Ecofysiologisch onderzoek naar het effect van...

Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen

Academiejaar 2011-2012

Ecofysiologisch onderzoek naar het effect van droogtestress op de

cavitatie- en hydraulische geleidbaarheidsdynamiek bij druif (Vitis

vinifera L. cv. Chardonnay)

Lies Kips

Promotor: Prof. dr. ir. Kathy Steppe

Tutor: ir. Annelies Baert

Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van

Master in de bio-ingenieurswetenschappen: Milieu-technologie

De auteur en de promotor geven de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te

stellen en delen van de masterproef te kopieren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt

onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting

de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef.

The author and the promoter give the permission to use this thesis for consultation and to copy

parts of it for personal use. Every other use is subject to the copyright laws, more specifically the

source must be extensively specified when using results from this thesis.

Gent, juni 2012

De promotor De tutor De auteur

Prof. dr. ir. Kathy Steppe ir. Annelies Baert Lies Kips

Dankwoord

De totstandkoming van deze thesis kan vergeleken worden met een Chardonnay druif, de basis

van een kwaliteitsvol glas wijn. Zo vormen Prof. dr. ir. Kathy Steppe en ir. Annelies Baert het

vruchtvlees van de druif. Met hun kennis, enthousiasme en talloze suggesties werd gezorgd voor

voldoende sappigheid en volume als basis van smaakvol glas wijn. Wanneer dit vruchtvlees van

slechte kwaliteit is, heeft het plukken van de druiven weinig zin. Bedankt voor de aanmoedigingen

en de opbouwende kritiek!

De andere thesisstudenten waarmee ik talloze uren samen in het lokaaltje heb gewerkt, waren een

perfecte afspiegeling van de pitjes en de schil. Deze taaie en bittere elementen lijken op het eerste

zicht eerder een noodzakelijk kwaad, maar niets is minder waar! Ze bevatten tannines die instaan

voor een belangrijk aandeel van de smaak en dus net zoals jullie, kleur en aroma geven aan de

wijn.

Een glas wijn met teveel alcohol bestaat niet. Daarom stellen Lidewei, Erik, Philip en Geert de

extra toegevoegde suiker voor die na fermentatie voor een stevige hoeveelheid alcohol zorgt. Door

kenners ook wel ’amelioration’ van de wijn genoemd wordt. Zonder jullie hulp zou ik nergens

geraakt zijn, bedankt!

De avonden die we gevuld hebben met thesispraat zijn niet meer op een hand te tellen en waren

broodnodig voor het relativeren van de tegenslagen. Daarom zijn Laura, Jarinda, Sofie, Lien,

Julie, Nele, Valerie, Patrijs, Toon, Tom, Stijn, Tracy, Hanne, Jessie, mama, papa, Roger, Lut,

Julie & Julie, Marie, Ward en nog zoveel anderen de zuren: een bijzonder belangrijk onderdeel

voor de conservatie van de wijn, waardoor deze met de jaren beter wordt!

Tot slot zijn er de klimatologische omstandigheden, zoals zeer mooi uitgebeeld door Jan. Uitermate

flexibel, onvoorspelbaar en broodnodig. De Chardonnay druif kan zich verrassend goed aanpassen

aan diverse omstandigheden en wordt dus onder kenners niet voor niets ”de hoer van de wijngaard”

genoemd.

Het was een plezier samen te werken met jullie!

v

Samenvatting

Cavitatie in planten is het ontstaan van luchtbellen in watergevulde xyleemvaten. Dergelijke

luchtgevulde vaten verbreken het watercontinuum en zorgen voor een verhoogde hydraulische

weerstand van de opwaartse sapstroom met nefaste gevolgen voor de groei en overleving van de

plant. Cavitatie wordt in de hand gewerkt door droge omgevingscondities die in het kader van de

huidige klimaatverandering steeds meer zullen voorkomen. Een goede kennis inzake cavitatie en

de bijhorende gevolgen voor de plant-waterbalans zijn bijgevolg van cruciaal belang.

Tegenwoordig wordt de cavitatiegevoeligheid van een plant gekarakteriseerd aan de hand van een

destructieve vulnerability curve (VC) waarin het verband tussen de waterpotentiaal en de hy-

draulische geleidbaarheid wordt weergegeven. De diverse methoden die hiertoe gebruikt worden,

genereren echter uiteenlopende resultaten en worden hevig bekritiseerd. Bovendien vereisen beide

parameters destructieve staalname wat de praktische uitvoering bemoeilijkt. De doelstelling van

deze thesis was het opstellen van een niet-destructieve VC waarin de cavitatiedynamiek recht-

streeks wordt weergegeven in functie van de xyleeminkrimping.

Experimenten werden uitgevoerd op afgeknipte takken van druivelaars (Vitis vinifera L. cv. Char-

donnay). Deze werden toegelaten verregaand uit te drogen waarbij ondertussen de (i) diameter,

(ii) cavitatie, (iii) hydraulische geleidbaarheid en (iv) waterpotentialen werden opgemeten. Hiertoe

werd respectievelijk gebruik gemaakt van een ’Linear Variable Displacement Transducer’ (LVDT-

sensor), een ultrasone cavitatiesensor, een XYL’EM of gravitatiekolom en een drukbom. Tot slot

werd ook het gewichtsverlies van de tak opgevolgd doorheen de dehydratatieperiode.

Uit de resultaten bleek dat het gelijktijdig opmeten van de schors- en xyleemdiameter in combi-

natie met het cavitatiepatroon en het waterverlies cruciale informatie bood over de plant tijdens

verregaande dehydratatie. Diverse stadia van uitdroging werden gekarakteriseerd waarbinnen ge-

differentieerd werd tussen de verschillende achterliggende mechanismen en een verband gelegd werd

tussen de verschillende parameters. Bovendien werd een nauwe overeenkomst gevonden tussen het

voorkomen van cavitatie en diameterdalingen onder de voorheen laagst behaalde waarde. In een

tweede luik van deze thesis werden zowel destructieve als niet-destructieve VC opgesteld. De

constructie van destructieve VC werd op verschillende punten bemoeilijkt (e.g. verstopping van

de vaten) waardoor de resultaten moeilijk te interpreteren waren. Op basis van de experimenteel

verworven kennis werden een aantal sleutelpunten aangehaald die in de toekomst gerespecteerd

dienen te worden om de natuurlijke situatie in de plant niet te beınvloeden tijdens het meetproces.

vii

viii

In vergelijking met deze gecompliceerde, destructieve methode bieden niet-destructieve VC een

belangrijke meerwaarde in het onderzoek naar de waterrelaties in druivelaars. De combinatie van

cavitatiesignalen en xyleeminkrimping in een niet-destructieve VC werd nog nooit eerder opge-

meten tijdens dergelijke sterke uitdroging waardoor de curve uniek is in zijn soort. De verkregen

sigmoıdale curves bevestigen dat beide parameters (cavitatie en xyleeminkrimping) eenduidig ge-

relateerd zijn en een belangrijke informatiebron vormen voor de cavitatie- en waterstatus van de

plant. Aan de hand van beide parameters kan de threshold bepaald worden vanaf wanneer cavita-

tie optreedt en vanaf wanneer schade wordt toegericht aan het watergeleidingssysteem. De studie

wijst uit dat het van cruciaal belang is de tak volledig te laten uitdrogen vooraleer kwantitatieve

schattingen gemaakt kunnen worden op basis van deze curve. Bovendien vertonen de resultaten

een seizoenale trend in de VC: naarmate het seizoen vorderde, ging eenzelfde hoeveelheid cavitatie

gepaard met een grotere inkrimping. Dit suggereert een seizoenale variatie in de elasticiteit, het

aantal vaten en de gevoeligheid van de vaten. Deze bevinding is van essentieel belang voor het

potentieel toekomstig gebruik van niet-destructieve VC in de plant-gebaseerde irrigatiecontrole.

Abstract

Cavitation in plants is the development of air bubbles in water filled xylem vessels. Those air

filled vessels break the water continuum and cause an elevated hydraulic resistance in the upward

sap flow with detrimental consequences for the growth and survival of the plant. Cavitation is

amplified in dry environmental conditions which are expected to occur more frequently as a con-

sequence of climate change. A sound understanding of cavitation and of the corresponding effect

on the water balance of the plant are therefore of the utmost importance.

Currently the plant’s sensitivity to cavitation is demonstrated by means of a destructive vulnerabi-

lity curve (VC) where the relationship between the water potential and the hydraulic conductivity

is shown. Various methods which are used to construct this VC, generate diverging results and

are under critical debate. Furthermore, destructive sampling is required for both parameters

which complicates the practical procedure. The goal of this thesis was the construction of a non-

destructive VC where the cavitation events are presented as a function of the shrinkage of the

xylem tissue.

Experiments were performed on cut branches of grapevine (Vitis vinifera L. cv. Chardonnay).

The samples were allowed to dehydrate under constant monitoring of the diameter and cavitation

and measurements were made of the hydraulic conductance and the water potential. Those para-

meters were measured respectively with (i) a ’Linear Variable Displacement Transducer’ (LVDT),

(ii) an ultrasonic cavitation sensor, (iii) a XYL’EM or a gravity column and (iv) a pressure bomb.

Finally, the weight loss was monitored through the dehydration period.

The results indicate that measurements of the total diameter and the xylem diameter combined

with the cavitation pattern, generate crucial information on the plant during dehydration. From

the relationship between those parameters, we were able to distinguish various dehydration stages,

characterised by different underlying mechanisms. Furthermore, we found a distinct correspon-

dence between cavitation events and shrinkage of the xylem diameter. As a second part of this

thesis, we developed both destructive and non-destructive VC. In the construction of destructive

VC, we have encountered a number of problems (e.g. clogging of the xylem vessels) which have

impeded the interpretation of the results. On the basis of experimentally gathered knowledge, a

few key points were emphasized to make the measuring process as minimally invasive as possible.

Compared to the complicated destructive method, non-destructive VC offer an important value in

the research of water relations in grapevine. Using cavitation events in combination with shrinkage

ix

x

of the xylem diameter in a non-destructive VC has never been used on cut branch segments, which

makes this curve unique. The resulting sigmoid curves confirmed that both parameters (cavitation

and xylem diameter) are related and thus constitute an important source of information on the

water status of the plant. Using the non-destructive VC, the cavitation threshold can be deter-

mined, as well as the point where damage in the water conducting system starts to occur. The

thesis revealed that it is of utmost importance that the branch is allowed to dehydrate completely

before quantitative estimations are based on the curve. Finally, results indicated a seasonal trend

in the VC: as the season proceeded, the same amount of cavitation events corresponded with a

larger shrinkage. This suggests a seasonal variation in the elasticity, the amount of vessels and

the vulnerability to cavitation of the vessels. This conclusion is essential for the potential future

use of non-destructive VC in plant-based irrigation.

Inhoudsopgave

Lijst van figuren xv

Inleiding xvii

1 Literatuurstudie 3

1.1 Watertransport van bodem tot atmosfeer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.1 Watertransport doorheen wortel en stengel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.2 Verdamping van water naar de atmosfeer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.3 De waterpotentiaal als drijvende kracht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2 Hydraulische geleidbaarheid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2.1 Hydraulische geleidbaarheid op plantniveau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2.2 Hydraulische geleidbaarheid op xyleemniveau . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2.3 Opmeten van hydraulische geleidbaarheid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3 Stamdiametervariaties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.4 Cavitatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.4.1 Fysische oorzaken van cavitatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.4.2 Ontstaan en verspreiding van cavitatie binnen de plant . . . . . . . . . . . . 13

1.4.3 Gevolgen van cavitatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.4.4 Herstelmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.4.5 Opmeten van cavitatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.4.6 Cavitatie: trade-off veiligheid versus hydraulische geleidbaarheid . . . . . . 19

1.5 De vulnerability curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2 Materialen en Methode 23

2.1 Experimentele proefopzet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2 Microklimaat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.3 Waterpotentiaal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3.1 Werkingsprincipe van de drukbom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.3.2 De drukbom in de praktijk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.4 Hydraulische geleidbaarheid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

xi

xii Inhoudsopgave

2.4.1 Opmeten van de hydraulische geleidbaarheid: XYL’EM . . . . . . . . . . . 29

2.4.2 De XYL’EM in de praktijk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.4.3 Opmeten van de hydraulische geleidbaarheid: gravitatiekolom . . . . . . . . 31

2.5 Diametervariaties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.5.1 Werkingsprincipe van de LVDT-sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.5.2 De LVDT-sensor in de praktijk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.6 Cavitatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.6.1 Opmeten van cavitatie: ultrasone akoestische emissies . . . . . . . . . . . . 33

2.6.2 Werkingsprincipe van de cavitatiesensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.6.3 Cavitatiesensor in de praktijk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.6.4 Gevoeligheid van de cavitatiesensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3 Resultaten 39

3.1 Microklimaat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.2 Gevoeligheid van de cavitatiesensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.3 Benchdrying experimenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3.1 Algemeen verloop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3.2 Cavitatiedynamiek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.3.3 Diameterverloop in relatie tot cavitatie tijdens beperkte uitdroging . . . . . 43

3.3.4 Diameterverloop in relatie tot cavitatie tijdens sterke uitdroging . . . . . . 46

3.3.5 Diameterverloop in relatie tot waterverlies tijdens sterke uitdroging . . . . . 47

3.4 Destructieve vulnerability curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.5 Niet-destructieve vulnerability curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4 Discussie 55

4.1 Cavitatiedynamiek tijdens periodes van zwakke en sterke uitdroging . . . . . . . . 55

4.2 Diameterverloop doorheen verregaande dehydratatie . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.2.1 Verklaring diameterverloop gedurende periode 1 . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.2.2 Verklaring diameterverloop gedurende periode 2 en 3 . . . . . . . . . . . . . 58

4.2.3 Verklaring diameterverloop gedurende periode 4 . . . . . . . . . . . . . . . 59


4.3.1 Verklaring van het verschil in destructieve VC . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.3.2 Kwantitatieve interpretatie van de destructieve VC . . . . . . . . . . . . . . 62


4.4.1 Opstellen van een niet-destructieve VC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.4.2 Praktisch gebruik en toepassingen van de niet-destructieve VC . . . . . . . 66

5 Besluit en toekomstperspectief 71

Bibliografie 73

Lijst van afkortingen en symbolen

Tabel 1: Lijst van afkortingen.

Afkorting Betekenis

APK ’Acoustic Emissions Peak Amplitude’

ASCO-P ’Acoustic Signal Conditioner with Peak Detector’

ASL ’Average Signal Level’

dB Decibel

DOY Dag van het jaar

LVDT ’Linear Variable Displacement Transducer’

PAR ’Photosynthetic Active Radiation’

PLC ’Percentage Loss of Hydraulic Conductivity’

RH ’Relative Humidity’

SPAC ’Soil Plant Atmosphere Continuum’

UAE ’Ultrasonic Acoustic Emissions’

VC ’Vulnerability Curve’

VD Verzadigingsdeficiet

xiii

Tabel 2: Lijst van symbolen.

Symbool Betekenis Eenheid

cUAE50 Inkrimping corresponderend met 50 % cavitatie mm

d Binnendiameter van het ide kanaal m

e0v Verzadigde dampdruk kPa

ev Actuele dampdruk kPa

F Steady-state waterflux kg.s−1

Kh Maximale hydraulische geleidbaarheid kg.s−1.MPa−1

K′h Actuele hydraulische geleidbaarheid kg.s−1.MPa−1

kh Specifieke hydraulische geleidbaarheid kg.m.s−1.Pa−1

Pv Absolute druk van lucht Pa

Px Absolute druk in het xyleem Pa

P50 Waterpotentiaal bij 50 % verlies aan hydraulische geleidbaarheid MPa

R Hydraulische weerstand MPa.s.kg−1

rp Kromtestraal van de pitporie m

T Temperatuur ◦C

σ Oppervlaktespanning van water N.m−1

ρw Dichtheid van water kg.m−3

ηw Dynamische viscositeit van water Pa.s

∆D Inkrimping mm

∆W Gewichtsverlies g

∆Ψ Potentiaalverschil Pa

Ψx Xyleemwaterpotentiaal Pa

Ψs Waterpotentiaal in het opslagweefsel Pa

Ψw Waterpotentiaal Pa

Ψg Gravitationele potentiaal Pa

Ψm Matrixpotentiaal Pa

Ψp Hydrostatische potentiaal Pa

Ψπ Osmotische potentiaal Pa

xiv

Lijst van figuren

1.1 Illustratie van de wtransportroute van water van bodem tot atmosfeer . . . . . . . 4

1.2 Transpiratiedynamiek en stamdiametervariaties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3 Schematische weergave van de waterstroming doorheen het SPAC . . . . . . . . . . 10

1.4 Illustratie van de ’air-seeding’ hypothese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.5 Model van het herstelmechanisme van embolismen in xyleemvaten van druivelaar. . 17

2.1 Opstelling van de druivelaars in de serre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2 Schematische weergave van de volledige proefopstelling . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.3 Gedetailleerd overzicht van het benchdrying experiment . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.4 De Scholander-drukbom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.5 Voorstelling van de diverse componenten van de waterpotentiaal . . . . . . . . . . 28

2.6 Opstelling van de verticale gravitatiekolom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.7 Vereenvoudigde weergave van de werking van de LVDT-sensor . . . . . . . . . . . . 33

2.8 Detailweergave van de geınstalleerde cavitatiesensor . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.1 Microklimaat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.2 Reikwijdte van de cavitatiesensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3 Detectie threshold van de cavitatiesensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.4 Cavitatiedynamiek en diameterverloop van een afgesneden druiventak . . . . . . . 42

3.5 Xyleem- en schorsdiameterverloop doorheen experiment 5 . . . . . . . . . . . . . . 44

3.6 Differentiatie tussen inkrimpend en uitzettend xyleemweefsel in combinatie met het

voorkomen van cavitatiesignalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.7 Verloop van het volume en het gewicht van de tak doorheen experiment 6 . . . . . 47



3.10 Detail van een niet-destructieve vulnerability curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

xv

Inleiding

Watertransport in bomen is een intrigerend fenomeen. Planten transporteren dagelijks water over

afstanden die onze menselijke capaciteiten ruim overschrijden. Desondanks is het precieze mecha-

nisme van deze sapstroom nog niet volledig opgehelderd.

De cohesietheorie stelt dat de opwaartse sapstroom ontstaat door een gradient van zuigspanningen

opgebouwd doorheen het watercontinuum onder invloed van transpiratie. Droogtestress en/of een

toenemende mate van transpiratie veroorzaakt verhoogde zuigspanningen in het vasculair weef-

sel, wat uiteindelijk cavitatie kan induceren. Cavitatie is het breken van het watercontinuum in

xyleemvaten waardoor de vaten gevuld worden met lucht in plaats van met water. Dit leidt tot

verminderde hydraulische geleidbaarheid en resulteert dus in een substantiele vermindering van

het watertransport. Zo vormt het een van de belangrijkste beperkingen in het overleven van de

plant in een droge omgeving. Als reactie op deze condities kan de plant zijn stomatale geleid-

baarheid verlagen zodat de transpiratie afneemt en zuigspanningen gereduceerd worden tot op

een niveau waarop het water zijn metastabiele, vloeibare staat kan behouden. Op die manier kan

de sapstroom onderhouden blijven (e.g. Dixon & Joly, 1895; Tyree & Sperry, 1988; Holtta et al.,

2002). De stomata staan echter ook in voor de gasuitwisseling met de atmosfeer en houden dus

nauw verband met de fotosyntheseprocessen in de plant. Zo heeft stomatale sluiting ook invloed op

de netto assimilatie, het competitief vermogen en uiteindelijk de groei en overleving van de plant

(e.g. Choat et al., 2010). Om een goede waterbalans te behouden is efficient watertransport dus

van cruciaal belang. De globale klimaatverandering gaat gepaard met een stijgende gemiddelde

luchttemperatuur, wat een vergrootte evapotranspiratie tot gevolg kan hebben. Daarenboven

wordt een stijging in zowel frequentie als duur van acute hittegolven voorspeld. Deze verhogen

zelfs in gematigde gebieden de kans op erg droge periodes. Voornamelijk deze laatste kunnen een

groot effect uitoefenen op het overleven van planten, gezien veel soorten nu reeds dicht bij hun

droogtelimiet leven. Het overleven van de planten zal dus meer en meer afhankelijk zijn van een

goede waterbalans en het behoud van de waterkolom (e.g. Schultz, 2000; Martınez-Vilalta et al.,

2002).

In dit onderzoek werden kwantitatieve gegevens verzameld van de waterrelaties in druivelaar Vitis

vinifera L. cv. Chardonnay. Druivelaars groeien vaak in gebieden waar kans is op intensieve droog-

testress en waar cavitatie dus een veel voorkomend fenomeen is (e.g. Schultz, 2003; Lovisolo et al.,

2008). Anatomisch wordt de druivelaar gekenmerkt door grote xyleemvaten, die een goede basis

xvii

bieden om de cavitatiedynamiek te onderzoeken (Sperry et al., 1987; Schultz & Matthews, 1988;

Chaves et al., 2010). Daarnaast is het een gewas met hoge economische waarde, wat een verbeterd

inzicht in de waterrelaties relevant maakt. Zo kan een gestuurde irrigatiecontrole een belangrijke

meerwaarde bieden in de druifkwaliteit en bijhorende wijnkwaliteit. Cavitatie is een interdiscipli-

nair onderwerp dat een brug slaat tussen biologie en fysica. Gezien veel factoren omtrent cavitatie

en de droogterespons van planten nog niet volledig opgehelderd zijn, is het onderhevig aan een

levendig debat. Dat maakt cavitatie tot een ’hot topic’ dat constant aan nieuwe inzichten wint.

