

so the underling mechanisms of the relationships are currently unknown. We found that

light intensity influences xylem sap [K+] and branch hydraulic conductance (KB) on a long-

(months, years) and short-term (hours) time scales. The changes in [K+] and KB are related

to light availability. Both [K+] and KB were in sun-exposed shoots significantly higher than

those in the shoots taken from the shaded canopy layer. In all experiments [K+] and KB were

interrelated. The fact that the vertical trends of those characteristics coincided with the light

gradient inside a forest canopy suggests that potassium ions are involved in regulation of the

xylem hydraulic conductivity, which takes place in response to the changes in light

availability. In the air humidity manipulation experiment we found that the perfused

branches of hybrid aspen had 16% lower [K+] in humidified plots as compared to the control

plots. However, in silver birch this relationship was not established.

The phloem girdling in hybrid aspen induced a substantial decline in hydraulic

conductance of the root-to-branch pathway (KX). At the same time the phloem severance at

branch base had no impact on physico-chemical properties of the xylem sap during three

days after the treatment neither potassium ion concentration ([K+]), electrical conductivity

(sap) nor pH of the xylem sap changed. Consequently, the manipulation did not affect the

ion recycling from phloem to xylem (radial transport of K+ included) in aspen trees, and the

decrease in hydraulic conductance of girdled branches compared to non-girdled controls

47

cannot be attributed to changes in xylem cation concentration. The strong relationship

between [K+] and sap revealed in the present study refers to the fact that potassium ions

represent a major constituent of the xylem sap in hybrid aspen.

Altogether the different experiments confirm that xylem hydraulic conductance in

hybrid aspen and silver birch depends on concentration of potassium ions in xylem sap,

being influenced by light intensity, wavelength and water flux through the plant.

Nevertheless variation in xylem hydraulic conductance is not necessarily induced by

changes in [K+].

48

Tänuavaldused

Tänan igakülgse abi eest oma juhendajat dotsent Arne Sellinit. Samuti tänan välitöödel

osalenud Eele Õunapuud, Aigar Nigalst ja Meeli Alberit.

49

Kasutatud kirjandus

Aasamaa K. & Sõber A. (2010). Sensitivity of stem and petiole hydraulic conductance of

deciduous trees to xylem sap ion concentration. Biologia Plantarum, 54, 299-307.

Boyce C.K., Zwieniecki M.A., Cody G.D., Jacobsen C., Wirick S., Knoll A.H. & Holbrook

N.M. (2004). Evolution of xylem lignification and hydrogel transport regulation.

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,

101, 17555-17558.

Brodribb T.J. & Holbrook N.M. (2003). Changes in leaf hydraulic conductance during leaf

shedding in seasonally dry tropical forest. New Phytologist, 158, 295-303.

Christman M.A., Sperry J.S. & Smith D.D. (2012). Rare pits, large vessels and extreme

vulnerability to cavitation in a ring-porous tree species. New Phytologist, 193, 713-

720.

Cochard H., Herbette S., Hernandez E., Hölttä T. & Mencuccini M. (2010). The effects of

sap ionic composition on xylem vulnerability to cavitation. Journal of Experimental

Botany, 61, 275-285.

Cochard H., Lemoine D. & Dreyer E. (1999). The effects of acclimation to sunlight on the

xylem vulnerability to embolism in Fagus sylvatica L. Plant, Cell and Environment,

22, 101-108.

Cochard H., Martin R., Gross P. & Bogeat-Triboulot M.B. (2000). Temperature effects on

hydraulic conductance and water relations of Quercus robur L. Journal of

Experimental Botany, 51, 1255-1259.

Collins B.R., Parke J.L., Lachenbruch B. & Hansen E.M. (2009). The effects of

Phytophthora ramorum infection on hydraulic conductivity and tylosis formation in

tanoak sapwood. Canadian Journal of Forest Research, 39, 1766-1776.

Cox R.M. & Zhu X.B. (2003). Effects of simulated thaw on xylem cavitation, residual

embolism, spring dieback and shoot growth in yellow birch. Tree Physiology, 23,

615-624.

50

Cruiziat P., Cochard H. & Ameglio T. (2002). Hydraulic architecture of trees: Main

concepts and results. Annals of Forest Science, 59, 723-752.

De Micco V., Aronne G. & Baas P. (2008). Wood anatomy and hydraulic architecture of

stems and twigs of some Mediterranean trees and shrubs along a mesic-xeric

gradient. Trees - Structure and Function, 22, 643-655.

Domec J.C. & Pruyn M.L. (2008). Bole girdling affects metabolic properties and root, trunk

and branch hydraulics of young ponderosa pine trees. Tree Physiology, 28, 1493-

1504.

Evert R.F. (2006). Esau's plant anatomy. Third Edition edn. John Wiley & Sons, Inc., New

Jersey.

Fitter A.H. & Hay R.K.M. (2002). Environmental physiology of plants. Third edition edn.

Academic Press.

Franks P. & Brodribb T.J. (2005). Stomatal control and water transport in the xylem.

Vascular Transport in Plants. Amsterdam: Elsevier Academic Press, pp. 69-89.

Franks P.J. (2004). Stomatal control and hydraulic conductance, with special reference to

tall trees. Tree Physiology, 24, 865-878.

Fukuda K. (1997). Physiological process of the symptom development and resistance

mechanism in pine wilt disease. Journal of Forest Research, 2, 171-181.

Gasco A., Gortan E., Salleo S. & Nardini A. (2008). Changes of pH of solutions during

perfusion through stem segments: Further evidence for hydrogel regulation of xylem

hydraulic properties? Biologia Plantarum, 52, 502-506.

Gasco A., Nardini A., Gortan E. & Salleo S. (2006). Ion-mediated increase in the hydraulic

conductivity of Laurel stems: Role of pits and consequences for the impact of

cavitation on water transport. Plant, Cell and Environment, 29, 1946-1955.

Gasco A., Salleo S., Gortan E. & Nardini A. (2007). Seasonal changes in the ion-mediated

increase of xylem hydraulic conductivity in stems of three evergreens: Any

functional role? Physiologia Plantarum, 129, 597-606.

Hacke U.G. & Sperry J.S. (2001b). Functional and ecological xylem anatomy. Perspectives

in Plant Ecology, Evolution and Systematics, 4, 97-115.

51

Hacke U.G., Sperry J.S., Pockman W.T., Davis S.D. & McCulloh K.A. (2001a). Trends in

wood density and structure are linked to prevention of xylem implosion by negative

pressure. Oecologia, 126, 457-461.

Hacke U.G., Sperry J.S., Wheeler J.K. & Castro L. (2006). Scaling of angiosperm xylem

structure with safety and efficiency. Tree Physiology, 26, 689-701.

Herdel K., Schmidt P., Feil R., Mohr A. & Schurr U. (2001). Dynamics of concentrations

and nutrient fluxes in the xylem of Ricinus communis - Diurnal course, impact of

nutrient availability and nutrient uptake. Plant, Cell and Environment, 24, 41-52.

Holbrook N.M. & Zwieniecki M.A. (2005). Vascular Transport in Plants. Elsevier

Academic Press.

Hopkins D.L. (1989). Xylella fastidiosa: xylem-limited bacterial pathogen of plants. Annual

review of phytopathology. 27, 271-290 (viidatud McElrone et al. 2008 järgi).

Hopkins D.L. & Purcell A.H. (2002). Xylella fastidiosa: Cause of Pierce's disease of

grapevine and other emergent diseases. Plant Disease, 86, 1056-1066.

Hubbard R.M., Ryan M.G., Stiller V. & Sperry J.S. (2001). Stomatal conductance and

photosynthesis vary linearly with plant hydraulic conductance in ponderosa pine.

Plant, Cell and Environment, 24, 113-121.

Jansen S., Gortan E., Lens F., Lo Gullo M.A., Salleo S., Scholz A., Stein A., Trifilo P. &

Nardini A. (2011). Do quantitative vessel and pit characters account for ion-

mediated changes in the hydraulic conductance of angiosperm xylem? New

Phytologist, 189, 218-228.

Kramer P.J. & Boyer J.S. (1995). Water Relations of Plants and Soils. Academic Press, Inc.

Kupper P., Sõber J., Sellin A., Lõhmus K., Tullus A., Räim O., Lubenets K., Tulva I., Uri

V., Zobel M., Kull O. & Sõber A. (2011). An experimental facility for free air

humidity manipulation (FAHM) can alter water flux through deciduous tree canopy.

Environmental and Experimental Botany, 72, 432-438.

Kuroda K. (2011). Monitoring of xylem embolism and dysfunction by the acoustic emission

technique in Pinus thunbergii inoculated with the pine wood nematode

Bursaphelenchus xylophilus. Journal of Forest Research, 1-7.

52

Lei H., Milota M.R. & Gartner B.L. (1996). Between- and within-tree variation in the

anatomy and specific gravity of wood in Oregon white oak (Quercus garryana

Dougl.). IAWA Journal, 17, 445-461.

Lemoine D., Jacquemin S. & Granier A. (2002). Beech (Fagus sylvatica L.) branches show

acclimation of xylem anatomy and hydraulic properties to increased light after

thinning. Annals of Forest Science, 59, 761-766.

Macinnis-Ng C., McClenahan K. & Eamus D. (2004). Convergence in hydraulic

architecture, water relations and primary productivity amongst habitats and across

seasons in Sydney. Functional Plant Biology, 31, 429-439.

McCulloh K., Sperry J.S., Lachenbruch B., Meinzer F.C., Reich P.B. & Voelker S. (2010).

Moving water well: Comparing hydraulic efficiency in twigs and trunks of

coniferous, ring-porous, and diffuseporous saplings from temperate and tropical

forests. New Phytologist, 186, 439-450.

McCulloh K.A. & Sperry J.S. (2005). Patterns in hydraulic architecture and their

implications for transport efficiency. Tree Physiology, 25, 257-267.

McElrone A.J., Jackson S. & Habdas P. (2008). Hydraulic disruption and passive migration

by a bacterial pathogen in oak tree xylem. Journal of Experimental Botany, 59,

2649-2657.

Megraw R.A. (1985). Wood quality factors in Loblolly Pine - the influence of tree age,

position in tree, and cultural practice on wood specific gravity, fiber length, and

fibril angle. Tappi Press, Atlanta, GA (viidatud Holbrook & Zwieniecki 2005 järgi).

Metzner R., Thorpe M.R., Breuer U., Blümler P., Schurr U., Schneider H.U. & Schroeder

W.H. (2010). Contrasting dynamics of water and mineral nutrients in stems shown

by stable isotope tracers and cryo-SIMS. Plant, cell & environment, 33, 1393-1407.

Nardini A., Gasco A., Trifilo P., Lo Gullo M.A. & Salleo S. (2007). Ion-mediated

enhancement of xylem hydraulic conductivity is not always suppressed by the

presence of Ca2+ in the sap. Journal of Experimental Botany, 58, 2609-2615.

Nardini A., Grego F., Trifil P. & Salleo S. (2010). Changes of xylem sap ionic content and

stem hydraulics in response to irradiance in Laurus nobilis. Tree Physiology, 30,

628-635.

53

Nardini A., Lo Gullo M.A. & Salleo S. (2011b). Refilling embolized xylem conduits: Is it a

matter of phloem unloading? Plant Science, 180, 604-611.

Nardini A., Salleo S. & Jansen S. (2011a). More than just a vulnerable pipeline: Xylem

physiology in the light of ion-mediated regulation of plant water transport. Journal

of Experimental Botany, 62, 4701-4718.

Nardini A., Tyree M.T. & Salleo S. (2001). Xylem cavitation in the leaf of Prunus

laurocerasus and its impact on leaf hydraulics. Plant Physiology, 125, 1700-1709.

Nijsse J., Van Der Heijden G.W.A.M., Van Ieperen W., Keijzer C.J. & Van Meeteren U.

(2001). Xylem hydraulic conductivity related to conduit dimensions along

chrysanthemum stems. Journal of Experimental Botany, 52, 319-327.

Oddo E., Inzerillo S., La Bella F., Grisafi F., Salleo S. & Nardini A. (2011). Short-term

effects of potassium fertilization on the hydraulic conductance of Laurus nobilis L.

Tree Physiology, 31, 131-138.

Oliveras I., Martinez-Vilalta J., Jimenez-Ortiz T., Lledó M.J., Escarré A. & Piñol J. (2003).

Hydraulic properties of Pinus halepensis, Pinus pinea and Tetraclinis articulata in a

dune ecosystem of Eastern Spain. Plant Ecology, 169, 131-141.

Pammenter N.W. & Willigen C.V. (1998). A mathematical and statistical analysis of the

curves illustrating vulnerability of xylem to cavitation. Tree Physiology, 18, 589-

593.

Parke J.L., Oh E., Voelker S., Hansen E.M., Buckles G. & Lachenbruch B. (2007).

Phytophthora ramorum colonizes tanoak xylem and is associated with reduced stem

water transport. Phytopathology, 97, 1558-1567.

Pearce R.B. (1996). Tansley Review No. 87: Antimicrobial defences in the wood of living

trees. New Phytologist, 132, 203-233.

Pickard W.F. & Melcher P.J. (2005). Perspectives on the biophysics of xylem transport.

Vascular Transport in Plants, 3-18.

Purcell A.H. & Hopkins D.L. (1996). Fastidious xylem-limited bacterial plant pathogens. In:

Annual Review of Phytopathology, pp. 131-151.

54

Reid D.E.B., Silins U., Mendoza C. & Lieffers V.J. (2005). A unified nomenclature for

quantification and description of water conducting properties of sapwood xylem

based on Darcy's law. Tree Physiology, 25, 993-1000.

Ryss A.Y., Kulinich O.A. & Sutherland J.R. (2011). Pine wilt disease: A short review of

worldwide research. Forestry Studies in China, 13, 132-138.

Sack L. & Holbrook N.M. (2006). Leaf hydraulics. In: Annual Review of Plant Biology, pp.

361-381.

Sellin A. (1991). Hydraulic conductivity of xylem depending on water saturation level in

Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.). Journal of Plant Physiology, 138, 466-469.

