Speciale microscoop toont verschillende anti-ijsvormingsstrategieën van plantenbladeren

Wanneer de omgevingstemperatuur onder nul daalt, worden er ijskristallen gevormd op veel bladeren van groenblijvende planten. Desalniettemin overleven ze vorstfasen meestal ongedeerd. Met behulp van een speciale cryo-scanning elektronenmicroscoop konden onderzoekers van het Zoölogisch Instituut van Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hoge-resolutiebeelden maken van ijsvormingsprocessen op oppervlakken van planten afkomstig uit Duitsland en Antarctica op de micro- en voor het eerst op nanoschaal. Daarbij ontdekten ze verschillende kleine structuren op de bladoppervlakken waarmee de planten zichzelf beschermen tegen lage temperaturen.

Een beter begrip van deze beschermingsstrategieën kan ook interessant zijn voor de bescherming van gewassen of kunstmatige oppervlakken zoals vliegtuigen. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift De wetenschap van de natuur.

Inspiratie voor kunstmatige anti-ijsvorming oppervlakken

Vliegtuigen worden behandeld met speciale vloeistoffen of zijn gebouwd met verwarmbare oppervlakken om ze te beschermen tegen ijsvorming. Wereldwijd onderzoeken wetenschap en industrie geschikte coatings voor de luchtvaart. “Veel van onze wilde planten hebben in de loop van de evolutie echter hun eigen natuurlijke bescherming tegen ijsvorming ontwikkeld”, legt professor Stanislav Gorb, hoofd van de onderzoeksgroep Functionele morfologie en biomechanica, uit. Al meer dan 20 jaar bestudeert de zoöloog de oppervlakken van planten bij CAU samen met zijn vrouw Dr. Elena Gorb, een botanicus van opleiding.

Om erachter te komen hoe planten zich tegen ijsvorming beschermen, heeft het onderzoek zich tot nu toe vooral gericht op chemische processen in de cel van planten, zoals suiker of ander antivriesgehalte. Het onderzoeksteam uit Kiel heeft nu kunnen aantonen dat de oppervlaktestructuur van de bladeren ook bij koude temperaturen een belangrijke beschermende functie heeft. Hiervoor onderzochten de twee onderzoekers de vorming van ijskristallen op verschillende soorten bladeren van inheemse wilde planten.

“We konden aantonen dat fijne haartjes, zogenaamde trichomen, of een wasachtige laag op de bladeren effectieve aanpassingen van planten zijn om ijsvorming direct op het bladoppervlak te voorkomen of te beheersen. Als zich direct op de nagelriem een ​​laag ijs vormt, zullen de cellen van de plant zal binnenkort ook bevriezen”, zegt Elena Gorb.

Bladoppervlakken ontwikkelden verschillende aanpassingen

Door onderzoek in de natuur en in het laboratorium konden de twee onderzoekers verschillende beschermingsmechanismen op de bladeren identificeren.

Bladeren van planten met trichomen, zoals die van het madeliefje (Bellis perennis), zijn meestal hydrofiel. Daarom vormen zich eerst ijskristallen aan hun uiteinden en zodra de temperaturen weer stijgen, smelten ze ook hier weer snel. Het gevoelige bladoppervlak eronder blijft ijsvrij en onbeschadigd.

Bladoppervlakken bedekt met wasprojecties op nanoschaal in 3D, zoals die van sommige tulpensoorten (Tulipa gesneriana), daarentegen, zijn superhydrofoob: waterdruppels rollen er onmiddellijk af, ook wel bekend als het ‘lotuseffect’. IJskristallen kunnen hier alleen ontstaan ​​als watermoleculen worden tegengehouden door defecten in de waslaag. Maar ook dan beschadigen ze de waslaag niet en blijft het onderliggende blad intact.

De wetenschappers vonden de anti-ijsvormingswasstrategie van planten niet alleen in Duitsland, maar ook in de Antarctische cirkel: Deschampsia antarctica, een van de enige twee bloeiende planten afkomstig uit Antarctica, heeft zelfs een dubbele bescherming met een prominente epicuticulaire wasdekking bestaande uit twee boven elkaar liggende lagen aan beide bladzijden.

De onderzoekers veronderstellen in een andere recente publicatie in Beilstein Journal of Nanotechnologie dat de tweelaagse was nog meer zou kunnen bijdragen aan de aanpassing van de plant aan de barre omgevingsomstandigheden op Antarctica vanwege een verhoogde weerstand tegen koude temperaturen, ijsvorming, schadelijke UV-straling en uitdroging.

Planten met relatief gladde bladeren zoals de laurierkers (Prunus laurocerasus) zijn op het eerste gezicht het minst beschermd: over het hele oppervlak kunnen zich ijskristallen vormen. Bij blootstelling aan zonlicht hoopt het smeltwater zich op in lager gelegen delen van het blad. Als de temperatuur weer daalt, bevriezen deze “plassen” en kunnen blijvende schade aan de cellen van de plant veroorzaken. “Maar aangezien dergelijke planten de winter overleven, denken we dat ze voldoende chemische antivriesbescherming hebben”, zegt Stanislav Gorb.

Cryo-microscoop maakt beelden mogelijk bij min 140 graden

Het team kon de ijskristallen op nanoschaal alleen bestuderen met een cryo-scanning elektronenmicroscoop. In tegenstelling tot andere methodes worden hier biologische monsters niet gedroogd maar zeer snel ingevroren. Hierdoor blijven hun structuren vrij goed behouden en kunnen ze in bijna originele staat worden bestudeerd.

Om dit te doen, bevroor de wetenschappers de bladeren door de bladeren kort onder te dompelen in vloeibare stikstof bij min 196 graden. In de microscoop, die was afgekoeld tot min 140 graden, konden nu hoge resolutie beelden worden gemaakt van de ontstane ijskristallen. Bij kamertemperatuur smelten de ijskristallen weer en kan het proces herhaald worden. Op deze manier kan een tussentijdse versmelting in de natuur zoals overdag door zonlicht worden nagebootst.

“Uiteindelijk hebben planten in de loop van de evolutie veel manieren ontwikkeld om zichzelf tegen de kou te beschermen”, zegt Stanislav Gorb. De interacties met water op het bladoppervlak beloven opwindende inzichten, vooral voor de ontwikkeling van technische ‘anti-icing’-oppervlakken. “Maar we weten nog heel weinig over deze processen.”