Het doel van deze thesis is tweevoudig. Enerzijds wordt getracht een beter inzicht te krijgen in

de cavitatiedynamiek door het zoeken naar ecofysiologische verbanden tussen het verloop van (i)

cavitatie, (ii) hydraulische geleidbaarheid, (iii) diametervariaties en (iv) waterpotentialen. An-

derzijds beogen we een nieuwe maat te vinden om de gevoeligheid van de plant aan cavitatie

te karakteriseren. Standaard wordt hiervoor gebruik gemaakt van een destructieve vulnerability

curve (VC), waarin de hydraulische geleidbaarheid wordt onderzocht in functie van de waterpo-

tentiaal. Beide parameters vereisen echter destructieve staalname en nieuwe variabelen zijn dan

ook gewenst om de waterstatus in de toekomst op een niet-invasieve manier in kaart te brengen.

Door middel van een niet-destructieve VC (bijvoorbeeld op basis van het verband tussen cavitatie

en diametervariaties) zou men in de toekomst vlotter kunnen anticiperen op de nefaste gevolgen

van cavitatie met betrekking tot een verbeterde irrigatiecontrole. Daarom werd in deze thesis

onderzocht of er een consistente relatie bestaat tussen het cavitatiepatroon en diametervariaties

doorheen verregaande uitdroging van een druiventak.

In de literatuurstudie (hoofdstuk 1) worden de relevante fysiologische processen besproken met

betrekking tot cavitatie. Hierin komt het watertransport aan bod, gevolgd door diverse aspecten

van de hydraulische geleidbaarheid, stamdiametervariaties en cavitatie en tot slot wordt finaal de

destructieve VC behandeld. De algemene proefopzet van de experimenten wordt besproken in

hoofdstuk 2 (materialen en methode). Daarnaast worden de gehanteerde technieken uiteengezet

die toegepast werden om het microklimaat en de vier variabelen op te meten (waterpotentiaal,

hydraulische geleidbaarheid, diametervariaties en cavitatie). In hoofdstuk 3 (resultaten) worden

de relevante data gepresenteerd en beschreven. In de discussie (hoofdstuk 4) wordt vervolgens kri-

tisch gereflecteerd en worden de resultaten in perspectief gezet. Er wordt onder andere nagegaan

hoe de plant zich gedraagt tijdens verregaande uitdroging. Welke cavitatiedynamiek vertoont de

plant onder diverse omstandigheden? Hoe verloopt het verlies aan hydraulische geleidbaarheid en

is dit verlies reversibel? Gaat het hervullen van de vaten ook gepaard met cavitatie? Hoe uit zich

dit in de diameter van de tak? Kunnen we differentieren tussen diameterinkrimping ten gevolge

van stijgende zuigspanningen enerzijds en het legen van de waterreserves anderzijds? Zijn deze

trends gerelateerd aan het cavitatiepatroon? Welk verloop vertoont de niet-destructieve VC? Is

dit verloop constant of is er een seizoenale trend te detecteren? Finaal worden de belangrijkste

inzichten kernachtig samengevat en wordt een toekomstperspectief geboden in het laatste deel van

deze thesis, hoofdstuk 5 (besluit en toekomstperspectieven).

xviii

LITERATUURSTUDIE

Hoofdstuk 1

Literatuurstudie

1.1 Watertransport van bodem tot atmosfeer

Om alle vitale functies te kunnen vervullen, transporteert de plant grote hoeveelheden water.

Onder vochtige omstandigheden kan 5 − 10 kg water m−2 dag−1 verdampt worden door stomata

ter hoogte van de bladeren, die zich op meer dan 100 m van de bodem kunnen bevinden (Cruiziat

& Tyree, 1990; Cochard, 2006). Massale hoeveelheden water moeten dus beduidende afstanden

afleggen, wat een efficient watertransport van cruciaal belang maakt.

Voordat er wordt ingegaan op de drijvende kracht en de bijhorende mechanismen, wordt eerst het

structurele verloop van het watertransport en de anatomische eigenschappen van het vasculair

weefsel toegelicht. Figuur 1.1 illustreert de weg die water aflegt vanuit de bodem doorheen de

plant tot in de atmosfeer.

1.1.1 Watertransport doorheen wortel en stengel

Wateropname start ter hoogte van de wortel. Uit de rhizosfeer wordt het water opgenomen via de

wortelhaartjes, waarna het beweegt doorheen de epidermis tot in de cortex. Na het kruisen van

de endodermis en de pericyclus migreert het water richting vasculair weefsel, wat zich hogerop

ook doortrekt in stengel en blad (Cochard, 2006). Dit vasculair weefsel bestaat uit xyleem, floeem

en cambiumweefsel. Zowel xyleem als floeem worden jaarlijks gesynthetiseerd door het vasculair

cambium, een dunne laag die zich tussen beide situeert. Het floeem bevindt zich aan de buitenkant

van de cambiumlaag en bestaat uit een dunne laag cellen die zorgt voor het transport en de

distributie van fotosyntheseproducten vanuit de bladeren naar diverse organen. In het xyleem

stroomt het sap in tegenovergestelde richting; het vervoert het opgenomen water vanuit de wortel

in de richting van de bladeren. Secundair xyleem wordt jaarlijks naar het centrum van de stam

afgescheiden waardoor de stamdiameter toeneemt en groeiringen ontstaan (Tyree & Ewers, 1991).

In deze thesis ligt de focus op het opwaarts watertransport doorheen de xyleemvaten. Daarom zal

3

4 Hoofdstuk 1. Literatuurstudie

Figuur 1.1: Transportroute van water van bodem tot atmosfeer (rechts) en structurele weergave van blad

(a), vat (b) en (c), en wortel (d) (aangepast uit Cruiziat & Tyree, 1990).

Hoofdstuk 1. Literatuurstudie 5

in het vervolg sapstroom gebruikt worden als synoniem voor opwaarts watertransport

Anatomisch bestaat het xyleem uit twee celtypes: tracheeen en tracheıden. Tracheıden komen

voor in alle vasculaire planten en varieren in lengte van 2 tot 6 mm, terwijl tracheeen of vatelemen-

ten hoofdzakelijk voorkomen in angiospermen (figuur 1.1 B). Deze vatelementen zijn aan elkaar

verbonden via perforatieplaten en vormen zo lange houtvaten van uiteenlopende afmetingen (1 mm

tot meer dan 1 m) (Cruiziat & Tyree, 1990; Tyree & Ewers, 1991). Watertransport over lange

afstand grijpt plaats in de lumina van deze xyleemelementen. Ze zijn enkel functioneel in dode

toestand wat een laagweerstandige axiale sapstroom mogelijk maakt. Aangezien de houtvaten zich

niet oneindig uitstrekken moet water ook lateraal tussen vaten kunnen bewegen. De aanwezigheid

van pitporien op de laterale zijwanden maken dergelijke radiale stroming mogelijk (figuur 1.1 C).

Zo een pitporie bestaat uit een netwerk van cellulose microfibrillen waarin tortueuze kanalen de

microporien vormen (Cruiziat & Tyree, 1990; Choat et al., 2008). Deze bepalen de pitporositeit

en zullen erg belangrijk blijken in de vatconnectiviteit en gevoeligheid aan cavitatie (sectie 1.4)

(Cruiziat & Tyree, 1990; Tyree & Zimmermann, 2001).

Naast de watergeleidende elementen bestaat het xyleemweefsel ook uit vezels en parenchymcellen.

Vezels hebben een verstevigde secundaire celwand voor structurele steun. Parenchymcellen zijn

de enige levende celtypes en vervullen een opslagfunctie voor water en koolhydraten. Zo kunnen

ze instaan voor lateraal transport van water en opgeloste stoffen en bovendien actief reageren op

pathogenen en verwondingen (Tyree & Ewers, 1991; Steppe, 2004).

1.1.2 Verdamping van water naar de atmosfeer

Vanuit de stam wordt het water getransporteerd via de xyleemvaten tot in de bladeren, waar de

tracheeen zich transformeren tot nauwe nerven. Hier komt het water in de celwand van de mesofiel-

cellen terecht, vanwaar de verdamping plaatsgrijpt. Deze verdamping is in sterke mate afhankelijk

van het microklimaat via een combinatie van drie factoren: zonlicht, temperatuur (T) en relatieve

vochtigheid (RH, ’relative humidity’) van de atmosfeer. Onder invloed van fotosynthetisch actieve

straling (PAR, ’photosynthetically active radiation’) worden de huidmondjes of stomata geopend

en kan de plant latente energie gebruiken om water te verdampen in de substomatale ruimte

(figuur 1.1 A). Hier schommelt de RH rond de 100%, terwijl de atmosferische luchtvochtigheid

meestal veel lager ligt. Dit betekent een drijvende kracht voor diffusie en resulteert in het verlies

van waterdamp doorheen de huidmondjes (Cruiziat & Tyree, 1990; Jones, 1992; Cochard, 2006).

Het effect van RH en T wordt gecombineerd in een parameter en uitgedrukt als het verzadigings-

deficiet (VD). Dit VD is het verschil tussen de werkelijke en de verzadigde hoeveelheid vocht in

de lucht zodat een grotere waarde een sterkere drijvende kracht voor transpiratie betekent. Onder

invloed van deze concentratiegradient zal gasvormig water tenslotte vanuit de huidmondjes tot in

de atmosfeer diffunderen (e.g. Cruiziat & Tyree, 1990; Tyree, 1997). Deze huidmondjes verkeren

echter niet altijd in geopende toestand. Naast een uitgang voor gasvormig water verzorgen ze


immers gelijktijdig toegang tot CO2 uit de lucht. Dit is nodig voor fotosyntheseprocessen in de

plant. Een optimale balans tussen waterverlies en CO2-opname wordt bewerkstelligd door regeling

van de openingsgraad van de huidmondjes, ook wel de stomatale weerstand genoemd. Daardoor

bestaat er een verband tussen fotosynthese en de waterstatus van de plant en kan een verminderde

sapstroom verstrekkende gevolgen hebben voor de fotosynthese en uiteindelijk de overleving van

de plant (Cruiziat & Tyree, 1990).

1.1.3 De waterpotentiaal als drijvende kracht

De waterpotentiaal is een maat voor de beschikbaarheid van water. De grootte van de water-

potentiaal duidt de kracht aan waarmee water wordt aangezogen (ψ < 0) of afgestoten (ψ > 0).

Doorheen het hydraulisch netwerk van de plant wordt een gradient van negatieve waterpotentialen

(zuigspanningen) opgebouwd. In de bodem heerst de minst negatieve waterpotentiaal, terwijl de

waarden steeds negatiever worden naar de bladeren toe. Water stroomt spontaan in de richting

van dalende (meer negatieve) waterpotentialen, in overeenstemming met de wet van de minimale

energie en wordt zo doorheen het xyleem ’omhooggetrokken’ tot in de bladeren (sectie 1.2). Sap-

stroom is bijgevolg een passief proces met als drijvende kracht het verschil in waterpotentiaal

(Tyree & Zimmermann, 2001; Jury & Horton, 2004).

Cohesie theorie

In 1895 beschreven Dixon en Joly de ’Cohesion-Tension theory’, een verklarende theorie omtrent

het watertransport in planten, die tot op vandaag grotendeels wordt geaccepteerd. De theorie stelt

dat de waterpotentiaal in de plant bijna steeds negatief is, waardoor het volledige hydraulische

netwerk van de plant onder zuigspanning staat. Deze zuigspanning wordt veroorzaakt door trans-

piratie ter hoogte van de huidmondjes en zet zich voort over de gehele lengte van de plant. De

waterkolom houdt stand als gevolg van de heersende cohesiekrachten tussen watermoleculen on-

derling. Het hydraulisch netwerk kan dus als een continuum doorheen de gehele plant worden

beschouwd en wordt dikwijls benoemd als een bodem-plant-atmosfeer-continuum (SPAC, ’soil

plant atmosphere continuum’)(Cruiziat & Tyree, 1990; Tyree & Zimmermann, 2001).

Dagelijks verloop van de waterpotentiaal en de diameter

Aangezien transpiratie een diurnaal, zongebaseerd proces is, vertoont ook de waterpotentiaal van

de plant een dagelijkse cyclus (Irvine en Grace, 1997). ’s Morgens is de boom in verzadigde toe-

stand. Er bestaat geen waterpotentiaalgradient tussen de wortels en de bladeren waardoor het

water in evenwicht is en de sapstroom stilstaat. Onder invloed van zonlicht gaan de stomata open

en start de transpiratie. De waterpotentiaal ter hoogte van de huidmondjes daalt. Als gevolg van

deze daling ontstaat een potentiaalgradient in het xyleem waardoor waterstroming op gang komt.


Deze zuigspanning wordt sequentieel doorgegeven aan de diverse organen van de kruin naar de

wortels toe (Tyree & Zimmermann, 2001; Steppe et al., 2006).

Ten gevolge van de hydraulische weerstand doorheen de plant, is de zuigspanning niet meteen

voelbaar ter hoogte van de wortels (Peramaki et al., 2001; Zweifel & Item, 2000; Sevanto et al.,

2011). Door deze vertraging start de wateropname in de wortels niet gelijktijdig met de trans-

piratie waardoor de boom initieel beroep moet doen op interne reserves. Deze bevinden zich in

elk waterhoudend orgaan: bladeren, vruchten, takken, stam en wortels (Ueda & Shibata, 2001).

Het aanspreken van dergelijke reserves resulteert in een radiale waterstroming. Op die manier

is de plant tijdelijk in staat om snel te reageren op varierende transpiratie, onafhankelijk van de

worteltoevoer. Zo worden grote schommelingen in de xyleem waterpotentiaal in beperkte mate

opgevangen. Ondertussen zet de zuigspanning zich verder door in de richting van de wortels en

onder invloed van cohesiekrachten en komt er een verticale wateropname op gang. De radiale

watertoevoer houdt aan tot wanneer beide potentialen eenzelfde grootte hebben bereikt. De drij-

vende kracht is dan gelijk aan nul. De waterreserves worden dus niet enkel aangesproken in tijden

van droogte, maar zijn intrinsiek verbonden met de dagelijkse sapstroom (Zweifel & Item, 2000).

Rond de middag bereikt de boom een steady-state-toestand waarin evenveel water wordt opgeno-

men als er getranspireerd wordt. Op dit moment is de waterpotentiaal het meest negatief en is

de diameter het kleinst. ’s Avonds vindt het omgekeerde proces plaats: de wateropname door de

wortels overschrijdt de transpiratie waardoor interne reserves opnieuw aangevuld worden (Irvine &

Grace, 1997; Peramaki et al., 2001; Sevanto et al., 2005; Steppe et al., 2006). Op deze manier ont-

staat een sterke hydraulische koppeling tussen de opslagpools en de transpiratiestroom en worden

extreme variaties in waterpotentiaal gebufferd (Steppe et al., 2006). Dergelijke hydratatiecycli

vertalen zich in een diurnaal diameterpatroon, corresponderend met het dagelijks verloop van

de waterpotentiaal. Naarmate de opslagpools overdag uitgeput raken, krimpt de stam terwijl

deze ’s avonds en ’s nachts zal toenemen door het opnieuw aanvullen van de reserves (Irvine &

Grace, 1997; Cochard et al., 2001; Intrigliolo & Castel, 2007; Almeras, 2008). Het verloop van de

transpiratie en de diametervariaties zijn schematisch weergegeven in figuur 1.2.

Opmeten van de waterpotentiaal: controversieel debat omtrent de validiteit van de

cohesietheorie en de drukbom

Ondanks het ontstaan van de cohesietheorie in 1894 werd het opmeten van dergelijke nega-

tieve waterpotentialen pas mogelijk gemaakt in de jaren 1950-1960 met de ontwikkeling van de

thermokoppel-psychrometer (Spanner, 1951) en de drukbom (Scholander et al., 1964). Bladwa-

terpotentialen tot -10 MPa werden opgemeten en deze ontwikkeling werd beschouwd als bevesti-

ging van de cohesietheorie (Kolb & Davis, 1994). Omwille van zijn eenvoudige hanteerbaarheid

werd de drukbom uitvoerig gebruikt door plantfysiologen en vond hij zijn praktische intrede in

irrigatiecontrole. In 1994 lanceerde Zimmerman de xyleemdrukprobe, een toestel dat toeliet de

xyleemwaterpotentiaal ’in situ’ te meten. De opgemeten zuigspanningen lagen veel lager dan de


Figuur 1.2: (A)Illustratie van de dagelijkse dynamiek van transpiratie en stamdiametervariaties en (B)

de overeenkomstige uitputting en bijvulling van het opslagweefsel. Verder wordt de richting

en grootte van de opwaartse en radiale waterstroming aangegeven op diverse tijdstippen

van de dag met Ψx en Ψs de waterpotentiaal van respectievelijk het xyleemweefsel en het

opslagweefsel (aangepast uit Fernandez & Cuevas, 2010).

metingen van de drukbom (0 tot -1 MPa), waardoor de accuraatheid van de drukbom in twijfel

werd getrokken (Steudle, 2001). Daardoor werd het debat omtrent de basis van de opwaartse

sapstroom opnieuw aangewakkerd, wat doorgaat tot op vandaag.

Zo bekritiseren Westhoff et al. (2009) en Zimmermann et al. (2004) het voorkomen van een groot

watercontinuum doorheen de plant, alsook de grootteorde van de waterpotentialen. Ze opperen

dat de opwaartse sapstroom niet zomaar als een geısoleerd mechanisme kan beschouwd worden

waarin xyleemvaten niet meer zijn dan kwetsbare kanalen. Volgens hen bewerkt een samenspel

van diverse krachten (e.g. osmotische, capillaire, elektrische en transpiratiekrachten) over korte

afstanden de sapstroom zodat het water in verschillende stappen omhooggetrokken wordt. In

het licht van deze theorie, ook wel de ’Watergate’ of ’Multi-Force’ theorie genoemd, stellen ze de

werking van de Scholander-drukbom in vraag, die volgens hen de grootte van de zuigspanning

overschat. Ze baseren zich hiervoor op resultaten van de xyleemdrukprobe en cryo-scanning

elektronenmicroscopie (Wei et al., 1999).


Onderzoek naar het exacte mechanisme achter de opwaartse sapstroom in planten blijft dus een

’hot topic’ en is onderhevig aan een levendig debat (Cochard et al., 2001; Steudle, 2001; Wei

et al., 2001). Desondanks is de cohesietheorie tot op vandaag nog grotendeels aanvaard en blijft

de drukbom de standaard methode voor het opmeten van waterpotentialen (Holbrook et al., 1995;

Cochard et al., 2001; Wei et al., 2001; Choat et al., 2010; Ruger et al., 2010).

1.2 Hydraulische geleidbaarheid

1.2.1 Hydraulische geleidbaarheid op plantniveau

Opwaartse sapstroom doorheen het SPAC wordt bewerkstelligd onder invloed van een constante

afname in waterpotentiaal (meer negatief) in de richting van de bladeren. Naar analogie met

elektrische circuits beschreef van den Honert (1948) elk medium (e.g. bodem, wortels, takken) als

een afzonderlijke hydraulische weerstand waarover de sapstroom stroomt. Hierin is hydraulische

weerstand het inverse van hydraulische geleidbaarheid (figuur 1.3). Dit concept stelde hem in staat

de wet van Ohm te introduceren om de steady-state-waterflux (F [kg.s−1]) doorheen de plant te

kunnen kwantificeren:

F =∆ψ

R= ∆ψKh (1.1)

Hierin is het potentiaalverschil ∆ψ [MPa] de drijvende kracht, R ondervonden weerstand [MPa.s.kg−1] en Kh de hydraulische geleidbaarheid [kg.s−1.MPa−1]. Vergelijking 1.1 biedt slechts een ver-

eenvoudigde kwantificatie van het watertransport, gezien capacitieve aspecten (e.g. wateropslag)

niet in rekening worden gebracht (Boyer, 1985; Tyree & Ewers, 1991).

1.2.2 Hydraulische geleidbaarheid op xyleemniveau

Puur fysisch gezien kan sapstroom doorheen xyleemvaten vergeleken worden met waterstroming

doorheen capillaire kanalen. In de hydrodynamica wordt dergelijke stroming gedefinieerd door

middel van de wet van Hagen-Poiseuille:

F =πρw

∑ni=1 d

4

128ηw

∆ψ

l= kh

∆ψ

l(1.2)

Hierin is ρw de dichtheid van water (998.2 kg.m−3 bij 20◦C), ηw de dynamische viscositeit van

water (1.002 10−3 Pa.s bij 20◦C), d de binnendiameter van het ide kanaal (m), ∆ψl de drukpoten-

tiaalgradient (Pa.m−1) en kh de specifieke hydraulische geleidbaarheid (kg.m.s−1.Pa−1). Hieruit

blijkt dat de specifieke hydraulische geleidbaarheid evenredig is aan de som van de vatdiameters

tot de vierde macht. Kleine variaties van deze diameters oefenen dus een significante invloed uit

op de waterstroming (Tyree & Ewers, 1991; Jury & Horton, 2004). Capillaire kanalen zijn ech-

ter een sterke vereenvoudiging van de werkelijke xyleemvaten (e.g. aanwezigheid van pitporien)

waardoor de maximale kh in de meeste soorten varieert tussen 20-100% van deze theoretische

waarde (Tyree & Ewers, 1991). De hydraulische geleidbaarheid van het xyleem (Kh) is een maat


Figuur 1.3: Illustratie van het pad dat water aflegt doorheen het bodem-plant-atmosfeer continuum

(SPAC, ’soil-plant-atmosphere continuum’)(rechts) en de corresponderende weergave van het

elektrisch analogon (links). Watertransport grijpt plaats onder invloed van een potentiaal-

gradient in de richting van dalende waterpotentialen (Ψ). Elk medium (wortel, stam, blad,

stomata en grenslaag (GL)) vertegenwoordigt een hydraulische weerstand (R). De totale ma-

croscopische weerstand wordt gezien als een serieschakeling van deze individuele weerstanden

(aangepast uit Cruiziat & Tyree (1990)).

voor het vermogen van het vasculair systeem om water en opgeloste stoffen te transporteren onder

optimale omstandigheden (Espino & Schenk, 2011). Hoe groter de hydraulische geleidbaarheid,

des te kleiner de transportweerstand die het sap ondervindt en des te meer water naar de kruin

kan stromen onder een gegeven waterpotentiaal. De maximale geleidbaarheid wordt bepaald door

de vatdiameter, het aantal xyleemvaten en de ruimtelijke verdeling van deze vaten (Durante et al.,

2011). Het xyleem opereert echter niet altijd onder optimale condities onder andere door obstruc-

ties (e.g. cavitaties, tyloses) in de xyleemvaten en afname van de stomatale geleiding (Tyree &

Sperry, 1989; Sevanto et al., 2005). De werkelijke hydraulische geleidbaarheid ligt dus meestal

lager dan de maximale waarde (Tyree & Sperry, 1988).