Sellin A. & Kupper P. (2007a). Temperature, light and leaf hydraulic conductance of little-

leaf linden (Tilia cordata) in a mixed forest canopy. Tree Physiology, 27, 679-688.

Sellin A. & Kupper P. (2007b). Effects of enhanced hydraulic supply for foliage on stomatal

responses in little-leaf linden (Tilia cordata Mill.). European Journal of Forest

Research, 126, 241-251.

Sellin A., Rohejärv A. & Rahi M. (2008a). Distribution of vessel size, vessel density and

xylem conducting efficiency within a crown of silver birch (Betula pendula). Trees -

Structure and Function, 22, 205-216.

Sellin A., Sack L., Õunapuu E. & Karusion A. (2011). Impact of light quality on leaf and

shoot hydraulic properties: A case study in silver birch (Betula pendula). Plant, Cell

and Environment, 34, 1079-1087.

Sellin A., Õunapuu E. & Karusion A. (2010). Experimental evidence supporting the concept

of light-mediated modulation of stem hydraulic conductance. Tree Physiology, 30,

1528-1535.

Sellin A., Õunapuu E. & Kupper P. (2008b). Effects of light intensity and duration on leaf

hydraulic conductance and distribution of resistance in shoots of silver birch (Betula

pendula). Physiologia Plantarum, 134, 412-420.

Siebrecht S., Herdel K., Schurr U. & Tischner R. (2003). Nutrient translocation in the xylem

of poplar - Diurnal variations and spatial distribution along the shoot axis. Planta,

217, 783-793.

55

Sperry J.S. (2000). Hydraulic constraints on plant gas exchange. Agricultural and Forest

Meteorology, 104, 13-23.

Sperry J.S., Donnelly J.R. & Tyree M.T. (1988b). A method for measuring hydraulic

conductivity and embolism in xylem. Plant Cell Environment, 11, 35-40.

Sperry J.S., Hacke U.G. & Pittermann J. (2006). Size and function in conifer tracheids and

angiosperm vessels. American Journal of Botany, 93, 1490-1500.

Sperry J.S., Nichols K.L., Sullivan J.E.M. & Eastlack S.E. (1994). Xylem embolism in ring-

porous, diffuse-porous, and coniferous trees of northern Utah and interior Alaska.

Ecology, 75, 1736-1752.

Sperry J.S. & Sullivan J.E.M. (1992). Xylem embolism in response to freeze-thaw cycles

and water stress in ring-porous, diffuse-porous, and conifer species. Plant

Physiology, 100, 605-613.

Sperry J.S. & Tyree M.T. (1988a). Mechanism of water stress-induced xylem embolism.

Plant Physiology, 88, 581-587.

Spicer R. & Gartner B.L. (2001). The effects of cambial age and position within the stem on

specific conductivity in Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii) sapwood. Trees -

Structure and Function, 15, 222-229.

Strati S., Patino S., Slidders C., Cundall E.P. & Mencuccini M. (2003). Development and

recovery from winter embolism in silver birch: Seasonal patterns and relationships

with the phenological cycle in oceanic Scotland. Tree Physiology, 23, 663-673.

Zach A., Schuldt B., Brix S., Horna V., Culmsee H. & Leuschner C. (2010). Vessel

diameter and xylem hydraulic conductivity increase with tree height in tropical

rainforest trees in Sulawesi, Indonesia. Flora: Morphology, Distribution, Functional

Ecology of Plants, 205, 506-512.

Zwieniecki M.A., Melcher P.J., Feild T.S. & Holbrook N.M. (2004). A potential role for

xylem-phloem interactions in the hydraulic architecture of trees: Effects of phloem

girdling on xylem hydraulic conductance. Tree Physiology, 24, 911-917.

Zwieniecki M.A., Melcher P.J. & Holbrook N.M. (2001). Hydrogel control of xylem

hydraulic resistance in plants. Science, 291, 1059-1062.

56

Zwieniecki M.A., Orians C.M., Melcher P.J. & Holbrook N.M. (2003). Ionic control of the

lateral exchange of water between vascular bundles in tomato. Journal of

Experimental Botany, 54, 1399-1405.

Trifilo P., Lo Gullo M.A., Salleo S., Callea K. & Nardini A. (2008). Xylem embolism

alleviated by ion-mediated increase in hydraulic conductivity of functional xylem:

Insights from field measurements. Tree Physiology, 28, 1505-1512.

Trifilo P., Nardini A., Raimondo F., Lo Gullo M.A. & Salleo S. (2011). Ion-mediated

compensation for drought-induced loss of xylem hydraulic conductivity in field-

growing plants of Laurus nobilis. Functional Plant Biology, 38, 606-613.

Tyree M.T. & Ewers F.W. (1991). The hydraulic architecture of trees and other woody

plants. New Phytologist, 119, 345-360.

Tyree M.T. & Zimmermann M.H. (2002). Xylem Structure and the Ascent of Sap. Second

edn. Springer-Verlag, Berlin.

Van Ieperen W. (2007). Ion-mediated changes of xylem hydraulic resistance in planta: fact

or fiction? Trends in Plant Science, 12, 137-142.

Van Ieperen W. & Van Gelder A. (2006). Ion-mediated flow changes suppressed by

minimal calcium presence in xylem sap in Chrysanthemum and Prunus laurocerasus.

Journal of Experimental Botany, 57, 2743-2750.

Wheeler J.K., Sperry J.S., Hacke U.G. & Hoang N. (2005). Inter-vessel pitting and

cavitation in woody Rosaceae and other vessel led plants: A basis for a safety versus

efficiency trade-off in xylem transport. Plant, Cell and Environment, 28, 800-812.

Whitehead D. (1998). Regulation of stomatal conductance and transpiration in forest

canopies. Tree Physiology, 18, 633-644.

Voicu M.C., Zwiazek J.J. & Tyree M.T. (2008). Light response of hydraulic conductance in

bur oak (Quercus macrocarpa) leaves. Tree Physiology, 28, 1007-1015.

Wullschleger S.D., Meinzer F.C. & Vertessy R.A. (1998). A review of whole-plant water

use studies in trees. Tree Physiology, 18, 499-512.

57

Lisa 1

Sellin A., Sack L., Õunapuu E. & Karusion A. (2011). Impact of light quality on leaf and

shoot hydraulic properties: A case study in silver birch (Betula pendula). Plant, Cell and

Environment, 34, 1079-1087.

Impact of light quality on leaf and shoot hydraulicproperties: a case study in silver birch (Betula pendula)pce_2306 1079..1087

ARNE SELLIN1, LAWREN SACK2, EELE ÕUNAPUU1 & ANNIKA KARUSION1

1Institute of Ecology and Earth Sciences, University of Tartu, 51005 Tartu, Estonia and 2Department of Ecology andEvolutionary Biology, University of California, Los Angeles, CA 90095-1606, USA

ABSTRACT

Responses of leaf and shoot hydraulic conductance to lightquality were examined on shoots of silver birch (Betulapendula), cut from lower (‘shade position’) and upperthirds of the crowns (‘sun position’) of trees growing in anatural temperate forest stand. Hydraulic conductances ofleaf blades (Klb), petioles (KP) and branches (i.e. leaflessstem; KB) were determined using a high pressure flow meterin steady state mode. The shoots were exposed to photo-synthetic photon flux density of 200–250 mmol m-2 s-1 usingwhite, blue or red light. Klb depended significantly on bothlight quality and canopy position (P < 0.001), KB on canopyposition (P < 0.001) and exposure time (P = 0.014), andnone of the three factors had effect on KP. The highestvalues of Klb were recorded under the blue light (3.63 and3.13 ¥ 10-4 kg m-2 MPa-1 s-1 for the sun and shade leaves,respectively), intermediate values under white light (3.37and 2.46 ¥ 10-4 kg m-2 MPa-1 s-1, respectively) and lowestvalues under red light (2.83 and 2.02 ¥ 10-4 kg m-2 MPa-1 s-1,respectively). Light quality has an important impact on leafhydraulic properties, independently of light intensity or oftotal light energy, and the specific light receptors involvedin this response require identification. Given that naturalcanopy shade depletes blue and red light, Klb may bedecreased both by reduced fluence and shifts in lightspectra, indicating the need for studies of the natural het-erogeneity of Klb within and under canopies, and its impactson gas exchange.

Key-words: branch hydraulic conductance; forest canopy;leaf hydraulic conductance; light spectrum; liquid-phaseresistance; petiole hydraulic conductance; potassium ions;shoot hydraulic conductance; xylem sap.

INTRODUCTION

Leaves account for majority (47–94%) of the hydraulicresistance to water flow through the shoots of woody plants(Yang & Tyree 1994; Nardini & Pitt 1999; Nardini & Salleo2000; Nardini 2001; Sellin, Õunapuu & Kupper 2008), and asubstantial part of the hydraulic resistance in whole plants.For a number of species over a range of life forms, leaves,

including petioles, contribute 30% or more of the plant totalliquid-phase resistance (Becker, Tyree & Tsuda 1999; Sacket al. 2003; Gyenge et al. 2005; Sack & Holbrook 2006; Sellin& Kupper 2007a). Therefore, any changes in leaf hydraulicconductance (Kleaf) caused either by environmental or inter-nal stimuli influence the ability of plants to supply water tomesophyll cells, and have consequences on stomatal con-ductance and photosynthetic capacity (Brodribb & Hol-brook 2004, 2005; Franks 2006; Brodribb, Feild & Jordan2007; Woodruff et al. 2007; Domec et al. 2009). Hence, leafhydraulic properties are associated ultimately with produc-tivity, growth rate, competitiveness and survival of plants.

However, our knowledge is still limited with respect toregulation of leaf hydraulic properties in response toambient conditions because of tremendous diversity of leafstructure and function, species-specific differences in thepartitioning of leaf hydraulic resistance (Rleaf = 1/Kleaf), andvarying mechanisms controlling water transport capacity ofvascular and extravascular compartments depending onenvironmental variables. There is increasing evidence thatconfirms the dependence of leaf hydraulic traits on lightavailability (Sack, Tyree & Holbrook 2005; Sack & Hol-brook 2006; Scoffoni et al. 2008; Voicu, Cooke & Zwiazek2009). A study in 11 temperate and tropical tree speciesrevealed that Kleaf increased with irradiance for six of thespecies tested (Tyree et al. 2005). Sellin et al. (2008) indi-cated that leaves of silver birch (Betula pendula Roth)respond to light by adjusting their hydraulic efficiency toboth light duration and intensity. Experimental evidencesuggests that the light-induced enhancement of Kleaf is con-trolled by factors acting on extravascular tissues andinvolves expression or activation of plasma membraneaquaporins (AQPs) in mesophyll and/or bundle sheathcells (Tyree et al. 2005; Cochard et al. 2007; Voicu, Zwiazek& Tyree 2008; Heinen, Ye & Chaumont 2009; Voicu &Zwiazek 2010). Because of such adjustment, and to differ-ential development of venation properties, the Kleaf of sunleaves is higher than for shade leaves (Sack et al. 2003; Sellin& Kupper 2007a,b; Sellin et al. 2008), and Kleaf is on averagehigher for sun- than shade-establishing species (Brodribb &Holbrook 2004; Sack et al. 2005; Sack & Frole 2006).Diurnal variation in Kleaf is also related to light availabilityfor both herbaceous (Nardini, Salleo & Andri 2005) andwoody plants (Lo Gullo et al. 2005). Kim & Steudle (2009)demonstrated that hydraulic conductance of leaf cells is

Correspondence: E. Õunapuu. Phone: +372-7376167; Fax: +372-7376222; e-mail: ounapuu@ut.ee

Plant, Cell and Environment (2011) 34, 1079–1087 doi: 10.1111/j.1365-3040.2011.02306.x

© 2011 Blackwell Publishing Ltd 1079

maximized at a certain light intensity and reduced again byhigh light, which is probably caused by induction of reactiveoxygen species. Recent studies (Nardini et al. 2010; Sellin,Õunapuu & Karusion 2010) have presented experimentalevidence for fast light-mediated changes also in stemhydraulic conductance.

The discoveries that both the plasma membrane and thetonoplast contain AQPs, water channel proteins, havechanged our view of how plant cells regulate transmem-brane water movement (Chrispeels & Maurel 1994; Maurel1997; Tyerman, Niemietz & Bramley 2002). AQPs facilitatethe rapid exchange of water across cell membranes and areresponsible for up to 95% of the water permeability ofplasma membranes (Henzler, Ye & Steudle 2004). Plantsneed to continuously adjust water exchange in responseto environmental conditions, and therefore AQPs playan important role in the regulatory processes. Rapidirradiance-mediated increase of Kleaf may result from denovo expression of AQPs or, more likely, from theup-regulation of pre-existing water channels. Severalstudies indicate that the post-translational regulation ofAQP activity occurs by phosphorylation (Johnson &Chrispeels 1992; Johansson et al. 1998; Prak et al. 2008). Inleaves, where the dominant system involved in energytransduction is photosynthesis, the light response of Kleaf hasbeen suggested to involve photophosphorylation-inducedopening of AQPs (Tyree et al. 2005). To provideco-ordination between gaseous and liquid-phase conduc-tances in heterogeneous radiation field, one can supposethat light quality should have an impact on Kleaf. Asquantum energy is directly proportional to the frequency oflight waves, blue light might have a greater enhancing effecton the hydraulic conductance of the leaf blade than whiteor red light because of its higher energy. Early studies ofthe action spectrum of photosynthesis had expected thatshorter light wavelengths would stimulate greater activitybecause of their higher energy, though this pattern was notfound, indicating a lower quantum efficiency for blue lightthan red light (Inada 1976). Further, a recent study hasproposed that light energy input determines transpirationrate irrespective of the light colour (Pieruschka, Huber &Berry 2010). Thus, the energy hypothesis for the lightquality response of leaf hydraulic conductance requiredtesting.An alternative possibility is that light receptors suchas those involved in regulating guard cell turgor for sto-matal opening (Chen, Chory & Fankhauser 2004; Shimazakiet al. 2007; Briggs 2009) may also be involved in the regula-tion of AQPs in the hydraulic pathway.