1.2.3 Opmeten van hydraulische geleidbaarheid

De standaard methode om de hydraulische geleidbaarheid te kwantificeren bestaat erin om een

ontgaste, gedestilleerde oplossing door het taksegment te sturen onder lage druk. De hydraulische


geleidbaarheid wordt vervolgens gedefinieerd als de ratio van het debiet en de drukgradient over de

sectie (formule 1.1) (Sperry & Tyree, 1988). Wanneer dergelijke meting wordt uitgevoerd onder

toenemende dehydratatie van de plant (benchdrying) zal de embolisatiegraad toenemen en de

hydraulische geleidbaarheid systematisch afnemen (Choat et al., 2010). Op die manier kan het

uitdrogingsprofiel aan de hand van een percentage verlies aan geleidbaarheid (percentage loss of

conductivity, PLC) uitgedrukt worden :

PLC = 100(1 −K ′hKh

) (1.3)

waarin K ′h en Kh respectievelijk de actuele en de maximale hydraulische geleidbaarheid voorstellen

[kg.s−1.MPa−1] (Kolb et al., 1996; Rosner et al., 2006; Choat et al., 2010).

Dergelijke methode kan uitgevoerd worden met een eenvoudige waterkolom waarin een gravitaire

gradient gecreeerd wordt doorheen de tak. Alternatief kan gebruik gemaakt worden van de

XYL’EM, gebaseerd op de methode van Sperry & Tyree (1988) en toegepast door onder meer

Cochard et al. (2000). Het werkingsprincipe wordt uiteengezet in sectie 2.4.

1.3 Stamdiametervariaties

Variaties in de stamdiameter van de plant resulteren uit een irreversibele groeigebaseerde compo-

nent enerzijds en een reversibele component ten gevolge van variaties in de plant-waterbalans

anderzijds (Irvine & Grace, 1997; Steppe et al., 2006; Perez-Diez et al., 2010). Reversibele

diametervariaties vloeien voort uit het aanvullen of uitputten van waterreserves in de plant.

Daarom worden de diametervariaties in combinatie met de wateropslagmechanismen besproken.

Er zijn drie opslagmechanismen te onderscheiden en elk van deze grijpt plaats bij verschillende

waterpotentialen in verschillende weefsels.

Elastische inkrimping correspondeert met het dagelijkse verloop van de waterpotentiaal en doet

zich voor ter hoogte van het floeemweefsel, de schors en de levende cellen in het xyleem (Figuur

1.2). Als reactie op een daling in de xyleemwaterpotentiaal in de voormiddag zal een radiale

sapstroom optreden vanuit deze weefsels om de waterbalans in evenwicht te brengen. Naarmate

de opslagpool overdag verder uitgeput raakt, krimpt de stam terwijl deze ’s avonds en ’s nachts

zal toenemen door het opnieuw aanvullen van de reserves. Dergelijke hydratatiecycli resulteren

in een diurnaal diameterpatroon dat in grootte bepaald wordt door de elasticiteit van de weefsels

(Irvine & Grace, 1997; Cochard et al., 2001; Intrigliolo & Castel, 2007; Almeras, 2008). Naast

levende weefsels ondergaat ook het dode xyleemweefsel dagelijks elastische variaties in omvang

(Irvine & Grace, 1997; Zweifel & Item, 2000; Cochard et al., 2001; Peramaki et al., 2001; Ueda

& Shibata, 2001; Zweifel et al., 2001; Rosner et al., 2009; Perez-Diez et al., 2010). Onder in-

vloed van toenemende zuigspanningen ondergaan xyleemvaten een inkrimping. Deze zogenaamde

’zuigspanningsinkrimping’ is een rechtstreeks gevolg van de cohesietheorie waarbij de adhesie-

krachten tussen water en xyleemwanden zorgen voor een inkrimping bij grote zuigspanningen.


Veranderingen in de waterpotentiaal worden dus op een directe wijze gereflecteerd in xyleemdia-

metervariaties (Irvine & Grace, 1997; Peramaki et al., 2001). Naast de elastische opslagcapaciteit

van de plant, kan ook capillariteit bijdragen tot de waterbalans, zij het onder erg kleine zuig-

spanningen. Deze reserve wordt reeds uitgeput rond -0.5 MPa, waardoor het belang voor de

transpiratiestroom gering is (Tyree et al., 1984).

Tenslotte kan cavitatie een rol spelen in de wateropslagcapaciteit van de plant. Wanneer een

xyleemvat caviteert, wordt het gevuld met lucht en wordt de volledige waterinhoud vrijgesteld in

de transpiratiestroom (Holtta et al., 2002, 2009). De mate waarin dit mechanisme een belangrijke

rol speelt in het bufferen van de waterbalans van de plant varieert van soort tot soort. Een

aantal auteurs oppert dat caviterende vaten de stamdiameterafname kortstondig tegengaan als

gevolg van het ontspannen van de zuigspanning (Irvine & Grace, 1997; Rosner et al., 2009, 2010;

Rosner & Karlsson, 2011). Holtta et al. (2009) stelt echter dat de capacitieve effecten als gevolg

van cavitatie in angiospermen erg weinig bijdragen tot diametervariaties door hun rigiditeit. Dit

is in overeenstemming met bevindingen van diverse andere auteurs (Schultz & Matthews, 1988;

Peramaki et al., 2001; Steppe et al., 2006; Intrigliolo & Castel, 2007; Holtta et al., 2009).

Sapstroom en diametervariaties zijn dus sterk gerelateerd aan elkaar en geven een indicatie van

de waterstatus van de plant. Onder condities van droogtestress zal het water sterker gebon-

den zijn aan de bodem, waardoor een grotere zuigspanning nodig is om eenzelfde sapstroom te

bewerkstelligen. De waterpotentiaal ter hoogte van het xyleem vertoont dus een sterkere daling,

waardoor de waterreserves dieper worden aangesproken. Toenemende stadia van uitdroging ver-

oorzaken op die manier een toenemende afname van de diameter, bovenop het diurnaal patroon.

De schorsdiameter (het weefsel buiten de cambiale zone) zal voornamelijk dalen als gevolg van

uitputting van de waterreserves terwijl het xyleem onder invloed van toenemende zuigspanning

zal krimpen (Sevanto et al., 2005; Holtta et al., 2007; Fernandez & Cuevas, 2010).

1.4 Cavitatie

Zoals blijkt uit de cohesietheorie schuilt de moeilijkheid van het watertransport niet in het over-

bruggen van het hoogteverschil tot aan de kruin, maar wel in het onderhouden van de cohesie-

krachten in de waterkolom (Cruiziat & Tyree, 1990). De heersende zuigspanningen waaraan het

water in de plant langdurig onderworpen wordt, zorgen er namelijk voor dat het water in een

metastabiele toestand verkeert. Dit betekent dat de aanwezigheid van een luchtbel voldoende

kan zijn om de cohesiekrachten tussen watermoleculen te verbreken. Dit heet het caviteren van

xyleemvaten en leidt tot verstoppingen of embolismen in het vasculair weefsel. Zo wordt het water-

continuum doorheen de plant verbroken en wordt de sapstroom gehinderd (Tyree & Zimmermann,

2001; Steppe, 2004; Jia et al., 2006; Choat et al., 2008).


1.4.1 Fysische oorzaken van cavitatie

Planten ondergaan dagelijks zuigspanningen die cavitatie kunnen induceren. Droogte, sterke

transpiratie, vries-en-dooicycli of pathogenen verhogen het risico op cavitatie en kunnen in extreme

mate leiden tot de dood van de plant (Tyree & Zimmermann, 2001; Steppe, 2004; Jia et al., 2006;

Choat et al., 2008). De voornaamste trigger voor cavitatie is droogtestress, gekenmerkt door

periodes van hoge transpiratie en/of bodemwatertekort. In deze thesis wordt dan ook gefocust

op cavitatie als gevolg van droogte. Vooraleer dieper ingegaan wordt op deze vorm van cavitatie

worden de twee andere mechanismen kort toegelicht.

De essentie van vriesgeınduceerde cavitatie is dat gas heel zwak oplosbaar is in bevroren water.

Bijgevolg zullen er tijdens het vriesproces gasbelletjes ontstaan uit het luchtverzadigde xyleemsap.

Die zullen doorgaans groter zijn in brede vaten omdat deze meer opgeloste lucht per eenheid lengte

bevatten (Wheeler et al., 2005). Wanneer het dooiproces aanvangt zullen de meeste gasbellen

opnieuw oplossen in de vloeistoffase. Gasbelletjes in grote vaten kunnen gemakkelijk samensmelten

en zo uitgroeien tot grote bellen. Grote gasbellen lossen echter trager op, waardoor de kans groter

is dat er nog lucht aanwezig is wanneer de kritieke zuigkracht bereikt wordt. Wanneer dit het

geval is, expandeert de gasbel en wordt het vat gecaviteerd. De gevoeligheid aan vriesgeınduceerde

cavitatie kan dus rechtstreeks gelinkt worden aan de vatdiameter (Tyree & Zimmermann, 2001;

Pittermann & Sperry, 2003).

Tenslotte kunnen ook pathogenen cavitatie veroorzaken. Deze scheiden toxines af waartegen de

plant zich beschermt door middel van de vorming van gezwellen die de xyleemvaten verstoppen.

Pathogenen kunnen ook zelf de vaten verstoppen door hun fysieke aanwezigheid of ze kunnen de

samenstelling van het xyleemsap wijzigen. Al deze factoren houden een groeiend risico op cavitatie

in (Tyree & Zimmermann, 2001; McElrone et al., 2003).

1.4.2 Ontstaan en verspreiding van cavitatie binnen de plant

Er zijn verschillende mechanismen die het voorkomen van cavitatie verklaren. Een eerste mecha-

nisme is het homogeen nucleatieprincipe. Dit principe berust op het spontaan ontstaan van een

luchtbel in een functionerend vat. Hiervoor zijn echter heel grote zuigspanningen nodig (boven

100 MPa) waardoor dit mechanisme minder relevant blijkt onder biologische omstandigheden (Ty-

ree & Zimmermann, 2001; Holtta et al., 2002; Cochard, 2006). Het heterogene nucleatieprincipe

kan reeds onder veel kleinere zuigspanningen plaatsgrijpen en cavitatie induceren. Hierbij worden

adhesiekrachten tussen watermoleculen en de vatwand verbroken ter hoogte van een onregelma-

tigheid of pitporie.

Het meest aanvaarde mechanisme voor de verspreiding van droogtegeınduceerde cavitatie is de ’air-

seeding’ hypothese (Sperry & Tyree, 1988; Cochard, 1992; Salleo et al., 1996; Tyree, 1997; Holtta

et al., 2002, 2005). Deze verklaart de verspreiding van cavitatie in aangrenzende xyleemvaten aan


de hand van de structuur van pitmembranen en wordt toegelicht aan de hand van figuur 1.4. In

figuur 1.4 A staan twee aangrenzende xyleemvaten in verbinding met elkaar via de pitporien op hun

laterale wanden. Omdat het ene gecaviteerde vat (V1) met lucht gevuld is en het andere vat (V2)

met water vormen zich lucht-water-menisci over hun gemeenschappelijke pitporien (Figuur 1.4 B).

In het functionele vat heerst een zuigkracht, terwijl het gecaviteerde vat zich op atmosfeerdruk

bevindt (Figuur 1.4 B en C). Hierdoor ontstaat een drukverschil over de menisci. Het maximale

drukverschil dat onderhouden kan worden zonder dat de meniscus doorslaat, wordt gegeven door

de wet van Laplace:

Pv − Px = 2σ/rp (1.4)

met Pv de absolute druk van de lucht [Pa], Px de absolute druk in het xyleem [Pa], σ opper-

vlaktespanning van water (0.0728 N.m−1 bij 20◦C) en rp kromtestraal van de pitporie. Onder

invloed van toenemende droogte of sterke transpiratie vergroot de zuigkracht in het functionele

vat en stijgt het drukverschil over de meniscus (Figuur 1.4 B en C). Indien dit drukverschil de

threshold (bepaald op basis van vergelijking 1.4) overschrijdt, slaat de meniscus door en wordt de

gasbel in het lumen van V2 gezogen (Figuur 1.4 D). Volgens de wet van Laplace kan een grotere

pitporie slechts een kleiner drukverschil onderhouden. Het maximaal te onderhouden drukver-

schil wordt dus bepaald door de grootste pitporie (grootste rp). Onder invloed van de heersende

zuigspanning expandeert de luchtbel instantaan en vult het volledige vat zich met waterdamp.

V2 is nu ook gecaviteerd en de druk is er gelijk aan de verzadigde dampdruk (2.3 kPa). Enkele

milliseconden later wordt de waterdamp vervangen door lucht op atmosfeerdruk (Cruiziat & Ty-

ree, 1990; Tyree & Zimmermann, 2001). Deze kan aangevoerd worden uit intercellulaire ruimten,

andere geemboliseerde vaten (V1), of diffunderen uit naburige geleidende vaten (Jackson & Grace,

1996). Op dat moment is het vat V2 geemboliseerd en disfunctioneel (Figuur 1.4 E en F) (Tyree

& Zimmermann, 2001; Jia et al., 2006). Een geemboliseerd vat kan dus naburige vaten aanzetten

tot cavitatie en zich zo voortzetten doorheen het volledige vasculaire systeem. De aanwezigheid

van pitporien remt deze verspreiding van lucht doorheen het vasculair systeem af en functioneert

zo als veiligheidsklep voor de plant (Cruiziat & Tyree, 1990; Jackson & Grace, 1996; Choat et al.,

2008). Dit is een eerder paradoxaal gegeven, gezien het net deze pitporien zijn die zorgen voor

een geıntegreerd hydraulisch netwerk.

1.4.3 Gevolgen van cavitatie

Cavitatie kan in extreme mate leiden tot ’runaway’ cavitatie (Milburn, 1973). Luchtgevulde va-

ten kunnen geen zuigspanningen doorgeven, waardoor de sapstroom niet meer kan passeren via

geemboliseerde vaten. Hierdoor ontstaat een daling in hydraulische geleidbaarheid, waardoor gro-

tere zuigspanningen nodig zijn om aan een constante transpiratievraag te voldoen. Dit induceert

op zijn beurt steilere drukgradienten en vergroot in een vicieuze cirkel het risico op cavitatie.

Het voorkomen van deze extensieve vorm van cavitatie is echter nog niet experimenteel bewezen

en kan een zeldzaam fenomeen zijn. Cavitatie is immers in veel planten een dagelijks fenomeen


Figuur 1.4: Illustratie van de ’air-seeding’ hypothese die de verspreiding van cavitatie tussen aangrenzende

xyleemvaten verklaart:(A) initiele toestand waarin V1 (een geemboliseerd vat) in contact staat

met V2 (een functioneel vat) aan de hand van pitporien; (B) vorming van lucht-water menisci

over de microporien; (C) naarmate de transpiratie toeneemt wordt lucht gradueel doorheen

de grootste porie getrokken als gevolg van een toenemend drukverschil; (D) het drukverschil

overschrijdt de Laplace threshold en de luchtbel wordt in V2 getrokken; (E) de waterdamp

wordt vervangen door lucht, (F) de eindtoestand waarin beide vaten geemboliseerd zijn en

gevuld zijn met lucht (aangepast uit Cruiziat & Tyree, 1990).


waaraan de plant is aangepast. Ten gevolge van intensieve transpiratie rond de middag ondervindt

de waterpotentiaal een dip. Hierdoor stijgt de zuigspanning, wat een aantal vaten doet caviteren.

Deze dagelijkse embolisaties kunnen zich in de loop van de avond en nacht herstellen waardoor

een stabiele embolisatiecyclus doorlopen wordt (Cruiziat & Tyree, 1990; Cochard, 1992; Zufferey

et al., 2011). De meeste bomen kunnen niveaus van 5 - 20% verlies aan hydraulische geleidbaar-

heid verdragen vooraleer een onstabiele ’runaway’ toestand bereikt wordt (Tyree & Sperry, 1988;

Tyree & Ewers, 1991).

Naast het herstellen van gecaviteerde vaten trachten diverse planten ’runaway’ cavitatie en ver-

regaande dehydratatie te vermijden door middel van stomatale sluiting. Hierdoor vermindert de

transpiratie en kan de waterpotentiaal boven de threshold gehandhaafd worden (e.g. Kolb et al.,

1996; Salleo et al., 2001; Holtta et al., 2002, 2011; Zufferey et al., 2011). Deze stomatale respons

impliceert echter een reductie van de gasuitwisseling met de atmosfeer wat zich vertaalt in een

verlaagde fotosynthese. Op lange termijn kan dit leiden tot een koolstoftekort met nefaste ge-

volgen voor de groei en overleving van de plant. Diverse auteurs stellen dat het voordelig kan

zijn voor de plant om cavitatie in beperkte mate te tolereren, op voorwaarde dat de vaten tijdig

hervuld kunnen worden. Op die manier kan de stomatale sluiting uitgesteld worden, waardoor

meer koolstof kan worden opgenomen (Tyree & Zimmermann, 2001; Holtta et al., 2009; Choat

et al., 2010; Zufferey et al., 2011).

1.4.4 Herstelmechanismen

Gezien het dagelijks voorkomen van cavitatie, moeten planten een mechanisme hebben ontwik-

keld voor het hervullen van gecaviteerde xyleemvaten. Op die manier kan de sapstroom terug

hersteld worden en wordt de plant vrijwaard van systematisch verlies aan hydraulische geleid-

baarheid (Brodersen et al., 2010). Ondanks talrijk bewijs van dergelijk proces bleven de details

ervan gedurende vele jaren een raadsel (e.g. Salleo et al., 1996).

Recente experimenten, waaronder in vivo waarneming door middel van rontgenstraling in Vitis

vinifera L., hebben een beter inzicht gegeven in dit herstelmechanisme (Zwieniecki et al., 2000;

Brodersen et al., 2010). Brodersen et al. (2010) stelden een model op om het herstel van cavitatie

in druivelaars te beschrijven (Figuur 1.5). Hierin wordt het herstelmechanisme toegeschreven aan

tijdelijk opgebouwde drukgradienten tussen xyleem en omringende weefsels, die tot stand komen

door een samenspel van (i) de instroom van water en opgeloste stoffen, (ii) heersende potentialen

en (iii) de bevochtigbaarheid van xyleemwanden (Bucci et al., 2003; Brodersen et al., 2010). Ca-

vitatieherstel blijkt een dynamisch proces waarbij de plant, via actieve participatie van het floeem

en parenchymcellen, een opmerkelijke controle heeft over de stroming en distributie van water

(Lovisolo et al., 2008). Brodersen et al. (2010) stellen verder dat het herstelmechanisme in de

praktijk gelijktijdig en gecoordineerd plaatsgrijpt binnen een groepje xyleeemvaten. Deze onder-

gaan een hydraulische isolatie, waardoor een lokale overdruk gecreeerd kan worden. Het transport

van opgeloste stoffen gaat door totdat alle kanalen binnen deze groep van xyleemvaten gevuld zijn.


Op die manier worden de pas hervulde vaten niet meteen aangesloten op de sapstroom, waardoor

lokaal aangevoerde stoffen niet meteen verloren gaan in naburige vaten. Dit maakt cavitatieher-

stel mogelijk tijdens de transpiratie (Tyree, 1997; Zwieniecki et al., 2000; Brodersen et al., 2010;

Zufferey et al., 2011). Deze gecoordineerde vorm van herstel zou gestimuleerd worden door diffuse

signalen zoals vibraties en planthormonen (Salleo et al., 1996; Bucci et al., 2003; Lovisolo et al.,

2008). Geemboliseerde vaten worden over een tijdspanne van een aantal uur opgevuld, afhankelijk

Figuur 1.5: Model van het herstelmechanisme van embolismen in de xyleemvaten van druivelaars.(A1,

B1) Onder invloed van embolismen scheidt het floeem lokaal opgeloste stoffen af die via pa-

renchymcellen in het xyleemkanaal terechtkomen. (A2, B2) Hierdoor wordt een osmotische

gradient gecreeerd waardoor water spontaan toestroomt vanuit naburige vezels en parenchym-

cellen en het kanaal binnenkomt via talrijke porien. (A3-6, B3-6) Initieel worden waterdrup-

pels gevormd op de binnenwand van het kanaal. (C1-3)Deze smelten samen en expanderen

waardoor het aanwezige gas gevangen en samengedrukt wordt in progressief kleinere bellen

(4a-4b) tot ze oplossen of ontsnappen via hydrofobe microkanalen in de vatwand. S: opgeloste

stoffen, W: water. (Brodersen et al., 2010).

van hun diameter en voorafgaande waterstatus. Hoe groter de diameter, hoe langer het opvullen

duurt, waardoor de kans stijgt dat het vat nog niet is opgevuld tegen het begin van de volgende

transpiratiecyclus. In dit geval zal het herstelmechanisme falen (Salleo et al., 1996; Brodersen

et al., 2010; Zufferey et al., 2011).


1.4.5 Opmeten van cavitatie

In een caviterend xyleemvat wordt het sap dat onder zuigspanning staat op een aantal microse-

conden verdreven en vervangen door waterdamp (Tyree & Sperry, 1988; Jia et al., 2006; Rosner

et al., 2006). Deze plotse drukverandering zorgt voor de productie van energie onder de vorm van

ultrasone akoestische signalen (’Ultrasonic Acoustic Emissions’, UAE). Met behulp van deze be-

vindingen legden Milburn & Johnson (1966) de beginselen vast voor een non-destructieve methode

om cavitatie op te meten. Met behulp van een ultrasone cavitatiesensor kunnen de cavitatiesigna-

len gedetecteerd worden en kan de stresstoestand van de plant in beeld gebracht worden (Cruiziat

& Tyree, 1990; Jackson & Grace, 1996; Cochard, 2006; Rosner et al., 2006).

Interpretatie van cavitatiesignalen

De interpretatie van de UAE-signalen is echter niet eenvoudig. Diverse factoren dienen in acht

te worden genomen voordat conclusies kunnen getrokken worden. Zo wordt de signaalsterkte en

-voortplanting beınvloed door de weglengte die het signaal moet afleggen, de dichtheid van het

hout, de orientatie van de vezels en de hydratatietoestand van het staal (Rosner et al., 2006; Mayr

& Rosner, 2011). Verder kunnen diverse andere processen in levende planten ook UAE uitstu-

ren, waardoor vaak geen 1:1 relatie voorkomt tussen het aantal UAE en het aantal gecaviteerde

vaten (Rosner et al., 2006). In principe kan elke (dode) watergevulde cel die voldoende sterke

wanden heeft om negatieve drukken te weerstaan, caviteren. In angiospermen kunnen dus ook

parenchymcellen en tracheıden bijdragen tot UAE-signalen. Verder kunnen reflecties van golven

of droogtescheuren aan de basis liggen van deze niet-lineaire relatie. Vaten kunnen ten slotte ook

hervuld worden zodat ze meermaals UAE produceren. Deze fenomenen bemoeilijken de interpre-

tatie van de UAE resultaten. Veel auteurs nemen aan dat UAE-signalen hoofdzakelijk afkomstig

zijn van cavitatie, maar deze kunnen niet met zekerheid als enige oorzaak worden aangeduid

(Sperry & Tyree, 1988; Jackson & Grace, 1996; Kikuta & Salleo, 1997; Rosner et al., 2010).

Bij de interpretatie van de UAE moet ook rekening gehouden worden met de vatdiameter. Zoals

voorgeschreven door de wet van Poiseuille (formule 1.2) is de sapstroom evenredig met de diameter

tot de vierde macht. Cavitatie in een groter vat is dus hydraulisch significanter en zal resulteren

in een sterkere daling in hydraulische geleidbaarheid. Corresponderend wordt verondersteld dat

grotere vaten onder zuigspanning meer elastische energie opslaan waardoor ze energetisch hogere

UAE waarden produceren. Gezien het aantal UAE als parameter niet differentieert tussen energe-

tische signaalsterkten, is dit onderscheid tussen vatdiameters moeilijk te maken. De relatie tussen

het cumulatief aantal UAE en het verlies aan geleidbaarheid zal bijgevolg niet lineair zijn, aange-

zien niet alle cellen even groot zijn en dus niet gelijkmatig bijdragen aan de totale hydraulische

conductiviteit (Rosner et al., 2006).

Het is duidelijk dat de interpretatie van het aantal UAE enige voorzichtigheid vereist (Jackson

& Grace, 1996). Rosner et al. (2006) is van mening dat een meer gesofisticeerde analyse van de


UAE-signalen noodzakelijk is om de hydraulische gevoeligheid te beschrijven (Mayr & Rosner,

2011).

1.4.6 Cavitatie: trade-off veiligheid versus hydraulische geleidbaarheid

Uit de ’air-seeding’ hypothese (sectie 1.4.2) blijkt dat kleine pitporien een grote barriere betekenen

voor de verspreiding van cavitatie en als veiligheidklep dienen in de verspreiding van cavitatie.

Kleine pitporien gaan echter gepaard met een functionele kost. De sapstroom ondervindt namelijk

een weerstand in de xyleemvaten als gevolg van (i) een lumenweerstand en (ii) een porieweerstand.

Wijde porien zijn dus cruciaal voor efficient watertransport, maar ze impliceren gelijktijdig een

risico op cavitatie, wat hen inherent gevoeliger maakt aan droogtegeınduceerde cavitatie. In

houtachtige planten bestaat dus een trade-off tussen xyleemefficientie en xyleemresistentie voor

cavitatie (Kolb & Davis, 1994; Rosner et al., 2006; Loepfe et al., 2007; Choat et al., 2008; Rosner

et al., 2008; Christman et al., 2009; Rosner et al., 2009; Cai & Tyree, 2010; Holtta et al., 2011).

Initieel werd verondersteld dat de pitporositeit aan de basis lag van deze trade-off en ’getuned’

moest worden door de plant om de hydraulische structuur te optimaliseren. Empirische data

onderschrijven deze stelling echter niet altijd (Hacke et al., 2006).

Verschillende auteurs hebben dit fenomeen onderzocht. Zo verklaren Choat et al. (2008) deze

afwijking door middel van het principe van de ’air-seeding’ theorie. De cavitatiethreshold wordt

namelijk bepaald door de maximale poriediameter in plaats van de porositeit waarmee de ge-

middelde poriediameter wordt uitgedrukt. De hydraulische geleidbaarheid op zijn beurt wordt

in mindere mate beınvloed door de aanwezigheid van een paar grote porien en is bijgevolg wel

gerelateerd aan de porositeit. De hydraulische trade-off is volgens hen dus toe te schrijven aan

een verband tussen porositeit, relevant voor de hydraulische geleidbaarheid en maximale porie-

grootte, gerelateerd aan cavitatie (Hacke et al., 2006). In zijn pitoppervlaktehypothese relateert

Wheeler et al. (2005) de maximale poriegrootte aan de pitmembraanoppervlakte per vat. Een

grotere oppervlakte betekent immers meer pitporien en op basis van de probabiliteitstheorie dus

meer kans op een grote porie. De gemiddelde porositeit van de pitmembranen verandert daar-

entegen niet noodzakelijk mee met de pitoppervlakte. Planten zouden dus beter beschermd zijn

tegen cavitatie wanneer ze minder pitoppervlakte per kanaal bezitten. Dit heeft ook consequen-

ties naar geleidbaarheid toe gezien minder pitoppervlakte een grotere hydraulische weerstand

betekent. Aangezien de pitmembraanoppervlakte in directe relatie staat met de vatdiameter en

-lengte (Wheeler et al., 2005; Hacke et al., 2006), komt een kleinere diameter overeen met minder

pitmembraan en dus een grotere veiligheid voor cavitatie. Anderzijds heeft een kleinere diameter

een nefaste invloed op de hydraulische geleidbaarheid, gekwantificeerd door de wet van Poiseuille

(formule 1.2). Loepfe et al. (2007) trekt de analyse ten slotte open naar systeemniveau. Een

belangrijk aandeel van de sapstroomweerstand is namelijk toe te schrijven aan de connectiviteit

tussen de vaten, naast de porie- en lumenweerstand. Hierdoor schrijven de auteurs de trade-off

toe aan een combinatie van zowel pitporiegrootte als vatlengte en connectiviteit (Loepfe et al.,


2007; Cai & Tyree, 2010; Durante et al., 2011).

1.5 De vulnerability curve

De gevoeligheid van het xyleem voor cavitatie kan grafisch afgebeeld worden aan de hand van een

vulnerability curve (VC). Hierop wordt het verlies aan hydraulische geleidbaarheid weergegeven

in functie van de waterpotentiaal nodig om dit verlies te induceren. De relatie tussen beide para-

meters verloopt sigmoıodaal en kan gefit worden aan een Chapman curve (y0 +a (1−exp(−bx))c).

Gevoeligere vaten caviteren bij minder negatieve waterpotentialen. Hoe negatiever de waterpo-

tentiaal wordt, hoe meer vaten disfunctioneel worden door cavitatie en hoe lager de hydraulische

geleidbaarheid wordt. De VC geeft dus een beeld van de droogtegevoeligheid van een plant. Om

VC eenvoudig te kunnen interpreteren maakt men vaak gebruik van de P50. Hiermee wordt de

waterpotentiaal aangeduid die overeenkomt met een 50% verlies aan geleidbaarheid (e.g. Cai &

Tyree, 2010; Choat et al., 2010).

Een VC is geldig voor een soort. De spatiale verdeling van de pitporositeit tussen de verschillende

xyleemvaten van een plant verklaart de sigmoıdale vorm. Niet alle vaten hebben immers dezelfde

poriegroottedistributie en caviteren dus niet allemaal bij eenzelfde waterpotentiaal (Choat et al.,

2008). De procedure om een standaard VC op te stellen, is tijdrovend en vereist destructieve

staalname. Dit dient bovendien steeds in labo’s te worden uitgevoerd wat langetermijnopvol-

ging bemoeilijkt. Daarom wordt in deze studie nagegaan of niet-destructieve VC hier een uitweg

kunnen bieden.

MATERIAAL EN METHODE

Hoofdstuk 2

Materialen en Methode

2.1 Experimentele proefopzet

De experimenten werden uitgevoerd op eenjarige druivelaars (Vitis vinifera cv. Chardonnay),

opgekweekt op de faculteit bio-ingenieurswetenschappen in Gent (figuur 2.1). In het najaar werden

ze toegelaten in de buitenlucht te groeien. Op 12 maart 2012 werden ze verhuisd naar een serre,

waar ze vanaf dan permanent verbleven en tweemaal per week van water voorzien werden.

Figuur 2.1: Opstelling van de druivelaars in de serre (links), aluminium zakjes om de transpiratie stop te

zetten (rechts boven) en doorsnede van een tak (rechts onder).

23

24 Hoofdstuk 2. Materialen en Methode

Per experiment werden voor zonsopgang twee taksegmenten verzameld (50-90 cm in lengte en 0.5-

0.9 cm in diameter) op basis van vergelijkbare eigenschappen (lengte, gewicht, bladeren). Deze

werden zo snel mogelijk een tweede keer afgeknipt onder water om luchtintrede in de xyleemvaten

te vermijden. Vervolgens werden ze getransporteerd naar het labo in een vochtige, zwarte plas-

tiekzak. Op die manier werd transpiratie en waterverlies verhinderd (Schultz & Matthews, 1988).

In het labo werden ze gedurende ten minste 1 uur in een donkere ruimte geplaatst om de tak in

evenwicht te laten komen (Cochard et al., 2001).

De proefopstelling bestond uit drie verschillende onderdelen en dus drie aparte taksegmenten (fi-

guur 2.2). De eerste tak werd op een balans bevestigd om het gewichtsverlies bij uitdroging te

kunnen opvolgen. De tweede tak werd in twee stukken geknipt. Van een deel werden de blaadjes

gebruikt om de stamwaterpotentialen op te meten. Het andere deel werd periodiek aan het wa-

terreservoir gekoppeld en hiertoe vastgezet met klemmen. Op deze tak werden additioneel vier

sensoren bevestigd: (i) een cavitatiesensor, (ii) twee LVDT-sensoren (’Linear Variable Displace-

ment Transducer’) en (iii) een temperatuursensor (figuur 2.3).

Figuur 2.2: Schematische weergave van de voorbereiding van de proefopstelling. Tak 1 wordt op een ba-

lans geplaatst om het waterverlies bij toenemende dehydratatie op te meten. Tak 2 wordt in

twee delen verdeeld: blaadjes van deel a worden gebruikt in de drukbom om waterpotentiaal-

metingen uit te voeren. Op het resterende deel b van tak 2 worden 4 sensoren geplaatst: (i)

een cavitatiesensor (zwart cirkeltje), (ii) twee LVDT-sensoren (’Linear Variable Displacement

Transducer’, pijltjes) en (iii) een temperatuursensor (streepje).

De voorbereiding duurde maximaal 1.5 uur en in die tussentijd werden alle takuiteinden in para-

film gewikkeld om waterverlies tegen te gaan (Hietz et al., 2008). De vier geınstalleerde sensoren

verzamelden data en schreven per seconde een gemiddelde waarde weg naar de datalogger (NI

USB-6009, National Instruments,Zaventem, Belgie) (figuur 2.3). Om geleidbaarheidsdata te be-

komen werd de tak gemiddeld om het uur, vijf minuten aan een externe watertoevoer gehangen.

Tegelijkertijd werden het gewicht en de waterpotentialen opgemeten. Om eenzelfde uitdrogings-

profiel te bekomen werden ook de andere twee takken telkens vijf minuten aan water gekoppeld.

Naarmate toenemende dehydratatiestadia doorlopen werden, daalde de hydraulische geleidbaar-

Hoofdstuk 2. Materialen en Methode 25

heid. Praktisch betekende dit dat er minder water doorheen de tak kon stromen onder eenzelfde

drukverschil. Daarom werden de takken naar het einde toe langer aangesloten aan externe water-

toevoer om een meetbare hoeveelheid water te kunnen opvangen (tot 30 minuten). Hiervoor werd

uiteraard gecorrigeerd in de berekening van de hydraulische geleidbaarheid.

Figuur 2.3: Gedetailleerd overzicht van het benchdrying experiment: een druiventak waarop diverse sen-

soren bevestigd zijn (pijltjes) wordt horizontaal vastgeklemd tussen twee statieven. Verder

wordt het microklimaat opgemeten met behulp van een relatieve-vochtigheidssensor en een

temperatuursensor, die rechts gepositioneerd zijn, net buiten het beeld van de foto

Verschillende experimenten werden uitgevoerd in de periode tussen 20 september 2011 (DOY

263) tot 28 mei 2012 (DOY 148). Bepaalde aspecten van de experimentele procedure werden

licht aangepast en geoptimaliseerd bij opeenvolgende experimenten in het kader van praktische

bevindingen. Deze worden weergegeven in tabel 2.1. Relevante verschillen in de procedure tussen

diverse experimenten zullen daarenboven duidelijk aangegeven worden in de betreffende delen van

hoofdstuk 3 en 4.

2.2 Microklimaat

De heersende T en RH bepalen de mate en snelheid waarmee de tak zal uitdrogen. Het zijn

bijgevolg sleutelvariabelen bij het correct interpreteren van de resultaten. Om deze klimatologische

variabelen op te meten werd gebruik gemaakt van:


� een thermokoppel (type PCS Schaevitz 10/94 LBB-312-PA-020)

� een RH-sensor (Rotronic, USA)

De relatieve vochtigheid geeft aan hoeveel waterdamp een luchtmengsel bevat en wordt gedefini-

eerd als de ratio van de werkelijke dampdruk en de verzadigde dampdruk van het luchtmengsel

bij omgevingstemperatuur. Uit de combinatie van T en RH kan het VD bepaald worden (sectie

1.1.2). Het is een maat voor de drogingskracht van lucht en staat rechtstreeks in verband met de

transpiratie. Mathematisch kan het VD worden weergegeven als het verschil tussen de verzadigde

dampdruk (e0v [kPa]) en de werkelijke dampdruk bij omgevingstemperatuur (ev [kPa]):

V D = e0v − ev (2.1)

waarin de verzadigingsdampdruk bepaald wordt door de luchttemperatuur (T [◦C]):

e0v = 0.6108 exp(

17.27 T

T + 237.3) (2.2)

en werkelijke dampdruk een fractie uitmaakt van de verzadigingsdampdruk (Goldstein et al., 1998;

Steppe et al., 2004):

ev = e0v

RH

100(2.3)

Tabel 2.1: Overzicht van de verschillende gehanteerde technieken voor (i) opmeten van de hydraulische

geleidbaarheid en (ii) het opmeten van de waterpotentiaal bij vier opeenvolgende experimen-

ten. De andere variabelen werden op identieke wijze opgevolgd. Alle experimenten werden

uitgevoerd op druivelaars (Vitis vinifera L. cv. Chardonnay).

Naam DOY Gehanteerde techniek

Hydraulische geleidbaarheid Waterpotentiaal

Experiment 1 335-350 (2011) XYL’EM Tak uiteindje



Experiment 4 85-97 (2012) Horizontale gravitatiekolom Blad

Experiment 5 100-107 (2012) Verticale gravitatiekolom Blad

Experiment 6 115-122 (2012) Verticale gravitatiekolom Blad

Experiment 7 136-148 (2012) - -

DOY, dag van het jaar

2.3 Waterpotentiaal

De diversiteit aan fysische of chemische krachten die op het water werken, zorgen ervoor dat de

waterpotentiaal (Ψw [MPa]) ontleed kan worden in vier componenten:

Ψw = Ψg + Ψp + Ψm + Ψπ (2.4)


met Ψg de gravitationele potentiaal, Ψp de hydrostatische potentiaal, Ψm de matrixpotentiaal en

Ψπ de osmotische potentiaal (e.g. Tyree & Zimmermann, 2001). De gravitationele component

houdt rekening met het verschil in hoogte t.o.v. het referentieniveau. Deze component is enkel

significant bij verticale waterkolommen groter dan 1 m en bijgevolg verwaarloosbaar in taksegmen-

ten. De osmotische potentiaal is een maat voor de chemische aantrekking van water door opgeloste

stoffen. De matrixpotentiaal drukt de capillaire krachten uit die gepaard gaan met lucht-water-

menisci. Deze wordt vaak gecombineerd met de hydrostatische potentiaal en voorgesteld als de

drukcomponent van de totale waterpotentiaal (Jones, 1992; Tyree & Zimmermann, 2001; Jury &

Horton, 2004).

2.3.1 Werkingsprincipe van de drukbom

De Scholander-drukbom (PMS Instrument Company, Albany, USA) kwantificeert de drukcom-

ponent van de totale waterpotentiaal op een afgesneden blaadje of taksegment. De osmotische

component is meestal verwaarloosbaar, waardoor men bovendien een indicatie krijgt van de totale

waterpotentiaal (Turner, 1988).

Figuur 2.4: (A) Schematische voorstelling van de Scholander-drukbom om de waterpotentiaal van plan-

tensegmenten op te meten en (B) opstelling van de drukbom met bijhorende gasfles waarmee

de druk kan worden opgebouwd in de drukkamer tot wanneer de waterkolom ter hoogte van

het snijvlak verschijnt.

Water in een intact blad kan zich in twee compartimenten bevinden: in de levende celinhoud

(protoplast, Ψpw) of in celwanden en xyleemvaten (de apoplast, Ψa

w). Wanneer transpirerende

bladeren een evenwichtstoestand hebben bereikt (waterverlies = wateropname), staan beide com-

partimenten op eenzelfde totale waterpotentiaal (Ψpw=Ψa

w), maar de bijdrage van de verschillende

componenten is verschillend (figuur 2.5 A). Het celsap in levende cellen bevat een hoge concentra-

tie opgeloste stoffen en heeft dus een negatieve osmotische potentiaal (Ψpπ). Deze opgeloste stoffen

oefenen een aantrekkingskracht uit op het water en genereren op die manier een turgordruk, die

een positieve drukpotentiaal (Ψpp) genereert. Water in de apoplast bevat een lagere concentratie


opgeloste stoffen waardoor de osmotische potentiaal er veel kleiner is (Ψaπ). De cellulose mi-

crofibrillen ter hoogte van de celwanden genereren echter capillaire krachten die leiden tot een

matrixpotentiaal (Ψam). Daarnaast staan de xyleemvaten onder een zuigspanning ten gevolge van

de vertraagde wateropname door de wortels in vergelijking met het waterverlies. Aangezien het

onmogelijk is om het onderscheid te maken tussen capillaire krachten in celwanden en zuigspan-

ning in xyleemvaten, worden beide termen gesubstitueerd in een totale negatieve drukcomponent

(Ψap). Het samenspel van deze componenten wordt weergegeven in figuur 2.5 A.

Figuur 2.5: Diagram van de verschillende componenten van de waterpotentiaal in (A) een intact blad

en (B) een afgesneden blad in de drukbom. Ψm,Ψp en Ψπ duiden respectievelijk op de

matrixpotentiaal, de drukpotentiaal en de osmotische potentiaal waarbij superscript a voor

de apoplast staat en superscript b voor de protoplast. Pgas is de aangelegde druk in de

drukkamer.

2.3.2 De drukbom in de praktijk

De avond voor de start van het benchdrying experiment werden de intacte blaadjes in aluminium

zakjes verpakt om ervoor te zorgen dat ze in evenwicht kwamen met de stam. Zo boden de

potentiaalmetingen op de bladeren een indicatie van de stamwaterpotentiaal (e.g. Choat et al.,

2010). Wanneer het blad werd afgeknipt, werd het snijvlak blootgesteld aan atmosfeerdruk.

Onder invloed van de heersende negatieve waterpotentiaal in de apoplast trok het xyleemsap

zich weg van het snijvlak, in de omringende cellen. De xyleemvaten werden gevuld met lucht en

de drukcomponent Ψap in de apoplast viel weg (figuur 2.5 B). Het staal werd na afsnijden zo snel


mogelijk omgekeerd in de drukbom geplaatst, zodat het snijvlak doorheen het rubberen luchtdicht

afsluitelement stak (figuur 2.4 B). Op die manier werd de transpiratie stopgezet en verdeelden de

drukgradienten zich in het staal. Vervolgens werd de druk binnenin de kamer opgebouwd door

middel van gecomprimeerd gas. Onder invloed van deze uitwendige druk steeg de drukcomponent

in de protoplast en werd het water terug in de apoplast gedwongen. De waterkolom werd terug

omhoog gedrukt in de xyleemvaten en op het moment dat de meniscus van de waterkolom ter

hoogte van het snijvlak opdook, compenseerde de uitwendige druk de oorspronkelijke zuigkracht in

het xyleem exact in grootte en kon deze laatste dus worden afgelezen op de naald van de drukbom

(figuur 2.5 B) (Turner, 1988; Wei et al., 1999). De stamwaterpotentiaalmetingen werden om het

uur uitgevoerd vanaf de start van het benchdrying experiment tot wanneer de potentiaal een

waarde van 5 MPa overschreed en onbetrouwbaar werd. Aangezien er in de winter geen blaadjes

voorhanden waren, werd het uiteinde van de intacte tak ten minste 12 uur voor het experiment

artificieel afgedicht met silicone (TEC 7, Novatech N.V., Olen, Belgie). Nadat het water in de tak

in evenwicht was gekomen in de donkere ruimte, werd het uiteindje afgeknipt (5 cm) onder water.