Kleaf is determined by the conductance of the xylem andoutside-xylem hydraulic pathways, and experiments havepointed to a strong importance of both components. Forinstance, Kleaf responds to temperature, and the slope ofthe response line is significantly higher than that expectedfrom changes in the dynamic viscosity of water and thuscannot be explained merely by changes in the apoplasticpathway (Matzner & Comstock 2001; Sack, Streeter &Holbrook 2004; Cochard et al. 2007; Sellin & Kupper2007b). Indeed, numerous experiments with application

of metabolic inhibitors confirm involvement of livingextravascular tissues in regulation of Kleaf (e.g. Nardiniet al. 2005; Cochard et al. 2007; Sellin et al. 2008; Voicu et al.2008; Voicu & Zwiazek 2010). Several studies indicate thatthe extravascular hydraulic resistance constitutes a sub-stantial proportion of leaf total resistance (Trifilò et al.2003; Cochard, Nardini & Coll 2004; Gascó, Nardini &Salleo 2004; Sack et al. 2005). Given that extravascularresistances have a strong influence on Kleaf, then all factorsthat enhance AQP expression may facilitate total waterflux to sites of evaporation, and importantly constrain leafgas exchange rates.

Despite many studies on the response of Kleaf to irradi-ance (light quantity), to our knowledge, only one study(Voicu et al. 2008) has tested the effects of light colour (lightquality) on Kleaf. Voicu et al. (2008) found a greater hydrau-lic enhancement in Quercus macrocarpa Michx. in responseto blue and green light than to visible radiation of longerwavelengths (amber and red). However, the response towhite light was greater than to light of any single colour, andthe role of wavelength versus total light energy in drivingthe response was not determined. Our goal was to testexperimentally the differential effect of light wavelengthson leaf and shoot hydraulic efficiency and distribution ofresistance within the shoots of silver birch (Betula pendula).Previous experiments revealed that Kleaf of silver birch issensitive to experimental manipulation of both light inten-sity and duration (Sellin et al. 2008). As different canopylayers in a mixed temperate forest differ substantially inlight availability and spectral composition (Smith 1982;Endler 1993; Navrátil et al. 2007; Reinhardt, Smith & Carter2010), the second objective was to estimate the impact oflight quality on shoot hydraulic characteristics in relation tocanopy position (in sun versus shade shoots). We aimed tobroaden the understanding of plant optimization of lightand water utilization across the micro-environmental het-erogeneity within a forest canopy.

MATERIALS AND METHODS

Plant material

Shoots were sampled from three 25- to 30-year-old trees ofBetula pendula Roth [height 16.8–19.4 m, diameter at breastheight (DBH) 11.6–16.2 cm] growing in Järvselja Experi-mental Forest (58°16′N, 27°16′E, elevation 40 m ASL),Eastern Estonia, in the lower (shade-exposed shoots) andupper thirds (sun-exposed shoots) of their crown. Detaileddata on vegetation and climate of the study area were pre-sented in Sellin & Kupper (2005a,b). In the evening prior tothe measurement days, 20–40 cm long shoots were cutunder water and put into beakers with the basal ends sub-merged in water. In the laboratory, the shoots were put intoplastic flasks filled with deionized, filtered (Direct-Q3UV water purification system; Millipore SAS, Molsheim,France) and freshly degassed water (T-04-125 ultrasonic-vacuum degasser; Terriss Consolidated Industries, AsburyPark, NJ, USA), and rehydrated overnight in a dark room.

1080 A. Sellin et al.

© 2011 Blackwell Publishing Ltd, Plant, Cell and Environment, 34, 1079–1087

Measurement of hydraulic conductance

In the morning, the shoots were exposed to light of photo-synthetic photon flux density (PPFD) of 200–250 mmol m-2 s-1 for 1, 3 or 5 h before the hydraulicsmeasurements. The PPFD was measured with a LI-190quantum sensor (Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA)and energy flux within the band of photosynthetically activeradiation with a SKE 510 energy sensor (Skye Instruments,Llandrindod Wells, UK). The effect of light quality on planthydraulic properties was investigated by exposing shootsbefore and during the hydraulic measurements to light fromdifferent sources: blue light from metal halide lamps (Art-colour MH-T Blue, 400 W; Philips, Eindhoven, the Nether-lands) with spectral emission maximum at 450–460 nm;white light from high pressure sodium lamps (MasterSON-T PIA Agro, 400 W; Philips) with wide spectral emis-sion band of 550–710 nm and with additional small peaksin blue band; or red light from the Master SON-T PIAAgro lamps used in combination with 026 Bright Redcolour filters (Lee Filters, Andover, UK), which lackedwavelengths below 600 nm. Irradiance was controlled bychanging the distance from the lamps. Air above theshoots was agitated with a fan to minimize local tempera-ture gradients.

The hydraulic conductance of the shoot (KS) and its com-ponent branch (i.e. leafless stems), petioles, and leaf bladeswere determined by the water perfusion method using ahigh pressure flow meter (HPFM; Dynamax, Houston, TX,USA) applied in steady state mode, and by removing leafblades and petioles in sequence. The hydraulic conductanceof leaf blades (Klb) was calculated as

K K Klb S B P= −−+

− −( ) ,1 1 1 (1)

where KB+P is the hydraulic conductance of a branchtogether with petioles. Klb is an integral measure for allthe transpiration flow paths, from the petiole-leaf junction,to the sites of evaporation, both through apoplast andsymplast (Sack et al. 2002). The hydraulic conductance ofpetioles (KP) was calculated as

K K KP B P B= −+− − −( ) ,1 1 1 (2)

where KB is the hydraulic conductance of a bare branch.Tyree et al. (2005) indicated that stomatal openness doesnot influence results of the hydraulic measurements usingthe high pressure flow meter: when stomatal response tolight was inhibited by the application of ABA, the Kleaf

response to light remained unchanged, and other experi-ments confirmed that stomata did not influence the light-induced alteration of Kleaf (Cochard et al. 2007; Scoffoniet al. 2008; Voicu et al. 2008). During the measurementsleaf and branch temperatures were recorded and storedwith MT2 fast response temperature probes and a DL2edata logger (Delta-T Devices, Burwell, UK). After thehydraulic measurements the number of leaves wascounted, and the total area of leaf blades was determinedwith an AM300 digital area meter (ADC BioScientific,

Great Amwell, UK). The data on hydraulic conductancewere corrected for the dynamic viscosity of water at 24 °Cand normalized to shoot size by expressing the conduc-tance values per unit area of the leaf blades. Altogether,108 shoots (3 trees ¥ 2 canopy positions ¥ 3 lightcolours ¥ 3 exposure times ¥ 2 replications) were sampledfor hydraulic conductance.

Potassium ion concentration of the xylem sap

In order to test for possible light-mediated modification ofionic concentration of the xylem sap and consequentchanges in KB (Zwieniecki, Melcher & Holbrook 2001;Nardini et al. 2007; Cochard et al. 2010) we determinedpotassium ion concentration [(K+)] of the sap. [K+] wasmeasured simultaneously in pairs of shoots taken from thesame tree and canopy layer, including the shoot used forhydraulic measurements, and an additional shoot. Theextraction procedure of the xylem sap was based on thatof Stark, Spitzner & Essig (1985). Extraction was per-formed on the leafless stem after ~3 cm of the bark hadbeen removed from the cut end of the shoot to avoidcontamination with phloem sap. The cut end of the stemwas slipped through a tight-fitting rubber stopper and thestopper was inserted into a pressure chamber (Model1000; PMS Instrument Company, Albany, OR, USA), withthe cut end extending out through the top of the chamber.The stripped end was cleaned with deionized water, wipedwith filter paper and fitted with a tight piece of plastictubing. The pressure was increased slowly and held at2.0 MPa, and extracted xylem sap was collected into a1.5 mL Eppendorf tube. A sap sample of 0.1 mL wasimmediately measured for [K+] using a C-131 potassiumion meter (Horiba, Kyoto, Japan), based on ion-selectiveelectrodes. Before each measurement time the instrumentwas calibrated with two standard solutions provided bythe manufacturer.

Data analysis

Data analysis was carried out using Statistica, Vers. 7.1(StatSoft Inc., Tulsa, OK, USA). To analyse the effects oflight quality on leaf and shoot hydraulic parameters,an analysis of variance (anova) was performed, with lightcolour, exposure time and canopy position as fixedfactors; type III sums of squares were used in the calcula-tions. Normality and homogeneity of variances werechecked using the Kolmogorov–Smirnov D-statistic andthe Levene test, respectively (Sokal & Rohlf 1995). Whenappropriate, logarithmic or root transformations wereapplied to the data. Post hoc mean comparisons were con-ducted using the Tukey honestly significant difference(HSD) test. Relationships between the studied character-istics and independent variables were assessed by Pear-son’s correlations or simple linear regressions fitted byleast-squares.

Impact of light quality on leaf hydraulics 1081

© 2011 Blackwell Publishing Ltd, Plant, Cell and Environment, 34, 1079–1087

RESULTS

Effects of light quality on leaf and shoothydraulic properties

We found strong impacts of light quality treatments onhydraulic conductances (Table 1). KS depended only oncanopy position, Klb on canopy position and light quality,and KB on canopy position and exposure time. However,sun leaves did not differ in Klb between the lights of differ-ent wavelengths at the 0.05 level of significance (Fig. 1).None of the three factors had statistically significant effecton KP. Sun shoots exhibited ~1.3 times higher (P < 0.001)hydraulic capacity than shade shoots: across all light treat-ments KS averaged (�SE) 1.73 ¥ 10-4 (�7.4 ¥ 10-6) and1.33 ¥ 10-4 (�6.3 ¥ 10-6) kg m-2 s-1 MPa-1, respectively; Klb

was also 1.3 times and KB 1.4 times higher (P < 0.001). Klb

increased in the following order – red, white and blue lighttreatment (Fig. 1), and this was not in accordance with totalquantum energy recorded in different treatments. Radiantenergy fluxes in the band of PAR ranged in the followingorder: red (43 W m-2), blue (45 W m-2) and white light(48 W m-2) treatment. Shade leaves demonstrated larger

dynamics of Klb in response to the light treatments than thesun leaves (increased 55% versus 28% under blue com-pared with red light, respectively), although the effect ofcanopy position ¥ light quality interaction was not signifi-cant in the anova model (Table 2).

The changes in Klb induced by light quality brought abouta considerable redistribution of the liquid-phase resistancewithin the sample shoots. Both in sun and shade shoots thecontribution of leaf blades to the whole-shoot resistanceincreased and that of bare branch decreased in the order –blue, white and red light (Fig. 2). Under white light, about11% of the leaf resistance was located in the petiole,being independent of the canopy position. In white light,the whole-leaf conductance (Kleaf) averaged 2.95 � 0.21and 2.17 � 0.21 ¥ 10-4 kg m-2 s-1 MPa-1 for sun and shadefoliage, respectively.

Effect of light exposure time on shoothydraulic properties

KS, Klb and KP did not depend on light exposure time(Table 1), but KB varied with both canopy position(P < 0.001) and exposure time (P = 0.014). KB of the sunshoots decreased considerably over time independently ofthe light quality (Fig. 3). KB decreased 23% for sun shoots,by contrast with 10% (statistically insignificant) for shadeshoots over 5 h of exposure.

Table 1. Results of analysis of variance(anova) for the effects of canopy position,light quality and exposure time on hydraulicconductance of shoots and theircomponents (n = 108)

Dependent variable FactorStatisticalsignificance (P)

Shoot hydraulic conductance, KS Canopy position <0.001Light quality nsExposure time ns

Leaf blade hydraulic conductance, Klb Canopy position <0.001Light quality <0.001Exposure time ns

Branch hydraulic conductance, KB Canopy position <0.001Light quality nsExposure time 0.014

Petiole hydraulic conductance, KP Canopy position nsLight quality nsExposure time ns

ns, not significant.

Figure 1. Variation in leaf blade hydraulic conductance (Klb)for Betula pendula in response to light colour and canopyposition. Different letters denote statistically significant (P < 0.05)differences between the treatments.

Table 2. Results of analysis of variance (anova) for the effectsof canopy position and light quality on leaf blade hydraulicconductance (ln Klb); n = 108

Factor SS df MS F P

Canopy position 1.923 1 1.923 11.68 <0.001Light quality 2.577 2 1.288 7.83 <0.001Canopy position ¥ light

quality0.379 2 0.189 1.15 0.321

Error 16.785 102 0.165 – –

SS, sum of squares; MS, mean square; F, F-ratio; P, statisticalsignificance.

1082 A. Sellin et al.

© 2011 Blackwell Publishing Ltd, Plant, Cell and Environment, 34, 1079–1087

We did not find significant differences in the potassiumion concentration of the xylem sap [(K+)] between the lighttreatments. Only canopy position had an effect (P < 0.05)on [K+]: values averaged 16.6 � 1.61 and 24.3 � 3.03 p.p.m.for the lower- and upper-canopy unperfused shoots, respec-tively. In spite of high variation, KB showed a rising trend(R2 = 0.281, P < 0.05) with increasing potassium ion concen-tration in the xylem sap across all treatments.

DISCUSSION

Light quality

Light is one of the most important environmental factorsthat influence leaf water transport capacity. Studies investi-gating the effect of light on leaf hydraulic conductance haveso far concentrated mainly on the effects of light intensityor duration (e.g. Sack et al. 2002, 2005; Nardini et al. 2005;Tyree et al. 2005; Cochard et al. 2007; Sellin et al. 2008;Voicuet al. 2008). But a novel and fascinating issue is the effect oflight quality on hydraulic properties. We found a strongeffect of light quality on leaf hydraulic efficiency in B.pendula. Our experiment revealed that Klb was highest inblue light, followed by white light and lowest in red light(Fig. 1). The Klb of leaves under blue light was on average1.2 times higher than under white and 1.4 times higher thanunder red light. The short-term (time scale in hours) varia-tion in Klb with respect to light spectral traits would relate tochanges in the conductance of the tissues outside the xylem,and likely reflected changes in the water permeability ofplasma membranes of leaf cells. The results confirm ourhypothesis that blue light has greater enhancing effecton leaf hydraulic conductance than white or red light.However, the response of Klb cannot be attributed to dif-ferences in total quantum energy and, thus, our resultsdo not support the idea of energy balance-dependentphotophosphorylation-induced opening of plasma mem-brane AQPs. Indeed, experiments performed in Populus

tremuloides Michx. suggested that on a shorter time scale(minutes), photosynthetic electron transport was notdirectly involved in the control of Kleaf (Voicu & Zwiazek2010).

As we observed small differences in radiant energy fluxesdriving substantial differences in Klb between the lighttreatments, the results imply that leaf hydraulic conduc-tance probably depends on differential sensing by specificlight receptors. Blue light acts as a signal for stomatalopening in a number of C3 and C4 plants, and on a quantumbasis, it is several times more effective than red light inopening stomata (Sharkey & Ogawa 1987; Zeiger et al.2002; Inada et al. 2004; Shimazaki et al. 2007; Inoue et al.2008). Based on the present results, we propose that bluelight acts also as a signal to up-regulate AQPs in order tomaintain functional balance between gaseous and liquid-phase conductances at high stomatal conductance.Additional mechanistic studies are needed to test thishypothesis. Plants use a range of blue light receptors(including cryptochromes and phototropins) to modulate avariety of responses, and these interact with circadian oscil-lators (Demarsy & Fankhauser 2009). Further, the trans-duction of the light signal to the physiological responserequires investigation.A fruitful area of research will be thestimulation of AQPs by light quality. We note at least onedemonstration of an AQP promoter (AthH2 in Arabidop-sis) that is stimulated by blue and white light more than redlight (Kaldenhoff, Kölling & Richter 1996). The intermedi-ate enhancing effect of the white light on Klb observed inthe present study can be explained by some comprisal ofblue band (small emission peaks), while the red light totallylacked wavelengths below 600 nm.

The spectrum-dependent responses of Klb in silver birchresulted in a considerable shift of resistance within thewhole shoot: the contribution of leaf blades to the totalshoot hydraulic resistance increased from 49–50% underblue light to 60–61% under red light (Fig. 2). Under whitelight, on average 11% of the leaf hydraulic resistance was

Figure 2. The proportion of liquid-phase resistance to branch,petiole and leaf blade within shoots of Betula pendula exposed toblue (B), white (W) or red light (R).

Figure 3. Variation in hydraulic conductance of bare branches(KB) of Betula pendula in response to light exposure time.Different letters denote statistically significant (P < 0.05)differences between the treatments.

Impact of light quality on leaf hydraulics 1083

© 2011 Blackwell Publishing Ltd, Plant, Cell and Environment, 34, 1079–1087

located in a petiole, coinciding with that found for Betulapapyrifera Marsh. (~10%), a congeneric species (Sack et al.2003). As compared with other species, it is less than forshade-tolerant Acer saccharum Marsh. (14%) and greaterthan for shade-intolerant Quercus rubra L. leaves (4%), andmatches with that published for the light-demanding tropi-cal tree species (Sack & Tyree 2005; Sack et al. 2005). Sunfoliage exhibited ~1.4 times higher whole-leaf hydraulicconductance (Kleaf) relative to shade foliage under whitelight, coinciding with the ratio obtained on silver birch usingevaporative flux method (Sellin et al. 2008). However, thevalues of Kleaf were 47–52% higher in this study, which mayhave arisen from inter-annual variability, or from differ-ences between the measurement techniques; the high-pressure method removes all emboli from xylem conduitsand fills intercellular spaces of the lamina. The present dataon Kleaf (2.95 and 2.17 ¥ 10-4 kg m-2 s-1 MPa-1 for sun andshade foliage, respectively) match well with those publishedfor B. papyrifera – 2.5 to 2.7 ¥ 10-4 kg m-2 s-1 MPa-1 (leavestaken from exposed part of the crown; Sack et al. 2002).Our findings are in accordance also with those obtainedfor the effects of light of different wavelengths on leavesof Quercus macrocarpa (Voicu et al. 2008). That studyreported a greater hydraulic enhancement under blue andgreen light than under longer visible wavelengths. In thatstudy, treatment of Q. macrocarpa leaves with fusicoccin (toinduce stomatal opening) had no effect on transpiration oron the low-light value of Klb, but decreased the high-lightvalue of Klb, indicating that stomata were not involved inthe light response of Klb.

B. pendula, an early-successional species, has beenreported to be morphologically very sensitive to changes inthe ratio of red to far-red light relative to several othertemperate broad-leaved tree species (Gilbert, Jarvis &Smith 2001). The high morphogenetic responsivenessreflects a shade-avoidance strategy that would contribute tofitness in dense plant communities. Probably, Klb joins otherplant processes known to respond to light quality, as part ofthe shade-avoidance mechanisms. On the one hand, expo-sure of leaves to direct radiation (relatively rich in bluelight) in sun flecks enable enhancement of Kleaf, thus allow-ing high stomatal conductance and carbon gain, and sup-porting higher growth rate. On the other hand, a lower Kleaf

in plants/leaves growing under chronic shade (depleted byblue light) reduces energy expenditure associated withAQP expression.

Green canopies strongly reduce not only total irradiance,but especially reduce blue and red light, leading to a spec-trum with a small peak in green and a large peak in far-redband in the inner canopy and understorey (Smith 1982;Urban et al. 2007). Those findings in combination with theeffects on Klb shown in this study result in a greater Klb forsun-exposed leaves than for the inner canopy and under-storey, given suppression by reduced irradiance as well asshifting light quality. Notably, cloud cover causes the spectrawithin and under canopies to shift to ‘white’, and thus couldreduce the relative inhibition of Klb for shaded leaves undercanopies (Endler 1993; Navrátil et al. 2007).The variation in

fluence rate and spectra within canopies would producestrong natural heterogeneity of Klb within and under cano-pies that would be dynamic with cloud cover, with poten-tially major impacts on gas exchange during overcast days.

The shift in distribution of the resistance between branch,petioles and leaf blades could also have implications for thedynamics of the hydraulic system in response to other envi-ronmental variables. Kleaf is known to decline as leavesdehydrate because of reductions of conductivity in thexylem caused by cavitation, and in the extra-xylem tissuescaused by losses of turgor. The impact of cavitation on Kleaf

will be stronger when more resistance is in the xylem,whereas the impact of losses of turgor may be strongerwhen more resistance is located outside the xylem (Bro-dribb & Holbrook 2006; Scoffoni et al. 2008). Thus, lightquality and quantity effects may alter the response of Kleaf

to dehydration by modulating the partitioning of resistancebetween sym- and apoplast (including the xylem of branch,petiole and venation). The same principle may apply totemperature variation, as Kleaf shows a small response ofxylem conductivity to temperature caused by changes inviscosity of water, and a greater response in the tissuesoutside the xylem because of changes in membrane per-meability; the greater the resistance of the extra-xylempathway, the greater the temperature response (Sack et al.2004).

Our experiment revealed that the shade leaves of silverbirch exhibited greater physiological dynamics in responseto spectral changes than sun leaves. The spectral sensitivityof Kleaf may be important for leaves deep within the canopythat experience a highly variable light regime and rely onsun flecks for photosynthesis. In large trees, the rapidadjustment of stomatal aperture and water fluxes, and con-sequent effects on leaf cooling, could be beneficial as aresponse to sun fleck patterns in lower canopy layers. Thegreater physiological responsiveness of shade foliage inresponse to light treatments in our study (Fig. 1) supportsthis idea. Our previous study (Sellin & Lubenets 2010) indi-cated that the partitioning of transpirational fluxes in thecanopy depended largely on soil-to-leaf hydraulic resis-tance, that is, on distribution of the resistance within a treecrown. The regulation of Kleaf by light quality provides anadditional mechanism for the adjustment of plant watertransport capacity to variation in the spectral distributionwithin vegetation, diurnally and seasonally. This regulationmay represent a mechanism for fine-tuning of leaf hydraulicproperties in the heterogeneous light environment within aforest canopy.

Light exposure time

Experimental evidence suggests that Kleaf depends on theduration of exposure to light (Cochard et al. 2007; Sellinet al. 2008). Our previous study in silver birch (Sellin et al.2008) revealed that Kleaf increased over 9 h of illuminationand then showed a decrease. The current experiment didnot indicate a significant trend in Klb over 5 h of exposure(Table 1). This discrepancy between the two studies could

1084 A. Sellin et al.

© 2011 Blackwell Publishing Ltd, Plant, Cell and Environment, 34, 1079–1087

be caused by the different experimental setups and mea-surement techniques: the methods rely on different drivingforces, the high-pressure method fills embolized xylem con-duits, and different photosynthetic photon flux densitiesand exposure times were applied.

We found that the KB of sun shoots decreased withincreasing exposure time (Fig. 3). Until quite recently, xylemwas considered as a system of inert pipes and a passivepathway for water flow.The possibility of rapid flow controlin xylem was not taken under consideration until the pastdecade, with the demonstration that changes in ionic con-centration of xylem sap are responsible for short-termmodulation of xylem hydraulic conductance (Zwienieckiet al. 2001; Gascó et al. 2006; Nardini et al. 2007; Cochardet al. 2010). The ion-mediated changes of xylem hydraulicconductance could arise from the shrinking and swelling ofthe inter-vessel pit membrane hydrogels in response to theosmotic concentration of the solution perfused (Ryden et al.2000; Zwieniecki et al. 2001).As we kept the shoots in deion-ized water during the experiment, the decrease of KB mayhave arisen from the dilution of xylem sap over time and lossof cations from the intervessel pit membranes.The observa-tion that KB showed a rising trend with increasing potassiumion concentration in the xylem sap of the shoots across alltreatments supports this idea. Additionally, a longer-termeffect of light availability on potassium ion concentrationwith respect to canopy position was also observable: mean[K+] was significantly higher in the upper-canopy shootsindependently of the experimental treatments, in accor-dance with higher KB. Our recent experiment (Sellin et al.2010) revealed that significant differences in [K+] remainedin branches of silver birch, taken from different heights,aftera 20 min perfusion of stems with deionized water under highpressure, suggesting that living tissues continue to enrich thexylem sap with potassium even after shoot/branch cutting(Metzner et al. 2010).

Overall our experiments indicated that light quality hada significant impact on leaf hydraulic properties, in away suggesting that spectrum-sensitive light receptors areinvolved in the regulation of AQPs in the hydraulicpathway. The changes in Kleaf with light spectral propertiesresulted in a redistribution of hydraulic resistance withinthe shoots. These results support the idea that light-mediated regulation of Kleaf involves differential opening ofthe plasma membrane AQPs in mesophyll or bundle sheathcells and points to a need to determine the light receptorsimportant in this process.

ACKNOWLEDGMENT

This study was supported by Grant no. 8333 from theEstonian Science Foundation.

REFERENCES

Becker P., Tyree M.T. & Tsuda M. (1999) Hydraulic conductancesof angiosperms versus conifers: similar transport sufficiency atthe whole-plant level. Tree Physiology 19, 445–452.

Briggs W.R. (2009) The ever widening world of plant photorecep-tors: what they are and what they do. Annual Review of PlantBiology 60. DOI:10.1146/annurev.arplant.59.092409. 100001.

Brodribb T.J. & Holbrook N.M. (2004) Stomatal protection againsthydraulic failure: a comparison of coexisting ferns andangiosperms. New Phytologist 162, 663–670.

Brodribb T.J. & Holbrook N.M. (2005) Leaf hydraulic capacity inferns, conifers and angiosperms: impacts on photosyntheticmaxima. New Phytologist 165, 839–846.

Brodribb T.J. & Holbrook N.M. (2006) Declining hydraulic effi-ciency as transpiring leaves desiccate: two types of response.Plant, Cell & Environment 29, 2205–2215.

Brodribb T.J., Feild T.S. & Jordan G.J. (2007) Leaf maximumphotosynthetic rate and venation are linked by hydraulics.Plant Physiology 144, 1890–1898.

Chen M., Chory J. & Fankhauser C. (2004) Light signal transduc-tion in higher plants. Annual Review of Genetics 38, 87–117.

Chrispeels M.J. & Maurel C. (1994) Aquaporins: the molecularbasis of facilitated water movement through living plant cells?Plant Physiology 105, 9–13.

Cochard H., Nardini A. & Coll L. (2004) Hydraulic architecture ofleaf blades: where is the main resistance? Plant, Cell & Environ-ment 27, 1257–1267.

Cochard H., Venisse J.-S., Barigah T.S., Brunel N., Herbette S.,Guilliot A., Tyree M.T. & Sakr S. (2007) Putative role of aqua-porins in variable hydraulic conductance of leaves in response tolight. Plant Physiology 143, 122–133.

Cochard H., Herbette S., Hernández E., Hölttä T. & Mencuccini M.(2010) The effects of sap ionic composition on xylem vulnerabil-ity to cavitation. Journal of Experimental Botany 61, 275–285.

Demarsy E. & Fankhauser C. (2009) Higher plants use LOVto perceive blue light. Current Opinion in Plant Biology 12,69–74.

Domec J.-C., Palmroth S., Ward E., Maier C.A., Thérézien M. &Oren R. (2009) Acclimation of leaf hydraulic conductance andstomatal conductance of Pinus taeda (loblolly pine) to long-term growth in elevated CO2 (free-air CO2 enrichment) andN-fertilization. Plant, Cell & Environment 32, 1500–1512.

Endler J.A. (1993) The color of light in forests and its implications.Ecological Monographs 63, 1–27.

Franks P.J. (2006) Higher rates of leaf gas exchange are associatedwith higher leaf hydrodynamic pressure gradients. Plant, Cell &Environment 29, 584–592.

Gascó A., Nardini A. & Salleo S. (2004) Resistance to water flowthrough leaves of Coffea arabica is dominated by extra-vasculartissues. Functional Plant Biology 31, 1161–1168.