Op die manier ontstond een taksegment waarop stamwaterpotentiaalmetingen uitgevoerd konden

worden.

2.4 Hydraulische geleidbaarheid

Voor het opmeten van de hydraulische geleidbaarheid werden twee methoden gehanteerd. In de

experimenten tot en met 26 maart 2012 (DOY 85) werd de XYL’EM gebruikt. Ten gevolge van

technische problemen werd vanaf dan overgeschakeld op de gravitatiekolom. Beide technieken

berusten echter op hetzelfde principe gepostuleerd door Sperry & Tyree (1988) (sectie 1.2.3).

2.4.1 Opmeten van de hydraulische geleidbaarheid: XYL’EM

De hydraulische geleidbaarheid van een taksegment (50 - 90 cm) werd gekwantificeerd aan de hand

van de XYL’EM (Bronkhorst, Clermont-Ferrand-Theix, France). Dit bestaat uit een hogedrukvat

(typisch 150 kPa), een lagedrukvat (typisch 3-10 kPa) en een debietmeter (liquiflow, 0.1-5 g.h−1).

Lage- en hogedrukmetingen werden uitgevoerd met gefilterd (Whatman filter papers, 41) Volvic

water waaraan 10 mM KCl en 1 mM CaCl2 werden toegevoegd (van Ieperen et al., 2000; van Doorn

et al., 2011). Dit werd op voorhand ontgast onder laboratoriumvacuum met een magnetische

roerder gedurende ten minste 2 uur en vervolgens door een membraanfilter gestuurd (Liqui-cel mini

module, Membrana GmbH, Wuppertal, Duitsland) (Espino & Schenk, 2011). Tenslotte passeerde

het water nogmaals twee filters (Nalgene, 0.45 MIC, 25 mm) en werd finaal bij kamertemperatuur

(15-22 ◦C) doorheen de tak gestuurd. Na 1-5 minuten werd het debiet afgelezen wanneer de waarde

min of meer constant bleef (van Doorn et al., 2011). De hydraulische geleidbaarheid werd hieruit

afgeleid aan de hand van formule 1.1.


2.4.2 De XYL’EM in de praktijk

Het basale uiteinde van de tak werd ontdaan van schors- en floeemweefsel en herhaaldelijk her-

sneden onder water. De groene onderdelen van de tak (blaadjes, twijgen,...) werden ingepakt

in aluminiumfolie om versnelde transpiratie tegen te gaan. Vervolgens werd dit uiteinde aan de

hand van plastieken buisjes verbonden aan het XYL’EM lagedrukwaterreservoir. Lagedrukme-

tingen verzekerden dat embolismen niet op een artificiele manier verwijderd werden en gaven dus

de heersende hydraulische geleidbaarheid weer. Hogedrukmetingen (flushen) hadden net tot doel

deze embolismen op te lossen om zo de maximale hydraulische geleidbaarheid te kwantificeren.

Het flushen van lange stalen veroorzaakte echter problemen waarvan de oorsprong nog niet hele-

maal duidelijk is (o.a. verstoppen van de vaten, zwelling van de pitporien). Hierdoor ontstond er

een plotse afname in de geleidbaarheid na het flushen en waren deze resultaten onbetrouwbaar.

De hogedrukmetingen werden bijgevolg niet gebruikt om de maximale hydraulische geleidbaar-

heid te bepalen. Er werd echter aangenomen dat de initiele Kh-waarde, de maximale hydrauli-

sche geleidbaarheid voorstelde, aangezien (i) de tak voor zonsopgang is afgeknipt onder water en

nadien niet meer toegelaten werd om te transpireren en (ii) omdat de plant voldoende werd be-

waterd. Tussen twee metingen door werd het takje toegelaten uit te drogen in de omgevingslucht

(benchdrying), zodat een brede range aan waterpotentialen bereikt werd. Dit zorgde ervoor dat

de embolisatiegraad en de hydraulische geleidbaarheid systematisch respectievelijk toe- en afna-

men. De gemeten hydraulische geleidbaarheid in dergelijke stadia werd dan uitgedrukt als een

percentage van de initiele maximale waarde (formule 1.3). Tenslotte werd de verkregen waarde

nog gecorrigeerd voor veranderingen in viscositeit ten gevolge van temperatuurschommelingen

(K20 = KT 3.49399.3252+√

54.2176−TT+32.7425 )(Cochard, 2008).

De metingen werden uitgevoerd op takken met een lengte die de maximale vatlengte overschreed

(50 - 90 cm). Wanneer dit niet het geval is, riskeert men dat vaten aan beide kanten opengesne-

den worden. Op die manier fungeert de tak als open buis, waar het water rechtstreeks doorheen

kan stromen, onafhankelijk van de aanwezigheid van gecaviteerde vaten en wordt de hydraulische

geleidbaarheid overschat. Deze maximale vatlengte werd opgemeten door luchtinjectie in een on-

dergedompelde tak. De tak werd stelselmatig korter afgeknipt tot wanneer een continue stroom

luchtbelletjes tevoorschijn kwam. De maximale vatlengte werd dan gedefinieerd als de lengte van

de overblijvende tak (e.g. Skene & Balodis, 1968; Sperry et al., 1987). Resultaten varieerden tus-

sen 41 en 67 cm in overeenstemming met bevindingen van Choat et al. (2010) waarin de lengte

varieerde tussen 50 - 90 cm. Andere auteurs melden waarden die varieren tussen 11.6 cm (Jacob-

sen & Pratt, 2012) en 12.8 cm (Wheeler et al., 2005). Aangezien deze nog kleiner zijn dan onze

waarden, is de gehanteerde taklengte een conservatieve waarde en bijgevolg een goede aanname.

Gezien problemen werden ondervonden bij zowel hoge- als lagedrukmetingen werd de XYL’EM

aan een aantal technische testen onderworpen. Hierin werd vastgesteld dat (i) de debietmeter een

dalende stroming registreerde, ondanks een constante weerstand en drukverschil en (ii) dat de

debietmeter een stroming aangaf die in grootte niet overeenkwam met de werkelijke waterstroom.


Omdat vermoed werd dat deze problemen deels aardden in verstopping van de buisjes door algen

en particulair materiaal, werden de buisjes uit het toestel geautoclaveerd en onderworpen aan een

javelbehandeling. Bij verder gebruik werd het zeer omzichtig gehanteerd om nieuwe onzuiverhe-

den zoveel mogelijk te voorkomen. De testresultaten bleken echter nog niet consistent, waardoor

besloten werd over te schakelen op een tweede techniek om de hydraulische geleidbaarheid op te

meten.

2.4.3 Opmeten van de hydraulische geleidbaarheid: gravitatiekolom

Het principe van de gravitatiekolom berust, net zoals de XYL’EM, op het induceren van een

waterstroming doorheen de tak, die in dit geval wordt opgewekt met behulp van een constante

gravitaire drukhoogte (figuur 2.6). Een reservoir met gedestilleerd water werd op 1.5 m boven de

tak geplaatst en verbonden via een waterkolom op de tak. Aan de hand van een overloopme-

chanisme en een constante druppelsgewijze watertoevoer werd een constante drukhoogte van 1 m

opgebouwd (9.79 kPa). Per meting werd het gedestilleerd water gedurende een bepaald tijdsinter-

val opgevangen onderaan de tak en afgewogen op een nauwkeurige balans (Radwag, 0.01g). Uit

de gewichtstoename per tijdsinterval kon het massadebiet doorheen de tak berekend worden en in

combinatie met de drukhoogte werd finaal de hydraulische geleidbaarheid bekomen (formule 1.1).

2.5 Diametervariaties

Stamdiametervariaties worden opgenomen met behulp van een ’Linear Variable Displacement

Transducer’ (LVDT) sensor. Dit is een elektrische transducer waarmee een mechanische verplaat-

sing vertaald wordt in een elektrisch signaal [Volt] dat naar een datalogger wordt gestuurd. Het

gemeten voltage kan dan aan de hand van kalibratie terug omgerekend worden tot een fysische

diametervariatie in millimeter.

2.5.1 Werkingsprincipe van de LVDT-sensor

Een LVDT-sensor bestaat uit een staaf die tegen de tak wordt geplaatst aan een zijde en vrij kan

bewegen naar de andere kant. Op het einde van deze staaf hangt een beweegbare ferromagne-

tische, cilindervormige kern. Rond deze kern zijn drie spoelen bevestigd: een primaire spoel en

twee secundaire spoelen (figuur 2.7 A). Het geheel wordt op zijn plaats gehouden door middel van

een op maat gemaakte houder die aan de stam wordt bevestigd met elastiekjes. Een veer zorgt

voor nauw contact zodat de staaf de stamdiametervariaties mooi kan opvolgen.

Er wordt een wisselstroom aangelegd over de primaire spoel die een voltage in beide secundaire

spoelen induceert. Deze laatste zijn serieel verbonden, maar in omgekeerde volgorde, waardoor

hun voltages een tegengestelde polariteit bezitten. Het outputsignaal van de LVDT-sensor is het


Figuur 2.6: (A)Opstelling van de gravitatiekolom waarin de tak in verticale positie aan (B) het waterre-

servoir gekoppeld wordt met behulp van (C) een druppelmechanisme. De pijltjes duiden op

(a) de aansluiting van de waterkolom aan de tak , (b) de overloopbuis voor overtollig water,

(c) het schaaltje om het water op te vangen, (d) het waterreservoir op 1 m drukhoogte, (e)

de wateroverloop (f) en het druppelmechanisme.

verschil tussen deze secundaire voltages. Wanneer de kern beweegt, varieren de geınduceerde vol-

tages in de secundaire spoelen en dus ook het spanningsverschil. Wanneer de kern zich in het

centrum bevindt, dus symmetrisch t.o.v. beide spoelen, wordt in deze secundaire spoelen een

spanning geınduceerd, gelijk in grootte en tegengesteld in teken (figuur 2.7 A). Het spannings-

verschil is bijgevolg gelijk aan nul (figuur 2.7 B). Wanneer de stam vervolgens uitzet of inkrimpt,

beweegt de magnetische kern in de richting van een van de twee spoelen. Het spanningsverschil

stijgt van nul tot een maximale waarde (binnen het bereik van de sensor). Een positie van de

kern volledig rechts of links komt overeen met de respectievelijke positie 100% (+) en 100% (-)

(figuur 2.7 B). De grootte van dit spanningsverschil is proportioneel met de afstand afgelegd door

de kern: hoe verder de kern zich verplaatst, hoe groter het outputsignaal. De term ’linear’ verwijst

naar dit fenomeen. De fase van het outputvoltage wordt bepaald door de richting waarin de kern

beweegt. Op deze manier biedt de LVDT-sensor een rechtstreekse maat voor de kwantificatie van

diametervariaties.


Figuur 2.7: Vereenvoudigde weergave van het werkingsprincipe van de LVDT-sensor (aangepast uit

Steppe et al., 2004). (A) De LVDT-sensor bestaat uit een ferromagnetische kern, omringd

door drie spoelen waarover een wisselspanning wordt gezet. (B) Bij uitzetten of inkrimpen

van de stam beweegt de kern waardoor een spanningsverschil ontstaat. Verschillende posities

van de kern resulteren in een verschillend spanningsverschil.

2.5.2 De LVDT-sensor in de praktijk

Per tak werden twee LVDT-sensoren bevestigd, waarvan een op de schors en een rechtstreeks op

het xyleem. Ter hoogte van de sensor op het xyleem werden de schors, het floeem en het cambium

zorgvuldig weggesneden zodat de effecten van deze levende weefsels geelimineerd werden. Vanaf

DOY 85 werd het xyleem onder de sensor ingewreven met vaseline zodat er geen lokaal versnelde

uitdroging plaatsgreep.

2.6 Cavitatie

2.6.1 Opmeten van cavitatie: ultrasone akoestische emissies

Caviterende vaten stoten ultrasone akoestische emissies (UAE [dB]) uit die te detecteren zijn

met een cavitatiesensor (Milburn & Johnson, 1966; Tyree et al., 1984). Deze bestaat uit een

’AE-signal conditioner with peak detector’ (ASCO-P, Vallen Systeme GmbH, Duitsland) en een

piezo-elektrische sensor (VS150-M, Vallen Systeme, GmbH, Duitsland). De sensor meet signalen

op binnen een frequentierange van 90 - 295 kHz. Deze range is in overeenstemming met de hui-

dige literatuur, waar gesteld wordt dat de hoogste amplitude van de cavitatiesignalen een sterke

frequentiecomponent heeft in de range van 100 - 300 kHz (e.g. Tyree & Sperry, 1989).


2.6.2 Werkingsprincipe van de cavitatiesensor

De ruwe signalen die de piezo-elektrische sensor opving, werden versterkt en ongewenste frequen-

ties werden weggefilterd. Het resterende signaal werd omgezet naar een logaritmische vorm en

werden door een ’peak stretcher’ gestuurd. Deze hield de piekwaarden bij en verlengde ze over 50

milliseconden (’APK’,’Acoustic Emission Peak Amplitude’). Dit APK-signaal geeft de piekampli-

tude weer over een vooropgesteld tijdsinterval en wordt uitgedrukt in Volt. Het is in staat snelle,

momentane signalen op te vangen zoals deze geproduceerd door caviterende vaten. Per seconde

werd op die manier een gemiddelde van 1000 APK-signalen bijgehouden. Om de signalen in dB

om te rekenen werd gebruik gemaakt van volgende formule:

dBAE =VAE 100

4(2.5)

met dBAE het UAE-signaal uitgedrukt in dB en VAE het UAE-signaal uitgedrukt in Volt.

2.6.3 Cavitatiesensor in de praktijk

Omdat de cavitatiesensor gevoelig is aan drukverschillen, werd deze op het volledig verzadigde

houtstaal geplaatst met behulp van een klemmechanisme zoals voorgeschreven in Rosner et al.

(2006) (figuur 2.8). Met behulp van veren en een draaischroef werd op die manier een constante

druk bekomen op de piezo-elektrische sensor en werden de signalen niet beınvloed door een ver-

minderde druk naarmate de tak inkromp. Daarnaast werd een dunne laag vaseline aangebracht

tussen de sensor en de tak om het akoestische contact te verbeteren. Het geheel werd tenslotte

afgeschermd van achtergrondlawaai met behulp van mastiek.

2.6.4 Gevoeligheid van de cavitatiesensor

Gezien diverse processen in de plant geluid kunnen veroorzaken, diende onderscheid gemaakt te

worden tussen caviterende vaten en achtergrondruis. Hiertoe werd een minimale signaalintensiteit

vooropgesteld. Het cumulatieve aantal UAE met een intensiteit groter dan deze cavitatiethreshold,

biedt een indicatie van de mate van cavitatie in de plant. In de literatuur worden varierende

waarden gebruikt tussen 25 en 35 dB (Zeugin, 2004; Jia et al., 2006; Mayr & Rosner, 2011). In

deze thesis werd de grenswaarde experimenteel vastgesteld door de sensor vrij in de lucht te hangen

zodat geen verstoring optrad. De intensiteit van de omgevingsruis schommelde tussen 27 en 32 dB.

De detectiethreshold werd gelijkgesteld aan de ondergrens plus 8 dB (Rosner et al., 2006). Zo werd

een waarde van 35 dB bekomen waarmee gediscrimineerd kon worden tussen achtergrondsignalen

en signalen die voortkwamen uit caviterende vaten.

Tot slot diende ook de verspreiding van de signalen doorheen het hout getest te worden, aangezien

die beınvloed wordt door eigenschappen als waterinhoud en orientatie van de houtvezels. Dit werd

onderzocht door middel van een potloodtest (e.g. Jackson & Grace, 1996). Hierin werd de sensor

op een houten tak bevestigd. Vervolgens werd de stift van een vulpotlood op toenemende afstand


Figuur 2.8: Detail van de cavitatiesensor, geınstalleerd op een tak met behulp van mastiek, vaseline en

een klemmechanisme om constante druk uit te oefenen.

van de sensor geplaatst onder een hoek van ongeveer 30° en met zachte druk afgebroken op het

hout. Dit veroorzaakte een kunstmatig UAE-signaal dat door de sensor gedetecteerd kon worden.

Naarmate de afstand vergrootte, nam de intensiteit van het signaal af tot op het moment dat dit

niet meer te onderscheiden viel van de achtergrondruis (Mayr & Rosner, 2011).

RESULTATEN

Hoofdstuk 3

Resultaten

In de volgende secties wordt eerst de algemene dynamiek besproken van het cavitatie- en diame-

terpatroon opgemeten tijdens het ’benchdrying’ experiment. De parameters worden geanalyseerd

in het licht van de heersende omgevingsfactoren en de algemene trend wordt besproken (sectie

3.1 - 3.3). Vervolgens wordt vanuit de destructieve VC de brug geslagen tussen ultrasone cavita-

tiesignalen en xyleemfluctuaties om tot een niet-destructieve VC te komen (sectie 3.4 - 3.5). Er

wordt gewerkt met data uit zes verschillende experimenten, die analoog verliepen tenzij anders

vermeld. Daarom zullen de resultaten als een geheel besproken worden.

3.1 Microklimaat

Het verloop van de ecofysiologische parameters wordt in belangrijke mate gecontroleerd door het

microklimaat. Daarom is het van cruciaal belang om een aantal microklimatologische variabelen

op te meten. In figuur 3.1 A en C wordt de T [◦C] van de tak (grijs) en de omgeving (zwart)

afgebeeld voor twee verschillende experimenten. In figuur 3.1 B en D worden de RH ([%], grijs,

rechter y-as) en het VD ([kPa], zwart, linker y-as) weergegeven.

De T en VD-data uit experiment 3 (figuur 3.1 C en D) lagen doorheen het gehele experiment

ongeveer 20% hoger dan deze uit experiment 2 (figuur 3.1 A en B). De T schommelde op dagelijkse

basis met maxima gedurende de dag en waarden van de tak die enigszins hoger lagen dan de

omgeving. Het VD vertoonde een verloop analoog aan de T met pieken overdag en dalen gedurende

de avond en nacht. Het VD staat in nauwe relatie tot de transpiratie waarbij een hoge VD waarde

(dus een lage RH) een sterke drijvende kracht betekent (e.g. Leonardi et al., 2000; Steppe et al.,

2004). Op die manier beınvloedt het VD de waterrelaties in de plant met sterke implicaties

voor het verloop van de waterpotentiaal, het diameter- en cavitatiepatroon en de hydraulische

geleidbaarheid. Het VD is dan ook een sleutelvariabele in deze analyse.

39

40 Hoofdstuk 3. Resultaten

Figuur 3.1: De microklimatologische factoren gedurende experiment 2 (links) en experiment 3 (rechts)

met (A) en (C) de temperatuur (T) van de tak (grijs) en van de omgeving (zwart) en met

(B) en (D) het verzadigingsdeficiet (VD, zwart, linker y-as) en de relatieve vochtigheid (RH,

grijs, rechter y-as). (DOY: dag van het jaar)

3.2 Gevoeligheid van de cavitatiesensor

Ultrasone akoestische emissies (UAE) die gepaard gaan met caviterende vaten werden opgemeten

met een cavitatiesensor. Om de signaalvoortplanting doorheen het hout uit te testen werd een

sensitiviteitsproef opgesteld. De signaalsterkte van kunstmatig gegenereerde UAE-signalen op ver-

schillende afstanden van de sensor wordt weergegeven in figuur 3.2. De intensiteit nam geleidelijk

af van 80 dB tot 45 dB over een afstand van 30 cm, met een afname van ongeveer 1.16 dB per cm.

Vanaf dan schommelde het signaal rond 45 dB. Hieruit kan geconcludeerd worden dat de sensor

cavitatie kan detecteren tot op een afstand van 30 cm. Deze resultaten zijn in overeenstemming

met de bevindingen van Zeugin (2004) en Zweifel & Zeugin (2008). Aangezien de taksegmenten

waarmee gewerkt werd 50-90 cm lang waren, werd de cavitatiesensor zo centraal mogelijk geplaatst

om cavitatie in een zo groot mogelijk aandeel van de tak te kunnen detecteren.

Hoofdstuk 3. Resultaten 41

Figuur 3.2: Test voor de reikwijdte van de cavitatiesensor. De signaalsterkte wordt gemeten in functie

van de afstand.

Daarnaast werd de sensitiviteit van de cavitatiesensor getest. Figuur 3.3 A toont het opgemeten

patroon van UAE-signalen wanneer de sensor vrij in de lucht gehangen werd om achtergrondruis op

te meten. De intensiteit van het signaal schommelde tussen 27 en 32 dB. In figuur 3.3 B worden

de signalen weergegeven tijdens de uitdroging van een druiventak uit experiment 2. Eenzelfde

continue band van signalen kan worden opgemerkt. Daarboven kwam een discontinu patroon

voor van sterkere signalen, zoals ter hoogte van de drie zones met hoge pieken. Hieruit kan

geconcludeerd worden dat de continue signalen voortgebracht worden door achtergrondruis, terwijl

de pieken voortgebracht worden door processen in de plant. Het gebruik van een cavitatiethreshold

van 35 dB is dan ook gerechtvaardigd en is in overeenstemming met de traditionele procedure

(Rosner et al., 2006).

3.3 Benchdrying experimenten

3.3.1 Algemeen verloop

Figuren 3.4 A en C tonen het aantal cavitatiesignalen (linker y-as) en het cumulatieve verloop

van het cavitatiepatroon (rechter y-as) van Vitis vinifera L. cv. Chardonnay doorheen twee

uitdrogings-experimenten. Hierbij werd het aantal UAE-signalen (’ultrasonic acoustic emissions’)

per minuut met een intensiteit groter dan de cavitatiethreshold (35 dB) weergegeven per 5 minuten.

In figuren 3.4 B en D wordt de diameterinkrimping ten opzichte van de begindiameter van zowel

schors (grijs) als xyleem (zwart) afgebeeld. De sensor ter hoogte van de schors meet de dynamiek

van zowel het xyleem als de schors aangezien de schors zich bovenop het xyleemweefsel bevindt.


Figuur 3.3: Opgemeten UAE-signaal (’ultrasonic acoustic emissions’) van (A) een sensor die vrij in de

lucht hangt en (B) een sensor die op een uitdrogende tak is geınstalleerd gedurende experi-

ment 2. De continue band van signalen die rond 30 dB schommelt, kan als achtergrondruis

beschouwd worden (DOY: dag van het jaar).

Figuur 3.4: (A) en (C) Het aantal (linker y-as) en het cumulatieve aantal (rechter y-as) UAE-signalen

(’ultrasonic acoustic emissions’) per minuut met een intensiteit groter dan de cavitatiethres-

hold (35 dB) weergegeven per 5 minuten. (B) en (D) Inkrimping (∆D) ter hoogte van het

xyleem (zwart) en de schors (grijs) ten opzichte van de begindiameter met een detail van

DOY 79.4 - DOY 80. De grijze boxen geven de periodes aan waarbinnen de tak aangesloten

werd aan water om hydraulische geleidbaarheidsmetingen uit te voeren. In figuur D wordt

het diameterverloop onderverdeeld in vier periodes waarbinnen een verschillende dynamiek

heerst. De waarden uit experiment 2 worden in figuren A en B weergegeven terwijl deze uit

experiment 3 worden afgebeeld in figuren C en D. (DOY: dag van het jaar)


3.3.2 Cavitatiedynamiek

De cavitatiedynamiek in de twee experimenten verschilt in termen van patroon en grootteorde.

Daar waar cavitatie bij experiment 2 in twee goed te onderscheiden periodes optrad (figuur 3.4 A),

kwam cavitatie continu voor tijdens experiment 3 (figuur 3.4 C). Hier namen de signalen in een

eerste fase snel toe tot wanneer een maximale hoeveelheid van 8 signalen per minuut bereikt werd.

Dit hoge aantal hield 3 dagen aan en nam in een tweede fase geleidelijk af naar een uitgesproken

lagere waarde van ongeveer 2 signalen per minuut.

Daarnaast was de hoeveelheid cavitatiesignalen geproduceerd in experiment 3 aanzienlijk groter

dan deze in experiment 2. Daar waar zich in totaal 21 268 signalen voordeden in experiment

3, traden er slechts 1 993 op in experiment 2, wat een aandeel uitmaakt van 9%. De duur van

experiment 2 bedroeg maar 80% van die van experiment 3, maar zelfs na correctie voor deze ver-

schillende termijn bleef de cavitatieintensiteit beduidend lager in experiment 2 (9.6%). Tenslotte

manifesteerde cavitatie zich sneller in experiment 3 (na 4.5 h in vergelijking met 18 h in experiment

2). Tijdens de beginfase van de uitdroging (in experiment 2 tot DOY 17.2 en in experiment 3 tot

DOY 79.6) waren de cavitatiesignalen gering. Uit analyse van de data werd een nauwe overeen-

komst ontdekt tussen het tijdstip van aan- en afkoppeling van de watertoevoer en het voorkomen

van deze kleine hoeveelheid UAE-signalen. Het genereren van een waterstroom doorheen de tak

zorgde namelijk voor een lichte verstoring van de opstelling, waardoor dergelijke schokken wellicht

als cavitatiesignalen opgevangen werden door de cavitatiesensor. Daarom worden de weinige sig-

nalen die toch voorkwamen tijdens de beginfase als een artefact van de experimentele procedure

beschouwd en werd er aangenomen dat er weinig of geen cavitaties zijn opgetreden.

3.3.3 Diameterverloop in relatie tot cavitatie tijdens beperkte uitdroging

Het verloop in figuur 3.4 B en D vertoont een algemeen dalend verloop met een aantal duidelijk

stijgende periodes (e.g. DOY 17.4 in figuur 3.4 B). Deze dynamiek was ook aanwezig in het begin

van het experiment 3 (zoals weergegeven door het detail) en in experiment 5 (figuur 3.5). Deze

uitzettingen waren het gevolg van een geınduceerde waterstroming doorheen de tak door middel

van de XYL’EM. De tijdstippen waarop dergelijke stroming werd aangelegd, worden per dag omvat

door een grijze rechthoek. Zoals blijkt uit figuren 3.4 D en 3.5 resulteerde watercontact niet langer

in een diameteruitzetting wanneer een inkrimping van meer dan 0.15 mm had plaatsgevonden

(e.g. grijze rechthoek ter hoogte van DOY 80.4). Daarnaast verschilde de onderlinge respons van

schors- en xyleemweefsel tussen verschillende experimenten. Daar waar de diameteruitzetting zich

het sterkst manifesteerde ter hoogte van het xyleemweefsel in experiment 2 en 3 (figuur 3.4 B en D)

was het omgekeerde waar te nemen in experiment 5 (figuur 3.5). Hierop wordt dieper ingegaan in

sectie 3.3.4. Verschillen tussen xyleem- en schorsweefsel worden hier tijdelijk buiten beschouwing

gelaten en er wordt gefocust op de xyleemdiameter gezien deze, overeenkomstig de huidige kennis,

duidelijk in relatie staat tot de waterpotentiaal en dus tot het cavitatiepatroon (Irvine & Grace,

1997; Offenthaler et al., 2001; Peramaki et al., 2001; Holtta et al., 2005).


Figuur 3.5: Diameterverloop (∆D) van experiment 5 waarin de inkrimping ter hoogte van het xyleemweef-

sel (zwart) en het schorsweefsel (grijs) weergegeven wordt. De grijze boxen geven de periodes

aan waarbinnen de tak aangesloten werd aan water om hydraulische geleidbaarheidsmetingen

uit te voeren. (DOY: dag van het jaar)

In figuur 3.6 A wordt het cumulatief aantal cavitatiesignalen (grijs) afgebeeld tegenover schom-

melingen van de xyleemdiameter (zwart) doorheen experiment 2. Hierop is duidelijk te zien dat

cavitatie enkel plaatsgreep indien de diameterinkrimping het voorgaande minimaal bereikte ni-

veau overschreed, zoals weergegeven door twee stippellijnen ter hoogte van DOY 18. Zo kwamen

cavitatiepieken steeds overeen met dalen in de minimaal bereikte xyleemdiameter. Initiele inkrim-

ping resulteerde echter niet onmiddellijk in cavitatiesignalen; deze deden zich pas voor wanneer

de diameter sterker inkromp dan 0.08 mm (ter hoogte van DOY 17.2).

De meerderheid van de cavitatiewaarnemingen deed zich voor tijdens afnemende diameter. Dit

wordt duidelijk in figuur 3.6 B waarin een spreidingsgrafiek het aantal cavitatiesignalen afbeeldt

tegenover de xyleemdiameter. Hierin werd gedifferentieerd tussen signalen opgemeten tijdens pe-

riodes van inkrimping (zwarte stippen) en uitzetting (witte stippen). De algemene trend toont aan

dat diameters steeds klein waren wanneer een grote hoeveelheid cavitatiesignalen werd opgeme-

ten. Het omgekeerde is echter niet steeds geldig: kleine diameters werden niet altijd geassocieerd

met veel cavitatie. De xyleemdiameter kromp in gedurende 51% van de tijd. Hierbinnen deden

zich 90% van de cavitatiesignalen voor. De overige 10% van de cavitatie greep plaats wanneer de

diameter niet verder inkromp.


Figuur 3.6: (A) Inkrimping van het xyleemweefsel (∆D, links) in combinatie met het cumulatief aan-

tal cavitatiesignalen (rechts) doorheen experiment 2. Vanaf een inkrimping van 0.08 mm

greep cavitatie enkel plaats wanneer de diameter het voorgaande minimaal bereikte niveau

overschreed zoals aangegeven door de pijltjes. (B) Aantal cavitatiesignalen versus de xyleem-

diameter waarin gedifferentieerd werd tussen inkrimpend (zwarte stippen) en niet-inkrimpend

xyleemweefsel (witte stippen).


3.3.4 Diameterverloop in relatie tot cavitatie tijdens sterke uitdroging

Wanneer de diameter doorheen een lange, intense uitdrogingsperiode beschouwd werd, kon het

verloop in vier periodes onderverdeeld worden, zoals weergegeven in figuur 3.4 D. Binnen elke

periode dreven andere mechanismen de inkrimping, mechanismen die telkens op een andere manier

aan de waterrelaties gekoppeld konden worden.

Tijdens de eerste periode trad nog geen cavitatie op. Zowel schors- als xyleemweefsel fluctueerden

met de periodiek aangelegde waterstroming zoals ook waar te nemen in experiment 2 en 5 ( figuur

3.4 B en 3.5). Het xyleem vertoonde echter een sterkere uitzettingsdynamiek in vergelijking met

de schors in experiment 2 en 3. Dit is in strijd met de huidige literatuur waar gesteld wordt

dat het xyleemweefsel meer rigide is en dus minder varieert in diameter (Schultz & Matthews,

1988; Irvine & Grace, 1997; van Ieperen et al., 2000; Steppe, 2004). In de hypothese dat het

blootgestelde xyleemweefsel ter hoogte van de LVDT-sensor artificieel sneller zou uitdrogen, werd

vanaf experiment 4 vaseline aangebracht om deze versnelde uitdroging tegen te gaan (Alsina

et al., 2007). Vanaf dan waren de resultaten conform de verwachtingen, waarbij uitzettingen

in het schorsweefsel zich sterker manifesteerden, zoals te zien ter hoogte van de grijze boxen

(DOY 100 en DOY 101) in experiment 5 (figuur 3.5). Ondanks de beperkte afmetingen van

het blootgestelde xyleemoppervlak, werd dus proefondervindelijk vastgesteld dat voldoende zorg

moet besteed worden aan het tegengaan van versnelde dehydratatie. Het diameterverloop tijdens

de eerste periode wordt daarom verder geanalyseerd met behulp van figuur 3.5. Watercontact

doorheen de eerste dag van de uitdroging resulteerde niet in een toename van de xyleemdiameter.

Na dehydratatie doorheen de nacht bewerkstelligde het water echter wel een sterke uitzetting van

het xyleem. Tijdens de tweede dag van de uitdroging (DOY 101) waren een paar uur tussen

twee metingen reeds voldoende om in een zichtbare uitzetting te resulteren (DOY 101.7). De

schorsdiameter zette reeds vanaf het begin van de uitdroging uit telkens wanneer water werd

toevoerd. De schorsschommelingen worden afgebeeld bovenop de variaties in xyleemdiameter

doordat het schorsweefsel bovenop xyleemweefsel ligt.

Vanaf periode 2, dus wanneer de diameter kromp onder 0.1 mm in experiment 3 (figuur 3.4 D)

trad cavitatie op. Naar analogie met Cochard et al. (2001) kan de cavitatiethreshold uitgedrukt

worden als een mate van inkrimping. Uit de resultaten van experimenten 1 tot 7 volgt dat de

druivelaars caviteerden vanaf een inkrimping van 0.1 tot 0.2 mm.

Aan het begin van periode 3 vielen xyleem- en schorsdiameter samen op een waarde van -0.2 mm

en vertoonden vanaf dan een parallel verloop (periode 3 van figuur 3.4 D en figuur 3.5). De

inkrimping verliep aan een trager tempo in vergelijking met de voorgaande periodes. Bovendien

resulteerde het aanleggen van een waterstroming doorheen de tak hier niet meer in een toename

van de diameter (e.g. grijze rechthoek ter hoogte van DOY 80.4 in figuur 3.4 D). Analyse van

de andere experimenten wees uit dat vanaf een inkrimping van 0.15 - 0.2 mm, in geen van beide


weefsels nog een uitzetting kon geınduceerd worden.

In periode 4 vertoonden beide weefsels een divergerend patroon na een inkrimping van 0.4 mm.

Daar waar de schorsdiameter eenzelfde trend vertoonde als tijdens periode 3, kromp de xyleem-

diameter vanaf periode 4 veel sterker in. Alle experimenten waar de uitdroging voldoende lang

aanhield, vertoonden eenzelfde divergerende trend.

3.3.5 Diameterverloop in relatie tot waterverlies tijdens sterke uitdroging

Om het diameterverloop te kaderen binnen de waterbalans van de tak en de achterliggende me-

chanismen te onderzoeken, werd een desorptiecurve opgesteld. Hiervoor werd de tak toegelaten

natuurlijk uit te drogen zonder externe watertoevoer. Door de tak als een cilinder te beschouwen

van gekende lengte, konden op basis van diametermetingen de corresponderende volumeverande-

ringen berekend worden. Ondertussen werd het gewicht van de tak continu opgemeten.

Figuur 3.7 beeldt de volumeverandering van het xyleem af op de linker y-as (zwart) en het ge-

wichtsverlies op de rechter y-as (grijs) doorheen uitdrogingsexperiment 6. De volumeverandering

van de schors werd niet weergegeven aangezien deze bij het afknippen reeds verdroogd was en los-

gekomen was van het xyleem. Daarenboven maakt het schorsvolume in jonge druivelaars slechts

een klein volumeaandeel uit (in dit geval 2.3%), waardoor het verantwoord is de schorsdiameter

buiten beschouwing te laten.

Figuur 3.7: Volumeverandering (∆V) op de linker y-as (zwart) en gewichtsafname (∆W) op de rechter

y-as (grijs) doorheen experiment 6. Technische problemen liggen aan de basis van het on-

derbroken patroon. Het verloop van beide parameters wordt onderverdeeld in 4 periodes

waarbinnen een verschillende dynamiek heerst.


Analoog aan figuur 3.4 D kunnen ook hier dezelfde 4 periodes onderscheiden worden. Gedurende

periode 1 onderging de tak geen tot een heel beperkte hoeveelheid cavitatie (resultaten niet weer-

gegeven). De volumeverandering en de gewichtsverandering waren proportioneel (∆W/∆V=1) en

namen snel af. Vanaf periode 2 was de relatie tussen beide parameters niet meer lineair (∆W/∆V=

1.9) als gevolg van een zwakkere volumeafname. Dit betekent dat de hoeveelheid verdampt water

niet meer uitgedrukt kon worden als een volumeverandering. Ondertussen bereikte de cavitatie

een gemiddelde waarde van 2.5 signalen per minuut (resultaten niet weergegeven). Doorheen pe-

riode 3 onderging het xyleem weinig extra inkrimping. Het waterverlies bleef echter toenemen

waardoor proportioneel veel meer water verloren ging per volumetrische inkrimping (∆W/∆V =

7).

Tenslotte stegen de cavitatiesignalen tot een maximale hoeveelheid van 5 signalen per minuut,

een niveau dat werd aangehouden tot aan het begin van periode 4. In deze laatste periode nam

het xyleemvolume terug sterker toe en bereikte finaal eenzelfde snelheid van afname als het wa-

terverlies (∆W/∆V=1.2). Op dat moment waren ook de cavitatiesignalen afgenomen tot een

gemiddelde waarde van 1 signaal per minuut. In experiment 7 werd een analoog patroon opgeme-

ten (resultaten niet weergegeven).

3.4 Destructieve vulnerability curve

Toenemende zuigspanning in het xyleem veroorzaakt cavitatie. Dergelijke luchtgevulde vaten ver-

oorzaken een obstructie in het xyleemweefsel met een daling van de hydraulische geleidbaarheid

tot gevolg. Deze relatie wordt standaard weergegeven in een VC waarin de afname in hydraulische

geleidbaarheid (toenemende PLC [%]) uitgezet wordt in functie van de variatie in de waterpoten-

tiaal [MPa]. In figuur 3.8 worden de resultaten uit experimenten 1, 2, 3, 5 en 6 weergegeven.

De eerste drie experimenten werden uitgevoerd aan de hand van de XYL’EM methode, terwijl

experimenten 5 en 6 gegenereerd werden aan de hand van de gravitatiekolom. De VC uit expe-

riment 1, 2 en 3 vertonen een analoge trend en kunnen elk gefit worden aan een Chapman curve

(R2 respectievelijk 0.97, 0.96 en 0.99). Het gemiddelde van deze curves wordt voorgesteld door

de zwarte lijn waarbij de grijze zone de standaardafwijking voorstelt. De bijhorende P50-waarde

bedraagt -1.99 MPa. Experimenten 5 en 6 vertonen weinig gelijkenis met de voorgaande experi-

menten zowel wat betreft grootte-orde als wat betreft vorm.


Figuur 3.8: Destructieve vulnerability curve gegenereerd met behulp van de XYL’EM in experiment 1

(zwarte stippen), 2 (zwarte driehoeken) en 3 (zwarte vierkanten) en met behulp van de gra-

vitatiemethode in experiment 5 (witte stippen) en 6 (witte driehoeken). De gemiddelde

Chapman curve van experiment 1, 2 en 3 wordt weergegeven als een zwarte lijn, waarbij de

omringende grijze band de standaardafwijking voorstelt. Initieel correspondeert een daling

in de waterpotentiaal steeds met een stijging in PLC (percentage loss of conductivity). De

trend verschilt echter tussen experiment 5 en 6 in vergelijking met experimenten 1, 2 en 3.

3.5 Niet-destructieve vulnerability curve

Naar analogie met Holtta et al. (2005) kan een niet-destructieve VC worden opgesteld. Hierin

wordt de relatie tussen het cavitatiepatroon en de diameterfluctuaties uitgezet. Op die manier

wordt een niet-invasieve indicatie geboden voor de cavitatiegevoeligheid van de plant. Dergelijke

curve werd opgesteld voor experimenten 1, 3, 4, 6 en 7 in figuur 3.9 A. Deze figuur beschouwt het

voorkomen van cavitatie in functie van de minimale voorkomende diameter van het xyleemweef-

sel. Dit betekent dat beweging naar links op de x-as enkel tot stand komt wanneer de diameter

afneemt tot onder de laagst voorgekomen waarde sinds het begin van de uitdroging. Dergelijke

xyleeminkrimping komt tot stand onder toenemende uitdroging als gevolg van toenemende zuig-


spanning (Irvine & Grace, 1997). Op die manier kan het verloop van de minimaal voorkomende

diameter geınterpreteerd worden als de zuigspanning, die toeneemt naarmate de xyleemdiameter

verder afneemt. In tegenstelling tot de andere experimenten stellen de waarden uit experiment 7

de inkrimping van de volledige tak voor (xyleemdiameter + schorsweefsel). Dit is het gevolg van

praktische problemen met de sensor die de xyleemdiametervariaties opmat. Zoals boven gesteld,

maakt het schorsweefsel bij druivelaars echter slechts een klein volumetrisch aandeel uit van de

tak, waardoor aangenomen wordt dat de curve een analoog verloop vertoont als de overeenkom-

stige xyleem-gebaseerde curve. Dit werd bevestigd door de andere experimenten (resultaten niet

weergegeven) waardoor de curve van experiment 7 analoog als de andere curves zal behandeld

worden.

De VC van de vijf experimenten vertoonden een sigmoıdaal verloop met een R2 tussen 0.991 en

0.999. Analoog aan P50 -waarde van de destructieve VC kan hier een cUAE50-waarde bepaald

worden. Dit is de xyleeminkrimping die correspondeert met 50 % van de cavitatiesignalen. Deze

cUAE50-waarden bedroegen respectievelijk -0.27, -0.34, -0.30, -0.55 en -1.06 mm voor de expe-

rimenten 1, 3, 4, 6 en 7. Experiment 6 vertoonde een discontinu patroon met een aantal open

ruimtes (e.g. ter hoogte van een inkrimping van 0.4 mm). Deze werden veroorzaakt door techni-

sche problemen met de computer. Er wordt bijgevolg gesuggereerd dat de werkelijke curve een

iets steiler patroon vertoonde met een kleinere cUAE50-waarde.

In figuur 3.9 B worden dezelfde VC weergegeven met additioneel de curve uit experiment 2 (ter

hoogte van -0.1 mm). In deze figuur wordt de y-as in absoluut aantal UAE-signalen uitgedrukt.

Zowel de diameterinkrimping als het aantal UAE-signalen van experiment 2 waren veel kleiner

dan deze van de andere experimenten, waaruit blijkt dat deze curve slechts de beginfase van een

volledige VC afbeeldt. Ook tussen de andere experimenten heerst een grote variabiliteit. De hoe-

veelheid cavitatiesignalen nam af van december (experiment 1) tot maart (experiment 3 en 4) en

steeg spectaculair in mei (experimenten 6 en 7): daar waar eind mei ruim 54 000 cavitatiesignalen

werden opgemeten, werd een totale hoeveelheid van 5 821 signalen geregistreerd in maart: een

aandeel van slechts 11%.


Figuur 3.9: Niet-destructieve vulnerability curve waarbij het aantal cavitatiesignalen (A) relatief en (B)

absoluut wordt uitgedrukt ten opzichte van de minimaal behaalde xyleemdiameter. Het cu-

mulatieve aantal gemeten UAE (’ultrasonic acoustic emissions’) is een maat voor het verlies

aan geleidbaarheid terwijl de minimaal bereikte xyleemdiameter de maximaal bereikte zuig-

spanning voorstelt. Kleurcode: experiment 1 (zwart), experiment 2 (groen), experiment 3

(donkergrijs), experiment 4 (lichtgrijs), experiment 6 (donkerblauw) en experiment 7 (licht-

blauw). De zwarte curves stellen telkens de overeenkomstige sigmoıdale curves voor.