Gascó A., Nardini A., Gortan E. & Salleo S. (2006) Ion-mediatedincrease in the hydraulic conductivity of Laurel stems: role ofpits and consequences for the impact of cavitation on watertransport. Plant, Cell & Environment 29, 1946–1955.

Gilbert I.R., Jarvis P.G. & Smith H. (2001) Proximity signal andshade avoidance differences between early and late successionaltrees. Nature 411, 792–795.

Gyenge J.E., Fernández M.E., Dalla Salda G. & Schlichter T. (2005)Leaf and whole-plant water relations of the Patagonian coniferAustrocedrus chilensis (D. Don) Pic. Ser. et Bizzarri: implicationson its drought resistance capacity. Annals of Forest Science 62,297–302.

Heinen R.B., Ye Q. & Chaumont F. (2009) Role of aquaporins inleaf physiology. Journal of Experimental Botany 60, 2971–2985.

Henzler T., Ye Q. & Steudle E. (2004) Oxidative gating of waterchannels (aquaporins) in Chara by hydroxyl radicals. Plant, Cell& Environment 27, 1184–1195.

Inada K. (1976) Action spectra for photosynthesis in higher plants.Plant and Cell Physiology 17, 355–365.

Impact of light quality on leaf hydraulics 1085

© 2011 Blackwell Publishing Ltd, Plant, Cell and Environment, 34, 1079–1087

Inada S., Ohgishi M., Mayama T., Okada K. & Sakai T. (2004)RPT2 is a signal transducer involved in phototropic responseand stomatal opening by association with phototropin 1 inArabidopsis thaliana. The Plant Cell 16, 887–896.

Inoue S.-I., Kinoshita T., Matsumoto M., Nakayama K.I., Doi M. &Shimazaki K.-I. (2008) Blue light-induced autophosphorylationof phototropin is a primary step for signaling. Proceedings of theNational Academy of Sciences of the United States of America105, 5626–5631.

Johansson I., Karlsson M., Shukla V.K., Chrispeels M.J., Larsson C.& Kjellbom P. (1998) Water transport activity of the plasmamembrane aquaporin PM28A is regulated by phosphorylation.The Plant Cell 10, 451–459.

Johnson K.D. & Chrispeels M.J. (1992) Tonoplast-bound proteinkinase phosphorylates tonoplast intrinsic protein. Plant Physiol-ogy 100, 1787–1795.

Kaldenhoff R., Kölling A. & Richter G. (1996) Regulation of theArabidopsis thaliana aquaporin gene AthH2 (PIP1b). Journal ofPhotochemistry and Photobiology B: Biology 36, 351–354.

Kim Y.X. & Steudle E. (2009) Gating of aquaporins by light andreactive oxygen species in leaf parenchyma cells of the midrib ofZea mays. Journal of Experimental Botany 60, 547–556.

Lo Gullo M.A., Nardini A., Trifilò P. & Salleo S. (2005) Diurnal andseasonal variations in leaf hydraulic conductance in evergreenand deciduous trees. Tree Physiology 25, 505–512.

Matzner S. & Comstock J. (2001) The temperature dependence ofshoot hydraulic resistance: implications for stomatal behaviourand hydraulic limitation. Plant, Cell & Environment 24, 1299–1307.

Maurel C. (1997) Aquaporins and water permeability of plantmembranes. Annual Review of Plant Physiology and PlantMolecular Biology 48, 399–429.

Metzner R., Thorpe M.R., Breuer U., Blümler P., Schurr U.,Schneider H.U. & Schroeder W.H. (2010) Contrasting dynamicsof water and mineral nutrients in stems shown by stable isotopetracers and cryo-SIMS. Plant, Cell & Environment 33, 1393–1407.

Nardini A. (2001) Are sclerophylls and malacophylls hydraulicallydifferent? Biologia Plantarum 44, 239–245.

Nardini A. & Pitt F. (1999) Drought resistance of Quercuspubescens as a function of root hydraulic conductance, xylemembolism and hydraulic architecture. New Phytologist 143, 485–493.

Nardini A. & Salleo S. (2000) Limitation of stomatal conductanceby hydraulic traits: sensing or preventing xylem cavitation? Trees15, 14–24.

Nardini A., Salleo S. & Andri S. (2005) Circadian regulation of leafhydraulic conductance in sunflower (Helianthus annuus L. cvMargot). Plant, Cell & Environment 28, 750–759.

Nardini A., Gasco A., Trifilo P., Lo Gullo M.A. & Salleo S. (2007)Ion-mediated enhancement of xylem hydraulic conductivity isnot always suppressed by the presence of Ca2+ in the sap. Journalof Experimental Botany 58, 2609–2615.

Nardini A., Grego F., Trifilò P. & Salleo S. (2010) Changes of xylemsap ionic content and stem hydraulics in response to irradiancein Laurus nobilis. Tree Physiology 30, 628–635.

Navrátil M., Špunda V., Marková I. & Janouš D. (2007) Spectralcomposition of photosynthetically active radiation penetratinginto a Norway spruce canopy: the opposite dynamics of theblue/red spectral ratio during clear and overcast days. Trees 21,311–320.

Pieruschka R., Huber G. & Berry J.A. (2010) Control of transpira-tion by radiation. Proceedings of the National Academy ofSciences of United States of America 107, 13372–13377.

Prak S., Hem S., Boudet J., Viennois G., Sommerer N., RossignolM., Maurel C. & Santoni V. (2008) Multiple phosphorylations in

the C-terminal tail of plant plasma membrane aquaporins.Molecular & Cellular Proteomics 7, 1019–1030.

Reinhardt K., Smith W.K. & Carter G.A. (2010) Clouds and cloudimmersion alter photosynthetic light quality in a temperatemountain cloud forest. Botany 88, 462–470.

Ryden P., MacDougall A.J., Tibbits C.W. & Ring S.G. (2000) Hydra-tion of pectic polysaccharides. Biopolymers 54, 398–405.

Sack L. & Frole K. (2006) Leaf structural diversity is related tohydraulic capacity in tropical rain forest trees. Ecology 87, 483–491.

Sack L. & Holbrook N.M. (2006) Leaf hydraulics. Annual Reviewof Plant Biology 57, 361–381.

Sack L. & Tyree M.T. (2005) Leaf hydraulics and its implications inplant structure and functions. In Vascular Transport in Plants(eds N.M. Holbrook & M.A. Zwieniecki) pp. 93–114. ElsevierAcademic Press, Burlington, VT, USA.

Sack L., Melcher P.J., Zwieniecki M.A. & Holbrook N.M. (2002)The hydraulic conductance of the angiosperm leaf lamina: acomparison of three measurement methods. Journal of Experi-mental Botany 53, 2177–2184.

Sack L., Cowan P.D., Jaikumar N. & Holbrook N.M. (2003) The‘hydrology’ of leaves: co-ordination of structure and function intemperate woody species. Plant, Cell & Environment 26, 1343–1356.

Sack L., Streeter C.M. & Holbrook N.M. (2004) Hydraulic analysisof water flow through leaves of sugar maple and red oak. PlantPhysiology 134, 1824–1833.

Sack L., Tyree M.T. & Holbrook N.M. (2005) Leaf hydraulic archi-tecture correlates with regeneration irradiance in tropical rain-forest trees. New Phytologist 167, 403–413.

Scoffoni C., Pou A., Aasamaa K. & Sack L. (2008) The rapid lightresponse of leaf hydraulic conductance: new evidence from twoexperimental methods. Plant Cell & Environment 31, 1803–1812.

Sellin A. & Kupper P. (2005a) Effects of light availability versushydraulic constraints on stomatal responses within a crown ofsilver birch. Oecologia 142, 388–397.

Sellin A. & Kupper P. (2005b) Variation in leaf conductance ofsilver birch: effects of irradiance, vapour pressure deficit, leafwater status and position within a crown. Forest Ecology andManagement 206, 153–166.

Sellin A. & Kupper P. (2007a) Effects of enhanced hydraulic supplyfor foliage on stomatal responses in little-leaf linden (Tiliacordata Mill.). European Journal of Forest Research 126, 241–251.

Sellin A. & Kupper P. (2007b) Temperature, light and leaf hydraulicconductance of little-leaf linden (Tilia cordata) in a mixed forestcanopy. Tree Physiology 27, 679–688.

Sellin A. & Lubenets K. (2010) Variation of transpiration within acanopy of silver birch: effect of canopy position and daily versusnightly water loss. Ecohydrology 3, 467–477.

Sellin A., Õunapuu E. & Kupper P. (2008) Effects of light intensityand duration on leaf hydraulic conductance and distribution ofresistance in shoots of silver birch (Betula pendula). PhysiologiaPlantarum 134, 412–420.

Sellin A., Õunapuu E. & Karusion A. (2010) Experimental evi-dence supporting the concept of light-mediated modulation ofstem hydraulic conductance. Tree Physiology 30, 1528–1535.

Sharkey T.D. & Ogawa T. (1987) Stomatal responses to light. InStomatal Function (eds E. Zeiger, G. Farquhar & I. Cowan) pp.195–208. Stanford University Press, Stanford, CA, USA.

Shimazaki K., Doi M., Assmann S.M. & Kinoshita T. (2007) Lightregulation of stomatal movement. Annual Review of PlantBiology 58, 219–247.

Smith H. (1982) Light quality, photoperception, and plant strategy.Annual Review of Plant Physiology 33, 481–518.

1086 A. Sellin et al.

© 2011 Blackwell Publishing Ltd, Plant, Cell and Environment, 34, 1079–1087

Sokal R.R. & Rohlf F.J. (1995) Biometry: The Principles and Prac-tice of Statistics in Biological Research p. 887. W. H. Freeman andCo., New York, NY, USA.

Stark N., Spitzner C. & Essig D. (1985) Xylem sap analysisfor determining the nutritional status of trees: Pseudotsugamenziesii. Canadian Journal of Forest Research 15, 429–437.

Trifilò P., Nardini A., Lo Gullo M.A. & Salleo S. (2003) Vein cavi-tation and stomatal behaviour of sunflower (Helianthus annuus)leaves under water limitation. Physiologia Plantarum 119, 409–417.

Tyerman S.D., Niemietz C.M. & Bramley H. (2002) Plant aquapor-ins: multifunctional water and solute channels with expandingroles. Plant, Cell & Environment 25, 173–194.

Tyree M.T., Nardini A., Salleo S., Sack L. & El Omari B. (2005) Thedependence of leaf hydraulic conductance on irradiance duringHPFM measurements: any role for stomatal response? Journalof Experimental Botany 56, 737–744.

Urban O., Janouš D., Acosta M., et al. (2007) Ecophysiologicalcontrols over the net ecosystem exchange of mountain sprucestand. Comparison of the response in direct versus diffuse solarradiation. Global Change Biology 13, 157–168.

Voicu M.C. & Zwiazek J.J. (2010) Inhibitor studies of leaf laminahydraulic conductance in trembling aspen (Populus tremuloidesMichx.) leaves. Tree Physiology 30, 193–204.

Voicu M.C., Zwiazek J.J. & Tyree M.T. (2008) Light response ofhydraulic conductance in bur oak (Quercus macrocarpa) leaves.Tree Physiology 28, 1007–1015.

Voicu M.C., Cooke J.E.K. & Zwiazek J.J. (2009) Aquaporingene expression and apoplastic water flow in bur oak (Quercusmacrocarpa) leaves in relation to the light response of leafhydraulic conductance. Journal of Experimental Botany 60,4063–4075.

Woodruff D.R., McCulloh K.A., Warren J.M., Meinzer F.C. &Lachenbruch B. (2007) Impacts of tree height on leaf hydraulicarchitecture and stomatal control in Douglas-fir. Plant, Cell &Environment 30, 559–569.

Yang S.D. & Tyree M.T. (1994) Hydraulic architecture of Acersaccharum and A. rubrum: comparison of branches to wholetrees and the contribution of leaves to hydraulic resistance.Journal of Experimental Botany 45, 179–186.

Zeiger E., Talbott L.D., Frechilla S., Srivastava A. & Zhu J. (2002)The guard cell chloroplast: a perspective for the twenty-firstcentury. New Phytologist 153, 415–424.

Zwieniecki M.A., Melcher P.J. & Holbrook N.M. (2001) Hydrogelcontrol of xylem hydraulic resistance in plants. Science 291,1059–1062.

Received 19 October 2010; received in revised form 1 February 2011;accepted for publication 3 February 2011

Impact of light quality on leaf hydraulics 1087

© 2011 Blackwell Publishing Ltd, Plant, Cell and Environment, 34, 1079–1087

Lisa 2

Sellin A., Õunapuu E. & Karusion A. (2010). Experimental evidence supporting the concept

of light-mediated modulation of stem hydraulic conductance. Tree Physiology, 30, 1528-

1535.

Experimental evidence supporting the concept of light-mediatedmodulation of stem hydraulic conductance

ARNE SELLIN,1,2 EELE ÕUNAPUU1 and ANNIKA KARUSION1

1 Institute of Ecology and Earth Sciences, University of Tartu, Lai 40, 51005 Tartu, Estonia2 Corresponding author (arne.sellin@ut.ee)

Received July 16, 2010; accepted September 6, 2010; published online November 11, 2010; handling Editor Ram Oren

Summary It is a well-described phenomenon that plantleaves respond to changes in light intensity and duration byadjusting leaf hydraulic efficiency, and there is current con-sensus that up- or down-regulation of water channels (aqua-porins) in the plasma membrane of the bundle sheath andmesophyll cells play a central role in the underlying mech-anisms. Recently, experimental evidence has been providedalso for light-mediated changes of stem hydraulic conduc-tance (Kstem) in field-grown laurel plants. This effect wasattributed to differences in potassium ion concentration ofxylem sap as a function of light conditions. In the presentarticle, we report evidence obtained in silver birch (Betulapendula Roth), supporting the concept of light-mediatedmodulation of Kstem. Both canopy position (long-termeffect) and current photosynthetic photon flux density(PPFD; short-term effect) had a significant impact (P <0.001) on Kstem measured in shoots taken from the lower(shade shoots) and upper (sun shoots) third of the crowns of�25-year-old trees growing in a natural forest stand. Theshade shoots responded more sensitively to light manipu-lation: Kstem increased by 51% in shade shoots and 26% insun shoots when PPFD increased from 70 to 330 μmol m−2

s−1. In 4-year-old trees growing in a dense experimentalplantation, Kstem, specific conductivity of branch-wood (kbw)and potassium ion concentration ([K+]) in xylem sap variedin accordance with canopy position (P < 0.001). Both Kstem

and kbw increased considerably with light availability,increasing within the tree crowns from bottom to top; therewas a strong relationship between mean values of Kstem and[K+] in hydraulically sampled branches.