In figuur 3.10 wordt een detail weergegeven van de curves uit experiment 1 (zwart) en 2 (groen),

zodat het verloop in de beginperiode duidelijk wordt. Elke inkrimping van het xyleem resulteerde

onmiddellijk in een toenemende hoeveelheid cavitatie, op de initiele fase van inkrimping na. Het

omgekeerde is niet steeds waar: niet elke toename in cavitatie ging gepaard met een afname in de

xyleemdiameter. Deze uiten zich als verticale lijnen zoals weergegeven door de pijltjes. Dergelijk

patroon werd ook waargenomen bij de andere curves.

Figuur 3.10: Detail van de vulnerability curve uit experiment 1 (zwart) en 2 (groen). De pijltjes duiden

op het voorkomen van cavitatiesignalen tijdens periodes waarin de diameter niet inkrimpt.

DISCUSSIE

Hoofdstuk 4

Discussie

4.1 Cavitatiedynamiek tijdens periodes van zwakke en sterke uit-

droging

De uitgesproken verschillen in cavitatiepatroon tussen experimenten 2 en 3 (figuur 3.4) kunnen in

belangrijke mate toegeschreven worden aan het microklimaat. Een hoger VD tijdens experiment

3 betekende immers een grotere drijvende kracht voor de transpiratie en dus een snellere en meer

intense uitdroging van de tak (Leonardi et al., 2000). Dit zorgde voor een snellere afname van de

waterpotentiaal waardoor de cavitatiethreshold, i.e. het maximale drukverschil dat de pitporien

konden weerstaan, sneller overschreden werd en cavitatie in experiment 3 sneller aanving.

Na 1 dag uitdroging in experiment 3 kon de periodiek aangelegde waterstroom tijdens hydraulische

geleidbaarheidsmetingen geen diametertoename meer bewerkstelligen. Een mogelijke verklaring

voor dit fenomeen is de aanzienlijke hoeveelheid cavitatie die reeds had plaatsgevonden op dat

moment. Hierdoor ontstond een afname in de hydraulische geleidbaarheid (Tyree & Sperry, 1989;

Sevanto et al., 2005), waardoor de watertoevoer doorheen de tak geblokkeerd werd en het water de

vaten niet voldoende diep kon penetreren. Op die manier kan de waterinput onvoldoende geweest

zijn om het waterverlies door uitdroging te compenseren, waardoor geen tijdelijke relaxatie van de

zuigspanning kon optreden. Anderzijds kunnen dergelijke verstoppingen ook artificieel gegenereerd

zijn door particulair materiaal, luchtbellen of spontane gelvorming in de tak (Espino & Schenk,

2011; van Doorn et al., 2011; Jacobsen & Pratt, 2012). Onafhankelijk van de oorzaak kan dit

fenomeen ook de verschillende cavitatiepatronen verklaren. Omdat de zuigspanning een continu

toenemende trend vertoonde, werd de cavitatiethreshold van steeds meer vaten overschreden en

kon cavitatie onverstoord doorgaan. Tijdens experiment 2 was de cavitatie minder ver gevorderd

waardoor periodieke wateraanleg wel uitgesproken diameterstijgingen kon blijven bewerkstelligen,

die bovendien correspondeerden met een pauze in de cavitatiesignalen: uitzettende diameters be-

tekenden immers geen extra daling in de waterpotentiaal waardoor weinig extra cavitatie optrad

55

56 Hoofdstuk 4. Discussie

(figuur 3.6). Enkel wanneer de diameter daalde onder het voorheen minimaal bereikte niveau,

werden nieuwe cavitatiethresholds overschreden wat resulteerde in bijkomende cavitatie (Holtta

et al., 2005). Op die manier kan het verschil in cavitatiepatroon tussen beide experimenten ver-

klaard worden.

Het lage VD in combinatie met de korte dehydratatieperiode in experiment 2 kan aan de basis

liggen van de lage hoeveelheid UAE-signalen: de tak onderging geen volledige uitdroging waardoor

slechts een beperkt aandeel van de vaten gecaviteerd waren. In experiment 3 onderging de tak een

meer intense uitdroging, zodat deze zich na 5 dagen reeds in een verregaand dehydratatiestadium

bevond en het grootste aandeel van de vaten gecaviteerd waren. Dit uit zich bovendien in de

beperkte hoeveelheid UAE-signalen die nadien voorkwamen. Analyse van de signaalintensiteit uit

experiment 3 bevestigt een analoge trend als de hoeveelheid UAE-signalen in figuur 3.4 C (resul-

taten niet weergegeven): een initiele snelle toename met nadien een afname in de signaalsterkte.

Tyree & Sperry (1989) stellen dat toenemende zuigspanningen resulteren in een steeds grotere

energievrijgave, wat de toenemende signaalsterkte kan verklaren. De oorzaak van de beduidende

daling in aantal en sterkte van de cavitatiesignalen is nog grotendeels ongekend, gezien de be-

perkte literatuur omtrent cavitatie in angiospermen tijdens verregaande uitdroging. Ondanks

nog geen eenduidige verklaring voor de laag-energetische signalen is gevonden, wordt algemeen

aangenomen dat deze emissies niet voortkomen uit cavitatiewaarnemingen van watergeleidende

xyleemvaten (Wolkerstorfer et al., 2012). Desalniettemin werd uitgebreid onderzoek gedaan naar

coniferen, die tijdens verregaande dehydratatiestadia grote hoeveelheden laag-energetische signa-

len voortbrachten (e.g. Mayr & Rosner, 2011; Wolkerstorfer et al., 2012). Daar worden dergelijke

laag-energetische signalen deels toegeschreven aan cavitatie van kleine erg resistente tracheıden,

die ondanks de hoge zuigspanning slechts een beperkte energie uitstoten door hun kleine volume

(Mayr & Rosner, 2011). Daarnaast kunnen andere houtelementen zoals niet-geleidende vezels en

levende parenchymcellen verantwoordelijk zijn voor de laag-energetische UAE-signalen, zo stel-

len Sandford & Grace (1985). Tenslotte kunnen ook andere plantaardige processen aan de basis

liggen zoals microscheuren in celwanden als gevolg van uitdroging (Kowalski & Smockzkiewicz,

2004; Rosner, 2004; Wolkerstorfer et al., 2012).

Het cavitatiepatroon uit experiment 3 komt echter niet volledig overeen met de dynamiek waarge-

nomen in coniferen: terwijl zowel de intensiteit als het aantal signalen afnam bij druivelaars steeg

de hoeveelheid signalen van lage intensiteit in coniferen (Wolkerstorfer et al., 2012). Dit verschil

kan toegeschreven worden aan de verschillende anatomische structuur waardoor een andere cavi-

tatiedynamiek gegenereerd kan worden. Coniferen bezitten immers enkel tracheıden die kleiner

zijn in afmeting dan de lange houtvaten in druivelaars (Tyree & Zimmermann, 2001). Zo hebben

Holtta et al. (2005) in totaal ruim 50 000 UAE-signalen opgemeten over een dehydratatieperiode

van 3 dagen in Pinus sylvestris, terwijl in druivelaars slechts 20 000 emissies werden opgemeten

over een periode van 7 dagen.

Hoofdstuk 4. Discussie 57

Een aantal auteurs oppert dat het grote aantal UAE-signalen die massaal voorkomen, een indicatie

bieden voor het verlies aan hydraulische geleidbaarheid en dus voor het totaal aantal watergelei-

dende vaten in de tak (Tyree et al., 1984; Cochard, 1992; Holtta et al., 2005). Er heerst echter

onenigheid omtrent deze hypothese. Zo opperen Sandford & Grace (1985) dat het opgemeten

aantal UAE-signalen slechts een aandeel van 16% van de vaten representeert. Ze schrijven dit

toe aan het beperkte bereik van de cavitatiesensor en het tegelijk voorkomen van meerdere UAE-

signalen die als 1 signaal worden opgemeten. Onderzoek van Rosner et al. (2006) wijst dan weer

uit dat diverse andere plantaardige processen, dus niet afkomstig van geleidende xyleemvaten, aan

de basis kunnen liggen van het grotere aantal emissies. Daarnaast wordt de interpretatie van het

aantal UAE-signalen in termen van aantal vaten bemoeilijkt bij het ’in situ’ gebruik van de sensor

doordat de vaten kunnen hervullen en dus meermaals UAE-signalen kunnen produceren (Jackson

& Grace, 1996). Hoewel de precieze relatie nog onzeker is, wordt algemeen aangenomen dat het

totaal aantal UAE-signalen sterk gecorreleerd is met het aantal xyleemvaten (Rosner et al., 2006;

Mayr & Rosner, 2011; Wolkerstorfer et al., 2012).

4.2 Diameterverloop doorheen verregaande dehydratatie

Toenemende uitdroging gaat gepaard met een diameterinkrimping waartoe verschillende mechanis-

men bijdragen. Aan de hand van figuur 3.4 wordt onderscheid gemaakt tussen deze verschillende

mechanismen doorheen de dehydratatieperiode. Figuur 3.7 biedt additionele informatie bij het dif-

ferentieren tussen de verschillende mechanismen aan de hand van de relatie tussen volumeafname

en waterverlies. Op die manier kan cavitatie ook fysisch gelinkt worden aan waterverlies.

4.2.1 Verklaring diameterverloop gedurende periode 1

Bij een inkrimping kleiner dan 0.1 mm overschreed de waterpotentiaal de cavitatiethreshold nog

niet, waardoor dergelijke afname niet resulteerde in cavitatie (figuur 3.4C en D). Bovendien waren

xyleemdiametervariaties hier proportioneel gerelateerd aan het waterverlies (∆W/∆V=1, figuur

3.7). De diameterinkrimping kan bijgevolg toegeschreven worden aan het verlies van capillair wa-

ter en waterverlies uit levende cellen (elastische cellen, floeem, waterreserves tussen xyleemvaten

en in de schors, levende xyleemparenchymcellen,...) (Tyree et al., 1984; Zweifel & Item, 2000;

Almeras, 2008). Deze laatste zijn zeer flexibel waardoor de inkrimping zich aan snel tempo kan

voltrekken.

Zoals inkrimpende diameters gerelateerd zijn aan de waterrelaties van de plant, zijn ook uitzet-

tende weefsels afhankelijk van de waterbalans (figuur 3.4 B en 3.5). In de beginfase veroorzaakte

periodiek contact met een externe waterbron een onmiddellijke toename in de totale diameter.

Deze kan te wijten zijn aan het hervullen van de waterreserves (e.g. Irvine & Grace, 1997; Co-

chard et al., 2001; Intrigliolo & Castel, 2007; Almeras, 2008).


Los van het bovenliggend weefsel onderging ook de xyleemdiameter een uitzetting bij watercontact,

die toegeschreven kan worden aan de tijdelijke relaxatie van de negatieve zuigspanning (e.g. Irvine

& Grace, 1997; Offenthaler et al., 2001). In tegenstelling tot de totale diameter genereerde water-

contact hier pas een uitzetting na een initiele periode van uitdroging, wanneer de waterpotentiaal

reeds voldoende gedaald was. De mate waarin watertoevoer de xyleemdiameter beınvloedt, hangt

dus af van de dehydratatietoestand van de tak en bewijst de rigiditeit van het xyleemweefsel.

4.2.2 Verklaring diameterverloop gedurende periode 2 en 3

Het diameterverloop doorheen periode 2 en 3 kan toegeschreven worden aan de combinatie van

twee factoren. Enerzijds wordt verondersteld dat de dimensies van de levende cellen verder bleven

afnemen. Daarnaast werd de cavitatiethreshold overschreden aan het begin van periode 2 zodat

vanaf dat moment ook de inelastische xyleemvaten ineenkrompen. Toenemende zuigspanning

zorgt immers voor het samentrekken van de vaten als gevolg van de adhesiekrachten tussen het

vrije water en de vatwand (Irvine & Grace, 1997; Peramaki et al., 2001). Ten gevolge van hun

rigiditeit kunnen deze slechts een beperkte inkrimping bewerkstelligen (Schultz & Matthews, 1988;

Peramaki et al., 2001; Steppe et al., 2006), waardoor proportioneel meer water verloren ging per

volumeverandering. Dit vertaalde zich in een toenemende ∆W/∆V ratio (figuur 3.7) (Zweifel &

Item, 2000).

De sterkere diameterdaling gedurende periode 2 kan te wijten zijn aan een grotere bijdrage van

de levende cellen, terwijl cavitatie de bovenhand kreeg in periode 3. In die vaten die nog vrij

water bezaten, ontwikkelden zich immers steeds sterkere zuigspanningen, waardoor steeds meer

vaten gecaviteerd werden, terwijl de levende cellen uitgeput geraakten en hun aandeel afnam.

Deze hypothese wordt bevestigd door de toenemende ∆W/∆V ratio enerzijds en het toenemende

aantal cavitatiesignalen anderzijds.

De verschillende inkrimpingssnelheid tussen periode 2 en 3 kan ook verklaard worden aan de hand

van de trade-off tussen gevoeligheid en hydraulische geleidbaarheid. Hierin wordt gesteld dat cavi-

tatieresistentie binnen 1 soort toeneemt naarmate de vatwand steviger is en de diameter afneemt

(uitgedrukt als een hoge vatwand/vatlumen-ratio) (e.g. Rosner et al., 2010). Aangezien de gevoe-

ligste vaten het eerst caviteren, zou periode 2 theoretisch gepaard gaan met enerzijds een sterker

waterverlies en anderzijds een grotere diameterinkrimping. Brede vaten houden immers meer wa-

ter op en worden gekenmerkt door een lagere vatwand/vatlumen-ratio, waardoor ze minder goed

bestand zijn tegen inkrimping onder invloed van zuigspanning. Zo kan de snellere diameterdaling

doorheen periode 2 in figuur 3.4 D het gevolg zijn van de cavitatie van een aantal gevoelige brede

vaten, terwijl de tragere inkrimping in periode 3 kan voortkomen uit meerdere kleine caviterende

vaten. Deze hypothese wordt bevestigd door het grotere aantal cavitatiesignalen dat optrad vanaf

de grens tussen periode 2 en 3.


Wanneer de diameters sterker zijn afgenomen dan 0.15 - 0.2 mm, reageerden ze niet meer op de

aangelegde waterstroming in tegenstelling tot de respons tijdens periode 1 (sectie 4.2.1). Zoals

uiteengezet in sectie 4.1 kan dit ter hoogte van het xyleemweefsel te wijten zijn aan de afname

van de hydraulische geleidbaarheid als gevolg van verregaande cavitatie of artificieel geınduceerde

verstopping, waardoor het water niet meer diep in de tak kon doordringen. De verklaring voor

de continue diameterdaling ter hoogte van het schorsweefsel kan gevonden worden in de afname

van activiteit van de levende cellen. Door verregaande dehydratatie zijn de waterreserves immers

uitgeput. Hierdoor kan de turgordruk niet meer hersteld worden (Holtta et al., 2006), waardoor

het schorsweefsel afsterft en bijgevolg niet meer kan reageren op watertoevoer. Dit impliceert dat

de levende cellen geen onafhankelijke diameterveranderingen meer kunnen ondergaan, zodat de

totale diameter vanaf dan enkel variaties in het onderliggende xyleemweefsel reflecteert en beide

diameters een parallel verloop vertonen. Huidige kennis omtrent het hervullen van vaten tijdens

verregaande dehydratatie is schaars, gezien onderzoek zich meestal toespitst op het hervullen van

de vaten over een korte tijdspanne of ’in situ’ (e.g. Sperry et al., 1987). Desalniettemin wordt

hiermee het belang benadrukt van een intact en onverstoord geleidingsweefsel om watertransport

te kunnen blijven onderhouden.

4.2.3 Verklaring diameterverloop gedurende periode 4

Wanneer een inkrimping van 0.4 mm werd bereikt, onderging het xyleemweefsel plots een sterkere

diameterafname, die divergeerde van de totale diameter. Het minder expressieve verloop van de

schorsdiameter kan voortkomen uit het loslaten van schors- en xyleemweefsel waardoor een in-

krimping van het xyleemweefsel niet noodzakelijk resulteert in een even grote daling in de totale

diameter. Bovendien vertegenwoordigt het schorsweefsel een zeer beperkt volume aandeel in de

tak (2-5% in deze experimenten) waardoor het xyleemweefsel procentueel gezien veel sterker kan

inkrimpen (Almeras, 2008).

De sterkere mate van xyleemdaling op zijn beurt kan toegeschreven worden aan twee factoren.

Vooreerst kan de grote hoeveelheid cavitatie die ervoor optrad, een belangrijke rol spelen (figuur

3.4 C). Vanaf het moment dat de diameter sterker inkromp bij het begin van periode 4, vielen

de opgemeten cavitatiesignalen immers terug van een hoog niveau van ongeveer 8 signalen per

minuut naar een niveau van gemiddeld 2 signalen per minuut. Hieruit kan dus worden afgeleid

dat de meerderheid van de cavitatiewaarnemingen reeds had plaatsgevonden en een aanzienlijk

aandeel van de vaten reeds gecaviteerd was. Het vasculair weefsel, dat initieel een stevig geheel

vormde, opgebouwd uit functionele vaten onder zuigspanning, was op dat moment voor een be-

langrijk aandeel met lucht gevuld. De individuele vaten werden minder in vorm gehouden door

een geheel van omringende functionele vaten zodat het xyleemweefsel een sterkere inkrimping kon

ondergaan. Daarnaast wordt verondersteld dat ook het verlies aan gebonden water een rol kan

spelen in deze finale fase. Wanneer een xyleemvat caviteert, wordt het vrij water in de xyleem-


lumina immers vervangen door lucht, zodat enkel gebonden water overblijft ter hoogte van de

vatwand. Dit wordt het verzadigingspunt van het hout genoemd (’fiber saturation point’). Ver-

damping van dit gebonden water zorgt voor een contractie van de microfibrillen in de vatwand

(Rosner et al., 2010) en kan op die manier bijdragen tot een xyleeminkrimping evenredig met het

waterverlies, zoals waargenomen in figuur 3.7 (∆W/∆V=1.2). Rosner et al. (2010) stelt bovendien

dat dergelijke contracties gepaard gaan met de uitstoot van laag energetische UAE-signalen, wat

in overeenstemming is met het patroon in signaalintensiteit (resultaten niet weergegeven).

4.3 Destructieve vulnerability curve

Het opmeten van de hydraulische geleidbaarheid (Kh) is niet eenvoudig. In diverse andere onder-

zoeken werden meermaals problemen gerapporteerd, zoals onstabiele of continu en snel afnemende

Kh-waarden tijdens het flushen (Sperry & Tyree, 1988; Espino & Schenk, 2011; van Doorn et al.,

2011; Jacobsen & Pratt, 2012). Hoewel in deze thesis niet gewerkt werd met flushen onder hoge-

druk, leden de XYL’EM metingen onder analoge problemen. Bijkomende experimenten (resultaten

niet weergegeven), waarbij de tak niet toegelaten werd om verregaand uit te drogen, resulteer-

den daarenboven ook in een continue en verregaande afname van de geleidbaarheid. Door deze

problemen werd de initieel gehanteerde XYL’EM methode in vraag gesteld en werd besloten de

volgende experimenten uit te voeren aan de hand van de gravitatiekolom. Het resultaat wordt

weergegeven in figuur 3.8, waarbij experimenten 1, 2 en 3 opgemeten werden met de XYL’EM,

terwijl de verticale gravitatiekolom gebruikt werd in experimenten 5 en 6.

4.3.1 Verklaring van het verschil in destructieve VC

De VC gegenereerd door de twee methoden vertoonden weinig overeenkomst. Verschillende feno-

menen kunnen hiervoor aan de basis liggen. Er wordt gesuggereerd dat niet zozeer de verschillende

gehanteerde techniek, maar eerder de verschillende samenstelling van het water aan de basis ligt

van deze afwijkende resultaten. In de gravitatiemethode werd immers zuiver, niet-ontgast ge-

destilleerd water gebruikt als medium in tegenstelling tot het ontgast, gefilterd Volvic water met

toegevoegde kationen in de XYL’EM methode. Zo opperen Espino & Schenk (2011) dat lucht-

verzadigd water kunstmatige belvorming kan induceren, waardoor vaten geblokkeerd worden en

de hydraulische geleidbaarheid sneller afneemt als deze die veroorzaakt wordt door natuurlijke

dehydratatie. Daarnaast kan particulair materiaal in onvoldoende gefilterd water de pitporien

verstoppen, waardoor de doorstroming van water verhinderd wordt en te hoge PLC-waarden op-

gemeten worden (Espino & Schenk, 2011). Van Doorn et al. (2011) stellen bovendien dat kationen

nodig zijn om aan de hand van elektrostatische interacties met het pitmembraan, een daling in de

waterstroming te kunnen tegengaan. Bijgevolg wordt geconcludeerd dat bovenstaande problemen

meer uitgesproken tot uiting kwamen bij de gravitaire methode en op die manier resulteerden in

een snellere afname in hydraulische geleidbaarheid. Desondanks worden analoge verschijnselen


ook in de XYL’EM experimenten (1, 2 en 3) niet uitgesloten. Het geleidingsweefsel in planten

heeft een complexe structuur. Dit maakt hen kwetsbaar voor cavitatie of verstoppingen zodat de

aanwezigheid van het kleinste partikeltje of luchtbelletje nauwkeurig verhinderd moet worden. Bij

afknippen en artificieel doorstromen met water wordt een natuurlijke situatie gecreeerd en kan dit

mechanisme aangetast worden, zoals blijkt uit deze resultaten.

Hoe langer de taksegmenten (50 - 90 cm), hoe groter bovenstaande effecten. In lange takken dient

namelijk meer water doorheen de tak te stromen waardoor er meer kans is op een artificiele

daling van de hydraulische geleidbaarheid (modificatie van de pitporie structuur, verstoppen van

de vaten,...) (Ayup et al., 2012). Het gebruik van kortere segmenten was echter niet mogelijk

aangezien druivelaars lange vaten bezitten. Bijgevolg dient omzichtig omgesprongen te worden

met de voorbereiding van het water bij metingen van de hydraulische geleidbaarheid van soort

met lange vaten.