Keywords: Betula pendula, canopy position, light intensity,potassium ions, silver birch, specific hydraulic conductivity,xylem sap.

Introduction

It is a widely accepted standpoint that plant leaves respond tolight in a short time scale by adjusting leaf hydraulic

efficiency, and there is a general consensus that up- or down-regulation of water channels in the plasma membrane of leafcells plays a central role in the underlying mechanisms.Mounting evidence confirms the variability of leaf hydraulictraits depending on light availability (Sack et al. 2005, Sackand Holbrook 2006, Voicu et al. 2009). A study of 11 temper-ate deciduous tree species revealed that leaf hydraulic conduc-tance (KL) increased with irradiance for six of the speciestested (Tyree et al. 2005). Sellin et al. (2008a) indicated thatleaves of silver birch (Betula pendula Roth) respond to lightby adjusting their hydraulic efficiency depending on bothlight duration and intensity. Experimental evidence suggeststhat the light-induced enhancement of KL is controlled byfactors acting on extra-vascular tissues and involvesexpression or activation of plasma membrane aquaporins(AQPs) in mesophyll or bundle sheath cells (Tyree et al.2005, Cochard et al. 2007, Voicu et al. 2008, Heinenet al. 2009). Although some studies (Lee et al. 2009, Voicuet al. 2009) have failed to confirm the role of AQPs in thelight-induced enhancement of hydraulic conductance in somespecies, they do not denounce the concept as a whole. Thesepapers rather indicate that regulation of the AQP-mediatedwater transport processes is more complicated and cannotalways be explained merely by changes in the transcript level.As a rule, hydraulic conductance of sun leaves compared withshade leaves (Sack et al. 2003, Sellin and Kupper 2007a,2007b, Sellin et al. 2008a), and KL of sun-dwelling speciescompared with shade-growing species (Brodribb andHolbrook 2004, Sack et al. 2005, Sack and Frole 2006), havebeen found to be significantly higher. Diurnal variation in KL

is also related to temporal patterns of light intensity, con-firmed by experiments carried out on both herbaceous(Nardini et al. 2005) and woody plants (Lo Gullo et al. 2005).The impact of light availability on stem hydraulic conduc-

tance (Kstem) is also well documented; however, it is observa-ble on a longer—developmental—time scale. A number ofstudies (e.g., Lemoine et al. 2002a, Aasamaa et al. 2004,Jerez et al. 2004, Burgess et al. 2006, Sellin and Kupper2007a, Sellin et al. 2008a) demonstrate that upper-crownbranches, developing under higher radiation load, temperature

Tree Physiology 30, 1528–1535doi:10.1093/treephys/tpq091

© The Author 2010. Published by Oxford University Press. All rights reserved.For Permissions, please email: journals.permissions@oxfordjournals.org

at Library on January 17, 2012

http://treephys.oxfordjournals.org/D

ownloaded from

and wind, are characterized by higher hydraulic capacitycompared with lower-crown branches. All these environ-mental factors enhance transpirational water loss from thefoliage, and therefore a more efficient water transport systemis necessary to provide an adequate water supply tosun-exposed leaves, maintain a balance between gas- andliquid-phase conductances and diminish desiccation-inducedrisk of xylem cavitation. Lemoine et al. (2002b) demonstratedexperimentally how vessel diameter and leaf-specific conduc-tivity increased in branches of Fagus sylvatica L. in responseto increased light availability due to stand thinning.Until quite recently, xylem—consisting of dead intercon-

nected cells—was treated as a system of inert pipes and apassive pathway for water flow in plants. Hydraulic conduc-tivity of the xylem has been considered to be dependentmainly on the anatomical characteristics of the xylem con-duits, whereas the possibility of rapid flow control in xylemhas not been considered. More than 30 years ago,Zimmermann (1978) observed that the use of deionizedwater as a permeation fluid for hydraulic measurements sig-nificantly increased the hydraulic resistance of stem seg-ments. However, only during the present decade has it beenproved that changes in ionic strength of xylem sap (i.e., theconcentration of cations in xylem sap) are responsible forshort-term modulation of xylem hydraulic conductance (vanIeperen et al. 2000, Zwieniecki et al. 2001, Gascó et al.2006, van Ieperen and van Gelder 2006, Nardini et al. 2007,Cochard et al. 2010). The ion-mediated changes in xylemhydraulic conductance could be attributed to the shrinkingand swelling of the intervessel pit membrane hydrogels(pectins) in response to the changes in the osmotic strengthof the solution perfused (Ryden et al. 2000, Zwienieckiet al. 2001, van Ieperen 2007).To our knowledge, Nardini et al. (2010) for the first time

unequivocally demonstrated that short-term changes in Kstem

are related to light conditions. More specifically, theyrecorded significant correlated differences in Kstem and xylemsap [K+] in laurel branches with respect to light availability,while [K+] turned out to be a function of light intensity at thetime of sampling. Because water flows in the stem throughxylem conduits that are inter-connected through a mesh ofcellulose microfibrils covered by pectin (in bordered pits), theionic effect appears to be a likely candidate for explainingshort-term changes in Kstem induced by light conditions. Thepresent study was not designed specially with the aim ofexploring profoundly the mechanisms behind this phenom-enon; rather, we just wish to report some evidence, obtainedfrom two different experiments, supporting the concept oflight-mediated modulation of stem hydraulic conductance.

Materials and methods

Study area and sample trees

The studies were performed in silver birch (B. pendulaRoth), a common broad-leaved tree species in temperate

and boreal forests in Europe. The experimental sites werelocated in Järvselja Experimental Forest, Eastern Estonia;detailed data on the vegetation and climate of the studyarea are presented in Sellin and Kupper (2005a, 2005b).In the first experiment, birch trees from a naturallyregenerated mixed stand located near Liispõllu village(58°160N, 27°160E, elevation �40 m above sea level(ASL)) were sampled. Shoots from four �25-year-oldtrees (height 15.5–17.0 m, diameter at breast height 10.3–12.4 cm) were sampled in the lower (shade shoots) andupper (sun shoots) thirds of their crown. The differen-tiation into sun and shade shoots/foliage was wellreflected in leaf morphology, both in specific leaf areaand stomatal characteristics, published in our previousstudies (Sellin and Kupper 2006, Sellin et al. 2010).The second experiment was carried out in a forest

plantation equipped with experimental facilities for FreeAir Humidity Manipulation (FAHM), situated at Rõkavillage (58°240N, 27°290E, 40–48 m ASL). The exper-imental area was established on an abandoned agricul-tural field in 2006–07. The study site is a fenced area of2.7 ha consisting of nine 14 × 14 m experimental plotsplanted with hybrid aspen and silver birch plants, sur-rounded by a buffer zone. The stand density in thebuffer zone around the experimental plots is 2,500 treesha−1; the density in experimental plots is 10,000 treesha−1. The computer-operated FAHM system, based on anapproach integrating two different technologies—amisting technique to atomize/vaporize water (Adaskaveget al. 1990) and a FACE-like technology (Hendrey et al.1999) to mix humidified air inside the plots, enables therelative humidity of the air to be increased up to 18%over the ambient level during humidification treatment.Detailed description of the FAHM site and experimentalsetup is available on the internet (http://www.lote.ut.ee/FAHM/in-english). The humidification was started inJune 2008; hydraulic measurements were performed fromthe end of July to mid-August in 2009. We sampleddestructively six trees from the humidified plots (meanheight 3.3 m; leaf area index (LAI) 3.0 m2 m−2) and sixtrees from the control plots (mean height 3.8 m; LAI3.1 m2 m−2). Light availability within a canopy at theFAHM site was estimated using the hemispherical photo-graphic technique (Bréda et al. 2002, Hale and Edwards2002). Photographs (n = 108) were taken at differentheights in the canopy with a Coolpix digital camera(Nikon Corp., Tokyo, Japan) equipped with a fisheyelens, and the hemispherical images were analysed byapplying WinSCANOPY, Vers. 2.1A software (RegentInstruments, Ottawa, Canada). The radiation regime wascharacterized with a direct site factor (the proportion ofdirect solar radiation reaching a given location) and indir-ect site factor (the proportion of diffuse solar radiationreaching a given location). The vertical profiles of lightavailability are presented in Figure 1. The control andhumidified plots did not differ in light regime.

LIGHT-MEDIATED MODULATION OF HYDRAULIC CONDUCTANCE 1529

TREE PHYSIOLOGY ONLINE at http://www.treephys.oxfordjournals.org

at Library on January 17, 2012

http://treephys.oxfordjournals.org/D

ownloaded from

Lab experiment (Experiment I)

In the evening prior to the measurement days, birch shoots(15–35 cm long, bearing at least nine leaves) were cut underwater and, if necessary, recut carefully under water and putinto beakers with their basal ends submerged in water. Inthe laboratory, the shoots were put into plastic flasks filledwith deionized, filtered (Direct-Q3 UV water purificationsystem; Millipore SAS, Molsheim, France) and freshlydegassed (T-04-125 ultrasonic-vacuum degasser; TerrissConsolidated Industries, Asbury Park, NJ, USA) water. Twoleaves from each shoot were prepared for measurement ofwater potential of the branch xylem (ΨB). These leaveswere enclosed in small minigrip bags, sealed with tape andwrapped in aluminium foil. The shoots were then placed ina dark room and left overnight. Details of the experimenthave been published in Sellin et al. (2008a).In the morning, the shoots were exposed to light (Master

SON-T PIA Agro high-pressure sodium lamps, 400 W;Philips, Eindhoven, The Netherlands) for 7 h before theconductance measurements. Both shade (95 shoots in all)and sun (96 shoots in all) shoots were exposed to fourdifferent irradiance levels: PPFD was 70, 140, 330 and610 μmol m−2 s−1. Irradiance was modified by changing thedistance from the lamps and using neutral shading nets. Airabove the shoots was agitated with a fan to minimize localtemperature gradients. Hydraulic conductance of shoot (KS)and leaves (KL) was determined by the evaporative fluxmethod (Wullschleger et al. 1998, Brodribb and Holbrook2003) under steady-state conditions and was calculatedaccording to the Ohm’s law analogy:

KS;L ¼ E

DC; ð1Þ

where E is the evaporative flux density and ΔΨ is the waterpotential drop across the corresponding segment (whole

shoot or leaf ). E was measured at the leaf surface with anLI-1600M steady-state diffusion porometer (Li-CorBiosciences, Lincoln, NE, USA), sampling three to fourleaves per shoot. Leaf temperature (TL) was recorded withfine copper–constantan thermocouples installed in theporometer.Immediately after the porometric measurements, the bulk

leaf water potential (ΨL) in three leaves per shoot was deter-mined by the balancing pressure technique using aScholander-type pressure chamber. The leaves for poro-metric and pressure chamber measurements were chosenrandomly, from different parts of the shoot. ΨB was esti-mated by applying the method of bagged leaves (Nardiniet al. 2001, Brodribb and Holbrook 2003), sampling twoleaves at different heights on the shoot, which had been pre-pared the previous evening. Water potential of the non-transpiring (bagged) leaves, which was presumed to haveequilibrated with the xylem water potential of the branchproximal to the petiole, was taken as a proxy of ΨB. Afterthe pressure chamber measurements, total area of leafblades was determined with an AM300 digital area meter(ADC BioScientific, Great Amwell, UK). Stem (i.e., leaflessbranch) hydraulic conductance (Kstem) was calculated asfollows:

Kstem ¼ ðK�1S � K�1

L Þ�1 ; ð2Þ

The data on hydraulic conductance were corrected for thedynamic viscosity of water at 24 °C and normalized toshoot size by expressing the conductance values per unitarea of the leaf blades.

FAHM experiment (Experiment II)

Sample branches were cut from three heights in the canopy:on average at 53 (mean length 91 cm), 177 (mean length112 cm) and 227 cm (mean length 91 cm). The cut endswere recut under water and the branches were immediatelyhydraulically measured under a PPFD of 120–150 µmolm−2 s−1 (Master SON-T PIA Agro lamps, Philips). Airabove the branch was agitated with a fan to avoidspatial temperature differences. Hydraulic conductance ofthe branches and their parts—leafless stem, petioles, leafblades—was determined by the water perfusion methodusing a high-pressure flow meter (HPFM; Dynamax,Houston, TX, USA) applied on a quasi-steady-state mode,and by removing leaf blades and petioles in sequence.Tyree et al. (2005) indicated that stomatal openness doesnot influence the results of hydraulic measurements usingan HPFM. As in most cases the leaf blade cutting (i.e., con-stant readings for the leafy branch achieved) was reached in20 min; this time interval was considered too short to causelight-induced changes in xylem sap properties (Sellin et al.2008a, Nardini et al. 2010). Therefore, the readings of Kstem

rather reflect a response to the preceding situation, the lightconditions included. We concede that dilution of xylem sap

Figure 1. Vertical profiles of light availability within a canopy atthe FAHM site in August of 2009. The arrows denote the meanheight of the lower (L), medium (M) and upper (U) samplebranches.

SELLIN ET AL.1530

TREE PHYSIOLOGY VOLUME 30, 2010

at Library on January 17, 2012

http://treephys.oxfordjournals.org/D

ownloaded from

is inevitable when using deionized water as a permeationfluid.After achieving stable readings with HPFM for the leaf-

less branch, the distal part of the branch was cut off. Theremaining 15- to 20-cm basal segment of the branch, leftconnected to the pressure coupling, was perfused again todetect the specific hydraulic conductivity of branch-wood(kbw), to be calculated as follows:

kbw ¼ Kseg � l

AX; ð3Þ

where Kseg is the hydraulic conductance of the branchsegment, l is the length of the segment and AX the cross-sectional area of xylem. The mean pressures applied duringthe quasi-steady-state measurements were 0.34 ± 0.020 and0.20 ± 0.016 MPa for determination of Kstem and kbw,respectively. After the hydraulic measurements, all leaveswere collected and the total area of leaf blades was deter-mined with an LI-3100C optical area meter (Li-CorBiosciences). The data on Kstem were corrected for thedynamic viscosity of water at 22 °C and normalized tobranch size by expressing the conductance values per unitarea of the leaf blades. Altogether, 36 branches (2 treat-ments × 3 sample plots × 2 trees × 3 canopy positions) weresampled for hydraulic properties.To test for light-mediated modification of the ionic

content of the xylem sap and consequent changes in Kstem

(Zwieniecki et al. 2001, Nardini et al. 2007, Cochard et al.2010), we determined potassium ion concentration ([K+]) ofthe sap. [K+] was measured simultaneously in pairs ofbranches taken from the same tree and height: one ofthem — a branch used for hydraulic measurements, theother — an unperfused branch closest to the first one. Theextraction procedure of the xylem sap followed in mainpoints as described by Stark et al. (1985). Extraction wasperformed on the leafless branch segment after �3 cm ofthe bark had been removed from the cut end of the shoot toavoid contamination with phloem sap. The cut end of thestem was slipped through a tightly fitting rubber stopper andthe stopper was inserted into the pressure chamber (Model1000; PMS Instrument Company, Albany, OR, USA) withthe cut end extending out through the top of the chamber.The stripped end was cleaned with deionized water, wipedwith filter paper and fitted with a tightly fitting piece ofplastic tubing. The pressure was increased slowly to 2.0MPa and the extracted xylem sap was collected in a 1.5-mlEppendorf tube. A sap sample of 0.1 ml was immediatelymeasured for [K+] using a C-131 potassium ion meter(Horiba, Kyoto, Japan), based on ion-selective electrodes.

Data analysis

Data analysis was carried out using Statistica, Vers. 7.1(StatSoft, Inc., USA). To analyse the effects on hydrauliccharacteristics of light intensity, canopy position and

treatment, all treated as fixed factors, an analysis of variance(ANOVA) was applied. Type III sums of squares were usedin the calculations. Normality and homogeneity of varianceswere checked using the Kolmogorov–Smirnov D-statisticand the Levene test, respectively. When appropriate, logar-ithmic or root transformations were applied to the data. Posthoc mean comparisons were conducted using the TukeyHSD test. Bivariate relationships between the studiedcharacteristics and independent variables were assessed byPearson’s correlations or simple linear regressions based onthe least-squares method.

Results

Experiment I

The ANOVA revealed that the effects of both canopy pos-ition and PPFD on stem hydraulic conductance (Kstem)measured in the shoots of the trees growing in a naturalforest stand were highly significant (P < 0.001; Table 1).The interaction of canopy position and PPFD also proved tobe relevant and is expressed by different patterns of Kstem inshade versus sun shoots with increasing irradiance(Figure 2). In shade shoots, Kstem increased consistentlywith irradiance rising from 70 to 330 μmol m−2 s−1, anddecreased again at a PPFD of 610 μmol m−2 s−1. In sunshoots, Kstem did not start to increase until a PPFD of140 μmol m−2 s−1 was reached and did not show a decreaseat PPFD >330 μmol m−2 s−1. The shade shoots respondedmore sensitively to the light manipulation: Kstem increasedby 51% in shade and 26% in sun shoots if PPFD increasedfrom 70 to 330 μmol m−2 s−1. Across all light intensities,Kstem averaged 15.5 ± 0.43 and 11.1 ± 0.29 × 10−4 kg m−2

s−1 MPa−1 for sun and shade shoots, respectively.

Experiment II

Canopy position had a significant effect on stem hydraulicproperties and potassium ion concentration in xylem sap ofthe branches in young birch trees growing at the FAHM site(Table 2). As we did not establish statistically significantchanges in any of the four characteristics with respect to thehumidification, the data on both treatments were further

Table 1. Results of ANOVA for the effects of canopy position andlight intensity on stem hydraulic conductance (ln Kstem) measuredin shoots of trees growing in a natural forest stand (n = 756).

Factor SS df MS F P

Canopy position 18.41 1 18.41 76.61 <0.001PPFD 11.57 3 3.86 16.05 <0.001Can. pos. × PPFD 2.86 3 0.95 3.97 0.008Error 179.79 748 0.24

SS, sum of squares; MS, mean square; F, F-ratio; P, statisticalsignificance.

LIGHT-MEDIATED MODULATION OF HYDRAULIC CONDUCTANCE 1531

TREE PHYSIOLOGY ONLINE at http://www.treephys.oxfordjournals.org

at Library on January 17, 2012

http://treephys.oxfordjournals.org/D

ownloaded from

analysed together. Kstem increased within the tree crownsfrom bottom to top: medium branches exhibited on average1.2 times and top branches 1.8 times higher Kstem whencompared with the lower-crown branches (Figure 3).Specific hydraulic conductivity of branch-wood followed asimilar trend, although the within-crown range of kbw wassmaller (1.5-fold). Similarly, [K+] of xylem sap in both per-fused and unperfused branches increased acropetally withinthe canopy (Figure 4). Water perfusion of hydraulicallysampled branches brought about dilution of the xylem sapand caused [K+] to decrease roughly by half (P < 0.001). Inspite of the large scatter of the data and the dilution effect,there was a strong relationship (R2 = 0.917, P = 0.003)between the mean values of Kstem and [K+] in hydraulicallysampled branches (Figure 5).

Discussion

Shoots of B. pendula, sampled by the evaporative fluxmethod in lab conditions (Experiment I), exhibited substan-tial differences in stem hydraulic conductance depending onthe incident PPFD (Figure 2). Kstem of sun shoots increasedwith increasing light intensity across the whole range ofPPFD applied in the experiment, that of shade shoots, up to330 μmol m−2 s−1, although the shade shoots respondedmore sensitively to the light manipulation. The resultssuggest that light can induce short-term (time scale inhours) changes in the water transport capacity of the xylem,enhancing hydraulic efficiency at higher irradiance. Ourdata are consistent with the concept of light-mediated modu-lation of stem hydraulic conductance advanced by Nardiniet al. (2010). Their experiment unequivocally demonstratedthat light-driven changes in Kstem are associated with differ-ences in [K+] of xylem sap, i.e., it is a consequence of

Table 2. Results of ANOVA for the effects of canopy position andhumidity treatment on stem hydraulic properties and potassium ionconcentration of xylem sap ([K+]) in branches of trees at theFAHM site (n = 36).

Dependent variable Factor Statisticalsignificance (P)

Stem hydraulic conductance,Kstem

Canopyposition

<0.001

Treatment nsSpecific conductivity ofbranch-wood, kbw

Canopyposition

0.011

Treatment ns[K+] in perfused branches Canopy

position<0.001

Treatment ns[K+] in unperfused branches Canopy

position0.013

Treatment ns

ns, not significant.

Figure 3. Vertical variation in stem hydraulic conductance (Kstem)and specific conductivity of branch-wood (kbw) within a canopy.The bars indicate SE of the mean; different letters denote statisti-cally significant (P < 0.05) differences. Note, the scales for Kstem

(left) and kbw (right) are different.

Figure 4. Differences in potassium ion concentration ([K+]) ofxylem sap in perfused and unperfused branches with respect tocanopy position. The bars indicate SE of the mean; different lettersdenote statistically significant (P < 0.05) differences.

Figure 2. Variation in stem hydraulic conductance (Kstem) dependingon light intensity. Shoots were illuminated for 7 h before the conduc-tance measurements. The bars indicate SE of the mean; differentletters denote statistically significant (P < 0.05) differences.

SELLIN ET AL.1532

TREE PHYSIOLOGY VOLUME 30, 2010

at Library on January 17, 2012

http://treephys.oxfordjournals.org/D

ownloaded from

enhanced uptake and/or loading of potassium into thexylem and interaction of cations with the pectic matrix ofpit membranes (the ionic effect). Macduff et al. (1997) havesuggested that K+ uptake exhibits a pronounced diurnalvariation—increasing during the light period and decreasingduring darkness, and a dependence on actual irradiance. Incontinuous light under experimental conditions, diurnalvariations in solute concentrations of xylem sap vanish(Herdel et al. 2001). [K+] of xylem sap in hydroponicallygrown poplar (Populus tremula L. × Populus alba L.) plantshas been reported to increase for 4 h after the light has beenswitched on, and then to start to decrease as a result ofincreasing transpiration rate, obviously in part due to thedilution of the sap (Siebrecht et al. 2003). Although K+ hasbeen reported to be released into the stem xylem by thephloem via the rays (De Boer and Volkov 2003) or directlyby vessel-associated cells (Salleo et al. 2004; Zwienieckiet al. 2004), the exact origin of ions loaded into the xylemstill remains unclear. The ecophysiological implication ofthe phenomenon is probably to provide a regulatory mech-anism of shoot hydraulics based on the ionic effect, whichwould facilitate water flow towards fully illuminatedbranches, thus possibly reducing hydraulic resistance andwater potential drop, maximizing in this way stomatal aper-ture and photosynthesis (Nardini et al. 2010). Other studiesdemonstrating fast changes in Kstem driven by light con-ditions are practically absent; short-term dynamics isusually associated with cavitation of xylem conduits. OnlyTsuda and Tyree (2000) have reported that Kstem of sun-flower changed diurnally, being substantially higher in thelight period.At all levels of irradiance, Kstem in birch shoots taken from

the sun-exposed part of the canopy was consistently higher,on average by 40%, than in shoots taken from the shadedcanopy layer (Figure 2). This difference reflects the conse-quences of the long-term influence experienced by branches

growing for years in different environments (light regime inparticular) formed along the canopy vertical profile. This dis-tinction in Kstem can be attributed to variation in xylem ana-tomical structure, primarily in diameter and density ofvessels/tracheids (Protz et al. 2000, Lemoine et al. 2002b,Sellin et al. 2008b, Zach et al. 2010). In order to provide suf-ficient water transfer to the upper, better-insolated foliage,which is the photosynthetically more efficient part of thecanopy, the hydraulic capacity of branches should acropetallyincrease (vessels should widen according to Hagen–Poiseuille’s law) to overcome the resistance resulting fromlonger flow pathways and increasing gravitational forces.In Experiment I, cation concentrations in xylem sap were

not determined, and we cannot therefore prove that the lightimpact on Kstem in birch was exactly mediated by changes insap ionic strength. However, these results can be comple-mented by data from Experiment II. Kstem, kbw and [K+]measured in branches of young B. pendula trees exhibitedthe same spatial pattern along the vertical canopy profile—increased from bottom to top (Figures 3 and 4), and thistrend is consistent with the light availability gradient formedin the canopy (Figure 1). The acropetal increase in the [K+]of xylem sap within a crown revealed in our study is inagreement with the findings obtained in forest-grown trees ofAcer platanoides L. (Schill et al. 1996). [K+] in sun-exposedbranches of laurel trees was �3.6 times higher than that inshade-exposed ones (Nardini et al. 2010). In contrast, insmall poplar plants grown in a homogeneous light field, [K+]of the xylem sap did not change along the plant axis(Siebrecht et al. 2003). One can suppose that the ioniccontent of xylem sap in silver birch was actively increased(up-regulated) in upper branches in response to higher irradi-ance (Figure 1), to support substantially higher sap flow rates(�1.8-fold greater in large trees) in the upper canopy com-pared with the lower canopy in the daytime (Sellin andLubenets 2010). Otherwise, the [K+] of well-illuminatedbranches would have been expected to decrease comparedwith that of shaded branches as a result of increased tran-spiration rate and dilution of sap, as recorded in some species(Herdel et al. 2001, Siebrecht et al. 2003). Herdel et al.(2001) concluded from their experiment that diurnal vari-ations of xylem sap composition are due to plant internalregulation and transpiration rate, whereas nutrient availabilitymerely affects the amplitude of the diurnal patterns.On the one hand, the differences in hydraulic character-

istics observed in silver birch undoubtedly express long-termeffects of light availability with respect to branch height inthe canopy. On the other hand, the branches were sampledusing the high-pressure method immediately after being cut,and the readings obtained should also reflect adjustment ofthe hydraulic system to the environmental situation existingprior to sampling. The time interval from branch cutting togetting readings was too short to induce significant light-mediated adjustment of xylem hydraulic properties or sapcontent (besides the dilution effect in perfused branches).The good agreement between the patterns of sap [K+] and

Figure 5. Potassium ion concentration ([K+]) of xylem sapmeasured in perfused and unperfused branches versus stem hydrau-lic conductance (Kstem). Each data point (n = 6) in the figuredenotes the mean value of a particular treatment and canopy layer.

LIGHT-MEDIATED MODULATION OF HYDRAULIC CONDUCTANCE 1533

TREE PHYSIOLOGY ONLINE at http://www.treephys.oxfordjournals.org

at Library on January 17, 2012

http://treephys.oxfordjournals.org/D

ownloaded from

branch hydraulic traits (Figures 3 and 4) suggests that potass-ium ions were involved in the regulation of stem hydraulicefficiency in relation to light availability. There was a strongrelationship (R2 = 0.917, P = 0.003) between the mean valuesof Kstem and [K+] in the hydraulically sampled branches(Figure 5). Without doubt, potassium plays a central role inthe ion-mediated effect, as K+ constitutes the largest share ofthe total inorganic solutes of the xylem sap: in poplar, 46.1%of total ions (Siebrecht et al. 2003), in Ricinus communis L.,70% of night-time and 80% of daytime total cations (Herdelet al. 2001). Furthermore, it has been shown for various treespecies that K+ represents a mandatory factor at xylem for-mation (Fromm 2010).It is intriguing that significant differences in [K+]

remained even after water perfusion treatment among birchbranches previously exposed to different light conditions(Figure 4). A 20-min perfusion of stems with deionizedwater under high pressure should fill completely the xylemconduits with deionized water and, hence, mask any light-mediated changes in both [K+] and Kstem. This suggests thatliving tissues were probably enriching the xylem sap withpotassium ions even during HPFM measurements. In arecent paper, Metzner et al. (2010) provide evidence forsubstantial up-regulation of potassium in the sap ofdetached bean shoots immersed in a dilute potassium sol-ution. [K+] was found to be maintained at a level higherthan the input solution for at least 4 h after shoot cutting.The large amount of potassium delivered from the stemtissues—required to maintain enhanced concentration in thevessels—supports the idea of potassium recirculation viathe phloem, responsible for the observed increase in [K+] inthe xylem sap (Metzner et al. 2010).To summarize, the results obtained from the two exper-

iments revealed that stem hydraulic conductance may varysubstantially with incident PPFD, and changes in potassiumion concentration in xylem sap and xylem hydraulic traitswith respect to light availability within a tree crown areco-ordinated in silver birch. The results suggest that potass-ium is involved in the regulation of xylem hydraulic effi-ciency. Our data support the concept of light-mediatedmodulation of stem hydraulic conductance, the phenomenonthat can substantially contribute to the control of waterfluxes within trees to optimize leaf water supply in the het-erogeneous light environment existing in forest canopies.

Acknowledgments

We are grateful to Olaf Räim for providing data on radiationregime at the FAHM site, and to Ilmar Part for language revision.We also appreciate the useful comments made on the manuscriptby two anonymous reviewers.

Funding

This study was supported by grant No. 8333 from the EstonianScience Foundation.

References

Aasamaa, K., A. Sõber, W. Hartung and Ü. Niinemets. 2004.Drought acclimation of two deciduous tree species of differentlayers in a temperate forest canopy. Trees 18:93–101.

Adaskaveg, J.E., D.A. Shaw and J.M. Ogawa. 1990. A mist genera-tor and environmental monitoring system for field studies onshothole disease of almond. Plant Dis. 74:558–562.

Bréda, N., K. Soudani and J.-C. Bergonzini. 2002. Mesure del’indice foliaire en forêt. Ecofor, Paris, 157 p.

Brodribb, T.J. and N.M. Holbrook. 2003. Changes in leaf hydraulicconductance during leaf shedding in seasonally dry tropicalforest. New Phytol. 158:295–303.

Brodribb, T.J. and N.M. Holbrook. 2004. Stomatal protectionagainst hydraulic failure: a comparison of coexisting ferns andangiosperms. New Phytol. 162:663–670.

Burgess, S.S.O., J. Pittermann and T.E. Dawson. 2006. Hydraulicefficiency and safety of branch xylem increases with height inSequoia sempervirens (D. Don) crowns. Plant Cell Environ.29:229–239.

Cochard, H., J.-S. Venisse, T.S. Barigah, N. Brunel, S. Herbette,A. Guilliot, M.T. Tyree and S. Sakr. 2007. Putative role of aqua-porins in variable hydraulic conductance of leaves in response tolight. Plant Physiol. 143:122–133.

Cochard, H., S. Herbette, E. Hernández, T. Hölttä and M.Mencuccini. 2010. The effects of sap ionic composition onxylem vulnerability to cavitation. J. Exp. Bot. 61:275–285.

De Boer, A.H. and V. Volkov. 2003. Logistics of water and salttransport through the plant: structure and functioning of thexylem. Plant Cell Environ. 26:87–101.

Fromm, J. 2010. Wood formation of trees in relation to potassiumand calcium nutrition. Tree Physiol. 30:1140–1147.

Gascó, A., A. Nardini, E. Gortan and S. Salleo. 2006.Ion-mediated increase in the hydraulic conductivity of laurelstems: role of pits and consequences for the impact of cavitationon water transport. Plant Cell Environ. 29:1946–1955.

Hale, S.E. and C. Edwards. 2002. Comparison of film and digitalhemispherical photography across a wide range of canopy den-sities. Agric. For. Meteorol. 112:51–56.

Heinen, R.B., Q. Ye and F. Chaumont. 2009. Role of aquaporinsin leaf physiology. J. Exp. Bot. 60:2971–2985.

Hendrey, G.R., D.E. Ellsworth, K.F. Lewin and J. Nagy. 1999. Afree-air enrichment system for exposing tall forest vegetation toelevated atmospheric CO2. Glob. Change Biol. 5:293–309.

Herdel, K., P. Schmidt, R. Feil, A. Mohr and U. Schurr. 2001.Dynamics of concentration and nutrient fluxes in the xylem ofRicinus communis − diurnal course, impact of nutrient avail-ability and nutrient uptake. Plant Cell Environ. 24:41–52.

Jerez, M., T.J. Dean, S.D. Roberts and D.L. Evans. 2004. Patternsof branch permeability with crown depth among loblolly pinefamilies differing in growth rate and crown size. Trees18:145–150.

Lee, S.H., G.C. Chung and J.J. Zwiazek. 2009. Effects of irradi-ance on cell water relations in leaf bundle sheath cells ofwild-type and transgenic tobacco (Nicotiana tabacum) plantsoverexpressing aquaporins. Plant Sci. 176:248–255.

Lemoine, D., H. Cochard and A. Granier. 2002a. Within crownvariation in hydraulic architecture in beech (Fagus sylvatica L):evidence for a stomatal control of xylem embolism. Ann. For.Sci. 59:19–27.

Lemoine, D., S. Jacquemin and A. Granier. 2002b. Beech (Fagussylvatica L.) branches show acclimation of xylem anatomy andhydraulic properties to increased light after thinning. Ann. For.Sci. 59:761–766.

SELLIN ET AL.1534

TREE PHYSIOLOGY VOLUME 30, 2010

at Library on January 17, 2012

http://treephys.oxfordjournals.org/D

ownloaded from

Lo Gullo, M.A., A. Nardini, P. Trifilò and S. Salleo. 2005. Diurnaland seasonal variations in leaf hydraulic conductance in ever-green and deciduous trees. Tree Physiol. 25:505–512.

Macduff, J.H., A.K. Bakken and M.S. Dhanoa. 1997. An analysisof the physiological basis of commonality between diurnal pat-terns of NH4

+, NO3− and K+ uptake by Phleum pratense and

Festuca pratensis. J. Exp. Bot. 48:1691–1701.Metzner, R., M.R. Thorpe, U. Breuer, P. Blümler, U. Schurr,

H.U. Schneider and W.H. Schroeder. 2010. Contrasting dynamicsof water and mineral nutrients in stems shown by stable isotopetracers and cryo-SIMS. Plant Cell Environ. 33:1393–1407.

Nardini, A., M.T. Tyree and S. Salleo. 2001. Xylem cavitation inthe leaf of Prunus laurocerasus and its impact on leaf hydrau-lics. Plant Physiol. 125:1700–1709.

Nardini, A., S. Salleo and S. Andri. 2005. Circadian regulation ofleaf hydraulic conductance in sunflower (Helianthus annuusL. cv Margot). Plant Cell Environ. 28:750–759.

Nardini, A., A. Gasco, P. Trifilo, M.A. Lo Gullo and S. Salleo.2007. Ion-mediated enhancement of xylem hydraulic conduc-tivity is not always suppressed by the presence of Ca2+ in thesap. J. Exp. Bot. 58:2609–2615.

Nardini, A., F. Grego, P. Trifilò and S. Salleo. 2010. Changes ofxylem sap ionic content and stem hydraulics in response to irra-diance in Laurus nobilis. Tree Physiol. 30:628–635.

Protz, C.G., U. Silins and V.J. Lieffers. 2000. Reduction inbranch sapwood hydraulic permeability as a factor limiting survi-val of lower branches of lodgepole pine. Can. J. For. Res.30:1088–1095.

Ryden, P., A.J. MacDougall, C.W. Tibbits and S.G. Ring. 2000.Hydration of pectic polysaccharides. Biopolymers 54:398–405.

Sack, L. and K. Frole. 2006. Leaf structural diversity is related tohydraulic capacity in tropical rain forest trees. Ecology87:483–491.

Sack, L. and N.M. Holbrook. 2006. Leaf hydraulics. Annu. Rev.Plant Biol. 57:361–381.

Sack, L., P.D. Cowan, N. Jaikumar and N.M. Holbrook. 2003.The ‘hydrology’ of leaves: co-ordination of structure and func-tion in temperate woody species. Plant Cell Environ.26:1343–1356.

Sack, L., M.T. Tyree and N.M. Holbrook. 2005. Leaf hydraulicarchitecture correlates with regeneration irradiance in tropicalrainforest trees. New Phytol. 167:403–413.

Salleo, S., M.A. Lo Gullo, P. Trifilò and A. Nardini. 2004. Newevidence for a role of vessel-associated cells and phloem in therapid xylem refilling of cavitated stems of Laurus nobilis L.Plant Cell Environ. 27:1064–1075.

Schill, V., W. Hartung, B. Orthen and M.H. Weiselseel. 1996. Thexylem sap of maple (Acer platanoides L.) trees − sap obtainedby a novel method shows changes with season and height.J. Exp. Bot. 47:123–133.

Sellin, A. and P. Kupper. 2005a. Effects of light availability versushydraulic constraints on stomatal responses within a crown ofsilver birch. Oecologia 142:388–397.

Sellin, A. and P. Kupper. 2005b. Variation in leaf conductance ofsilver birch: effects of irradiance, vapour pressure deficit, leafwater status and position within a crown. For. Ecol. Manage.206:153–166.

Sellin, A. and P. Kupper. 2006. Spatial variation in sapwood areato leaf area ratio and specific leaf area within a crown of silverbirch. Trees 20:311–319.

Sellin, A. and P. Kupper. 2007a. Effects of enhanced hydraulicsupply for foliage on stomatal responses in little-leaf linden(Tilia cordata Mill.). Eur. J. For. Res. 126:241–251.

Sellin, A. and P. Kupper. 2007b. Temperature, light and leafhydraulic conductance of little-leaf linden (Tilia cordata) in amixed forest canopy. Tree Physiol. 27:679–688.

Sellin, A. and K. Lubenets. 2010. Variation of transpiration withina canopy of silver birch: effect of canopy position and dailyversus nightly water loss. Ecohydrology, DOI: 10.1002/eco.133.(in press).

Sellin, A., E. Õunapuu and P. Kupper. 2008a. Effects of lightintensity and duration on leaf hydraulic conductance and distri-bution of resistance in shoots of silver birch (Betula pendula).Physiol. Plant. 134:412–420.

Sellin, A., A. Rohejärv and M. Rahi. 2008b. Distribution of vesselsize, vessel density and xylem conducting efficiency within acrown of silver birch (Betula pendula). Trees 22:205–216.

Sellin, A., E. Eensalu and A. Niglas. 2010. Is distribution ofhydraulic constraints within tree crowns reflected in photosyn-thetic water-use efficiency? An example of Betula pendula.Ecol. Res. 25:173–183.

Siebrecht, S., K. Herdel, U. Schurr and R. Tischner. 2003. Nutrienttranslocation in the xylem of poplar – diurnal variations andspatial distribution along the shoot axis. Planta 217:783–793.

Stark, N., C. Spitzner and D. Essig. 1985. Xylem sap analysis fordetermining the nutritional status of trees: Pseudotsuga menzie-sii. Can. J. For. Res. 15:429–437.

Tsuda, M. and M.T. Tyree. 2000. Plant hydraulic conductancemeasured by the high pressure flow meter in crop plants. J. Exp.Bot. 51:823–828.

Tyree, M.T., A. Nardini, S. Salleo, L. Sack and B. El Omari. 2005.The dependence of leaf hydraulic conductance on irradianceduring HPFM measurements: any role for stomatal response?J. Exp. Bot. 56:737–744.

van Ieperen, W. 2007. Ion-mediated changes of xylem hydraulicresistance in planta: fact or fiction? Trends Plant Sci. 12:137–142.

van Ieperen, W. and A. van Gelder. 2006. Ion-mediated flowchanges suppressed by minimal calcium presence in xylem sapin Chrysanthemum and Prunus laurocerasus. J. Exp. Bot.57:2743–2750.

van Ieperen, W., U. van Meeteren and H. van Gelder. 2000. Fluidionic composition influences hydraulic conductance of xylemconduits. J. Exp. Bot. 51:769–776.

Voicu, M.C., J.J. Zwiazek and M.T. Tyree. 2008. Light responseof hydraulic conductance in bur oak (Quercus macrocarpa)leaves. Tree Physiol. 28:1007–1015.

Voicu, M.C., J.E.K. Cooke and J.J. Zwiazek. 2009. Aquaporingene expression and apoplastic water flow in bur oak (Quercusmacrocarpa) leaves in relation to the light response of leafhydraulic conductance. J. Exp. Bot. 60:4063–4075.

Wullschleger, S.D., F.C. Meinzer and R.A. Vertessy. 1998. Areview of whole-plant water use studies in trees. Tree Physiol.18:499–512.

Zach, A., B. Schuldt, S. Brix, V. Horna, H. Culmsee and C.Leuschner. 2010. Vessel diameter and xylem hydraulic conduc-tivity increase with tree height in tropical rainforest trees inSulawesi, Indonesia. Flora 205:506–512.

Zimmermann, M.H. 1978. Hydraulic architecture of some diffuse-porous trees. Can. J. Bot. 56:2286–2295.

Zwieniecki, M.A., P.J. Melcher and N.M. Holbrook. 2001.Hydrogel control of xylem hydraulic resistance. Science291:1059–1062.

Zwieniecki, M.A., P.J. Melcher, T.S. Field and N.M. Holbrook.2004. A potential role for xylem–phloem interactions in thehydraulic architecture of trees: effects of phloem girdling onxylem hydraulic conductance. Tree Physiol. 24:911–917.

LIGHT-MEDIATED MODULATION OF HYDRAULIC CONDUCTANCE 1535

TREE PHYSIOLOGY ONLINE at http://www.treephys.oxfordjournals.org

at Library on January 17, 2012

http://treephys.oxfordjournals.org/D

ownloaded from