Een verklaring voor de afname in geleidbaarheid bij continue hydratatie van takken, kan gevon-

den worden in recent onderzoek van Jacobsen & Pratt (2012). Zij ondervonden een daling in

de geflushte Kh-waarde. Deze waarde zou echter constant moeten blijven, onafhankelijk van het

dehydratatiestadium, gezien de aanwezige embolismen verwijderd worden aan de hand van hoge

druk en de tak op die manier terug in verzadigde toestand wordt gebracht. De auteurs schrijven

deze daling toe aan plantaardige gelvorming die een verstopping veroorzaakt in de xyleemvaten

(Jacobsen & Pratt, 2012). Sun et al. (2008) stellen dat deze gelvorming in druivelaars als natuur-

lijke reactie kan optreden bij zowel verwondingen als bij embolisaties. Hieruit kan dus niet bepaald

worden of gelvorming in afgeknipte takken artificieel geınduceerd werd door het afknippen van de

takken, dan wel natuurlijk geınduceerd werd door cavitatie. De belangrijkste consequentie van

deze gelhypothese voor de constructie van destructieve VC is dat het opmeten van het verloop van

de hydraulische geleidbaarheid niet relatief ten opzichte van de geflushte waarde mag gebeuren.

Jacobsen & Pratt (2012) stellen immers dat de gevormde gels niet verwijderd kunnen worden door

een hoge druk, waardoor de maximale Kh onderschat wordt en de PLC systematisch overschat

wordt (formule 1.3). De Kh-waarden dienen dus in absolute termen als een ’afname in geleid-

baarheid’ geınterpreteerd te worden. Op die manier verkregen Jacobsen & Pratt (2012) VC die

wijzen op een veel grotere gevoeligheid in vergelijking met de bevindingen van Choat et al. (2010).

In deze thesis werd daarom gewerkt met de absolute waarden voor daling in geleidbaarheid. De

initiele Kh-waarde werd hier immers als de maximale geleidbaarheid beschouwd, aangezien de tak

voor zonsopgang werd afgesneden van een goed bewaterde plant en dus aangenomen werd dat de

tak volledig verzadigd was bij de initiele meting. Alhoewel het voorkomen van gelvorming plau-

sibel is en als verklaring kan dienen voor de afname in geleidbaarheid bij continue watertoevoer,

kan deze niet de oorzaak zijn van de beperkte overeenkomst tussen de VC.

Een laatste mogelijke verklaring voor die afwijking kan geboden worden door de stamwaterpoten-

tiaal. De wijze waarop deze werd opgemeten, verschilt immers tussen beide proefopzetten. De


XYL’EM experimenten grepen plaats tijdens de herfst en winter, wanneer geen blaadjes voor-

handen waren. Daarom werd de waterpotentiaal tijdens experimenten 1, 2 en 3 gemeten op een

kort afgesneden uiteinde van de tak (sectie 2.3). In experimenten 5 en 6 werden blaadjes ge-

bruikt, gewikkeld in aluminiumfolie. De data bevestigen dat de waterpotentiaal sneller en dieper

daalde in het taksegmentje in vergelijking met de bladeren van een langere tak (resultaten niet

weergegeven). Ten gevolge van zijn beperkte afmetingen kon dit immers sneller uitdrogen. Daar-

enboven werd het niet sequentieel aangelegd aan een lagedruk-waterstroming, corresponderend

met de hydraulische geleidbaarheidsmetingen in de grote tak. Het beschouwde verschil tussen de

VC kan dus verklaard worden door een samenspel van de watersamenstelling en de methode van

waterpotentiaalmetingen.

4.3.2 Kwantitatieve interpretatie van de destructieve VC

De VC opgemeten met de XYL’EM vlakten af ter hoogte van PLC-waarden van 80% (figuur 3.8).

Theoretisch wordt echter verwacht dat het eindpunt van dergelijke curve zich ter hoogte van 100%

zou bevinden. Dit kan voortkomen uit het feit dat de drukbommetingen op een takuiteinde werden

uitgevoerd. Onder -5 MPa was dit takuiteinde reeds in zo’n uitgedroogde toestand, dat de meting

niet meer accuraat was en de correcte waterpotentiaal bijgevolg niet meer te bepalen was. Hogere

PLC-waarden werden wel opgemeten (tot 92% zoals gemeten in experiment 2), maar correspon-

deerden met waterpotentialen die niet meer konden opgemeten worden op het taksegment. In

experimenten 5 en 6 daalden de waterpotentialen aan minder snel tempo waardoor de 100% hier

wel bereikt werd. Daarenboven werd getwijfeld aan de accuraatheid van de hoogste PLC-waarden,

gezien deze dicht rond de grens van nauwkeurigheid van het XYL’EM-toestel schommelden.

De P50-waarde berekend op basis van de XYL’EM experimenten bedroeg -1.99 MPa, waaruit volgt

dat reeds 50% cavitatie optreedt bij waterpotentialen van -2 MPa. Gerapporteerde P50-waarden

lopen sterk uiteen. Zo rapporteerden Choat et al. (2010) een P50-waarde van -2.97 MPa en toonden

aan dat PLC-waarden in Vitis vinifera L. cv. Chardonnay niet stegen boven 35% bij waterpoten-

tialen van -2 MPa. De data uit experimenten 1, 2 en 3 suggereren dus een grotere gevoeligheid

aan droogtestress in vergelijking met Choat’s bevindingen. Alsina et al. (2007) rapporteren een

P50-waarde van -2.27 MPa, die dichter aanleunt bij de resultaten uit deze thesis. Resultaten van

Jacobsen & Pratt (2012) op Vitis vinifera L. cv. Glenora tonen dan weer een analoge trend als deze

bekomen met de gravitatiekolom (experimenten 5 en 6), waarin de hydraulische geleidbaarheid

zeer snel afneemt en de P50-waarde -0.51 MPa bedraagt. Ook Wheeler et al. (2005) rapporteren

een erg lage P50-waarde van -0.76 MPa.

Uit bovenstaande analyse kan geconcludeerd worden dat zowel de PLC-waarden als de waterpo-

tentialen sterk afhankelijk zijn van de wijze waarop de proef wordt uitgevoerd en bijgevolg moeilijk

te verzamelen zijn op een consistente manier. Daarenboven circuleren veel uiteenlopende hydrau-


lische VC in de literatuur, waardoor hevig gedebatteerd wordt over de betrouwbaarheid van de

hydraulische meetmethoden. Het opstellen van een niet-destructieve VC die minder afhankelijk is

van de wijze van dataverzameling, zou dan ook een belangrijke meerwaarde kunnen bieden in het

onderzoek naar de waterrelaties in druivelaars.

4.4 Niet-destructieve vulnerability curve

Een niet-destructieve VC biedt de mogelijkheid om continu en niet-destructief de waterstatus van

de plant na te gaan. Holtta et al. (2005) stelt een curve voor waarin het cavitatiepatroon wordt uit-

gezet ten opzichte van de xyleemdiameter. Gecaviteerde vaten betekenen immers een obstructie in

het vasculair weefsel en zorgen zo voor het verlies aan hydraulische geleidbaarheid in de plant. Op

basis van dit verband wordt gesuggereerd dat bij toenemende uitdroging UAE-signalen, uitgesto-

ten door caviterende vaten, eenzelfde trend vertonen als het verlies in hydraulische geleidbaarheid.

Dit werd experimenteel bevestigd door diverse auteurs (e.g. Cochard, 1992; Hacke & Sauter, 1996;

Barnard et al., 2011). Op basis van deze bevindingen wordt aangenomen dat cavitatiesignalen

als indicator kunnen dienen voor de gevoeligheid aan droogte in druivelaars (e.g. Rosner, 2004;

Holtta et al., 2005).

In overeenstemming met bevindingen van diverse auteurs kan de xyleemdiameter in een niet-

destructieve VC geınterpreteerd worden als de maximaal bereikte zuigspanning in het vasculair

weefsel (Irvine & Grace, 1997; Zweifel & Item, 2000; Cochard et al., 2001; Peramaki et al., 2001).

De zuigspanning in het xyleem vergroot immers door toenemende uitdroging, waardoor de tak

inkrimpt (Irvine & Grace, 1997; Peramaki et al., 2001; Sevanto et al., 2005). Ook de totale

takinkrimping (van zowel de schors als het onderliggende xyleem) kan gerelateerd worden aan

de waterpotentiaal, maar deze relatie is minder rechtlijnig te interpreteren. In de schors treedt

namelijk een waaier aan andere processen op die een effect kunnen uitoefenen op de schorsdiameter

(e.g. legen van de waterreserves, levende cellen, radiale groei, osmotische aanpassing)(Offenthaler

et al., 2001). Variaties in de xyleemdiameter staan dus in directer verband met de waterbalans

van de plant en met de cavitatiesignalen en kunnen als niet-invasieve kwantificatie dienen voor de

waterpotentiaal (Holtta et al., 2005). Bij druivelaars is deze schorsdiameter echter zo beperkt dat

ook de totale diameter gebruikt kan worden (experiment 7) .

4.4.1 Opstellen van een niet-destructieve VC

De niet-destructieve VC in figuur 3.9 A toonden een sigmoıdaal profiel waarin cavitatie steeg

met toenemende zuigspanning. Dit is in overeenstemming met de deterministische ’air-seeding’

hypothese (Holtta et al., 2005). Volgens deze hypothese ontstaat cavitatie in een vat na het

overschrijden van een welbepaalde cavitatiethreshold. Ten gevolge van de distributie in pitpo-

riegrootte binnen de diverse xyleemvaten, heerst er een range aan deze thresholds binnen het


vasculair weefsel. Naarmate de zuigspanning toeneemt, wordt de threshold stelselmatig in meer

vaten overschreden, met een toenemend aantal caviterende vaten tot gevolg. Uit figuur 3.9 A blijkt

dat de initiele diameterdaling niet gepaard ging met caviterende vaten. Gedurende deze periode

overschreed de waterpotentiaal die overeenkwam met dergelijke diameters de cavitatiethreshold

niet, waardoor de waterkolom behouden bleef en geen cavitatie optrad (e.g. Tyree et al., 1984;

Kikuta et al., 2003).

De VC waren gelijkaardig qua vorm, maar vertoonden een verschuiving doorheen het seizoen

(figuur 3.9 A). Op het einde van het seizoen (december, experiment 1) vertoonde het xyleem een

zwakke inkrimping. Naarmate het nieuwe seizoen vorderde, vertoonde de tak een veel sterkere

inkrimping voor eenzelfde hoeveelheid cavitatie en caviteerde dus nog niet bij een inkrimping

die wel reeds cavitatie induceerde op het einde van het seizoen (maart tot mei, experimenten

3 - 7). Omdat cavitatiethresholds bepaald worden door pitporiekarakteristieken, welke op hun

beurt grotendeels anatomisch bepaald zijn en dus vastliggen per cultivar (e.g. Choat et al., 2008),

wordt aangenomen dat de takken eenzelfde range aan waterpotentialen ondergingen. Eenzelfde

waterpotentiaalverschil (∆Ψ) vertaalde zich dus in een kleinere xyleeminkrimping (∆VV ) naarmate

het seizoen vorderde.

Er wordt geopperd dat dit fenomeen verklaard kan worden door de xyleemdiameter als maat voor

de waterpotentiaal. Beide parameters zijn gerelateerd aan de hand van de elasticiteitsmodulus (ε

[MPa]) van de xyleemwanden zoals uitgedrukt door formule 4.1:

∆Ψ = ε∆V

V(4.1)

Hierin wordt een grotere elasticiteit van de celwanden uitgedrukt als een kleinere elasticiteitsmodu-

lus, die de potentiaalverandering weergeeft die overeenkomt met een bepaalde volumeverandering

(Lambers et al., 2008). Intrigliolo & Castel (2007) stellen dat de elasticiteit van de xyleemvaten

varieert doorheen het seizoen, met een grotere elasticiteit (kleinere ε) aan het begin van het sei-

zoen. Zo komt eenzelfde potentiaalverschil in het begin van het seizoen overeen met een grotere

volumeverandering. Dit uit zich in figuur 3.9 A door een verschuiving naar links op de x-as naar-

mate het nieuwe seizoen vordert en de vaten meer elastisch worden. De uiterst rechtse curves

komen immers overeen met druivelaars uit december en maart terwijl de uiterst linkse curves in

mei werden opgemeten. Op basis van figuur 3.9 A kan een keerpunt verwacht worden, waarbij de

elasticiteit terug zal afnemen en curves terug naar rechts op de x-as zullen opschuiven.

De xyleeminkrimping is bijgevolg een maat voor de waterpotentiaal, maar de kwantitatieve relatie

varieert doorheen het seizoen als gevolg van een variabele elasticiteit. Sperry et al. (1987) stellen

dat druivelaars overgaan van een dormant stadium naar een fase van actieve groei en bladexpansie

eind mei. Omdat de druivelaars vanaf 12 maart 2012 in de serres waren opgekweekt, kan deze

overgang zich vroeger hebben voorgedaan, waardoor de elasticiteit reeds begin mei (experiment

6) beduidend groter was. Ook Alsina et al. (2007) rapporteren een toename in de elasticiteit

(afnemende elasticiteitsmodulus) van 10-jarige Chardonnay druivelaars doorheen een periode van


eind mei - eind september. Dit past in onze resultaten en suggereert dat het keerpunt niet voor

september optreedt. Verder onderzoek is vereist om deze seizoenale trend beter in kaart te bren-

gen.

In figuur 3.9 B worden de destructieve VC in cumulatief absoluut aantal signalen weergegeven.

Hierin blijkt duidelijk dat naast de inkrimping ook het aantal cavitatiesignalen sterk varieerde

doorheen het seizoen. Het totaal aantal gecaviteerde vaten vertoonde een dalende trend vanaf

december (experiment 1 en 3), met een minimum eind maart (experiment 4), en opnieuw een

spectaculaire stijging begin mei (experimenten 6 en 7). Dit kan een uiting zijn van de overgang van

dormante toestand naar actieve groei. Zo stellen Sperry et al. (1987) dat xyleemvaten gedurende

de winter grotendeels met lucht gevuld zijn door vries-geınduceerde cavitatie. Dergelijke vaten

waren bijgevolg reeds gecaviteerd bij de aanvang van het dehydratatie-experiment en konden

op die manier geen UAE-signalen meer genereren. Voor de bladzetting worden de vaten terug

gevuld met sap om de transpiratiestroom te kunnen onderhouden. Het herstel van deze oude

xyleemvaten is cruciaal, gezien nieuwe xyleemvaten slechts gevormd worden na het ontluiken van

de bladeren. Dit hervullen is zichtbaar onder de vorm van ’bleeding’, waarbij xyleemsap uit de

druiventakken druppelt. Het wordt veroorzaakt door worteldruk (tot 500 kPa), waardoor het

sap uit de vaten naar boven wordt gestuwd en gasbellen verwijderd worden (e.g. Sperry et al.,

1987). Op die manier kan de trend in de VC in figuur 3.9 B geınterpreteerd worden: in maart

werd een druiventak onderzocht die nog grotendeels vrij was van blaadjes maar reeds worteldruk

vertoonde. De opgemeten cavitatie was dus enkel het gevolg van de oude xyleemvaten die nog

geleidend waren of reeds opnieuw met sap gevuld waren onder invloed van worteldruk. In mei

bevonden de druivelaars zich in een stadium van actieve groei, waarin de bladeren reeds ontloken

waren en nieuwe xyleemvaten gevormd waren, met een hoger aantal UAE-signalen tot gevolg. In

overeenstemming met deze resultaten rapporteren ook Tibbetts & Ewers (2000) een seizoenale

trend in het aantal cavitaties. Gezien de seizoenale trend een belangrijke invloed uitoefent op het

verloop en de cUAE50-waarde van de curve, zal deze in rekening gebracht moeten worden bij de

praktische toepassing van de VC.

De niet-destructieve VC uit experiment 2 (figuur 3.9 B en 3.10) week af van de andere VC wat

betreft vorm en grootteorde. De tak werd immers niet toegelaten om volledig uit te drogen. Uit

figuur 3.9 B blijkt dat de curve geen volledig sigmoıdaal profiel vertoonde, maar slechts een de-

tail voorstelde van de initiele fase van een VC doorheen een volledige dehydratatie. Een analoge

vorm werd gerapporteerd door Holtta et al. (2005), die een niet-destructieve VC ’in situ’ opstel-

den van een Schotse den. Als gevolg van neerslag en bodemvocht onderging de den ook geen

volledige dehydratatie, vandaar de analogie met de resultaten uit experiment 2. Daarenboven

bedroeg de cumulatieve hoeveelheid cavitatiesignalen in experiment 2 slechts een fractie van het

totaal aantal vaten (figuur 3.9 B). Hieruit kan worden afgeleid dat het opstellen van een volledige

niet-destructieve VC enkel destructief kan gebeuren door een verregaande uitdroging te bewerk-


stelligen. Een onvolledige uitdroging bij ’in situ’ experimenten zorgt er bovendien voor dat de

P50-waarden bekomen uit dergelijke experimenten niet kwantitatief beschouwd kunnen worden.

Eens de curve is opgesteld voor het betreffende soort, kan de opvolging van beide parameters wel

op een niet-destructieve manier plaatsvinden.

Figuur 3.10 toont het precieze verloop van een VC: daar waar afnemende diameters steeds ge-

paard gingen met een toenemend aantal cavitatiesignalen, was het omgekeerde niet steeds waar.

Dit wordt ook duidelijk in figuur 3.6 B, waar een klein aandeel (10%) van de cavitatiesignalen

optrad wanneer de diameter niet inkromp. Deze resultaten zijn in overeenstemming met de bevin-

dingen van Holtta et al. (2005). Een aantal oorzaken kunnen aan de basis van dit fenomeen liggen.

Enerzijds kunnen dergelijke signalen een uiting zijn van een zogenaamd stochastisch embolisatie-

patroon. Deze theorie berust op homogene of heterogene nucleatie waarin spontaan luchtbellen

ontstaan onder invloed van thermodynamische fluctuaties. Deze veroorzaken cavitatie die niet kan

voorspeld worden door thresholds. Hoe langer een zekere zuigspanning aanhoudt, des te meer kans

op dergelijke spontante embolisatie. Anderzijds kan ook het deterministische mechanisme aan de

basis van dergelijk patroon liggen, waarin de vaten niet kunnen caviteren bij hun vooropgestelde

threshold ten gevolge van een tijdelijke ongunstige toestand (e.g. belemmering van luchtintrede)

(Kikuta et al., 2003; Holtta et al., 2005). Tenslotte kunnen deze pieken ook het gevolg zijn van

schokken, veroorzaakt door het uitvoeren van de metingen. Bijkomende experimenten moeten

hier uitsluitsel bieden.

4.4.2 Praktisch gebruik en toepassingen van de niet-destructieve VC

Aan de hand van de relatie tussen xyleeminkrimping (∆D) en waterpotentiaal (Ψ) kan een verband

gelegd worden tussen de niet-destructieve en de destructieve VC. Volgende relatie werd opgesteld

tussen beide parameters op basis van experimenten 4, 5 en 6: ∆D=0.0373 + 0.1331 Ψ (R2=0.74;

resultaten niet weergegeven). Aan de hand van deze vergelijking kon de waterpotentiaal berekend

worden, die overeenkomt met een welbepaalde diameterinkrimping. Zo werd de waterpotentiaal

berekend voor de aanvang van cavitatie, alsook deze waarbij de cUAE-50-waarde bereikt werd.

De inkrimping die overeenkwam met de start van de cavitatie voor experimenten 1 tot 7 lag tus-

sen 0.1 en 0.2 mm. Gebaseerd op bovenstaande relatie werd de overeenkomstige waterpotentiaal

berekend (tussen -0.47 en -1.22 MPa), die dus een indicatie biedt van de cavitatiethreshold. Op

basis van de wet van Laplace (formule 1.4) corresponderen dergelijke cavitatiethresholds met pit-

poriedimensies van 0.10 - 0.30 µm. Sperry et al. (1987) bevestigt dat dergelijke waarden binnen

de poriedimensies liggen van verschillende hardhoutspecies.

Daarnaast werden de cUAE50-waarden van experimenten 1, 3, 4, 6 en 7 omgerekend tot wa-

terpotentialen van respectievelijk -2.31, -2.83, -2.53, -4.41 en -8.24 MPa. Deze waterpotentialen

kunnen op hun beurt vergeleken worden met de corresponderende waarden uit de destructieve

VC. In tegenstelling tot de geobserveerde P50-waarde van de destructieve VC (-1.99 MPa, figuur


3.8), stemmen de waarden van de niet-destructieve VC wel overeen met de P50-waarden voor

Chardonnay druivelaars zoals gerapporteerd door Choat et al. (2010) (-2.97 MPa ) en Alsina

et al. (2007) (-2.27 MPa). De afwijkende waarden van experimenten 6 en 7 kunnen veroor-

zaakt zijn door de variabele elasticiteit van de xyleemvaten. De relatie tussen ∆D en Ψ werd

immers collectief opgesteld waardoor een gemiddelde elasticiteit wordt aangenomen voor de vol-

ledige meetperiode. Wanneer dit verband echter enkel op basis van experiment 6 wordt opgesteld

(∆D=0.0402 + 0.1481 Ψ; R2=0.76), zijn de cUAE50-waarden (respectievelijk -3.99 en -7.4 MPa)

nog steeds meer negatief dan de andere waarden. Hieruit blijkt dat nog andere oorzaken aan de

basis liggen van dit gegeven en wordt een seizoenale trend gesuggereerd in de gevoeligheid van

de vaten. Melcher et al. (2003) stellen een toenemende gevoeligheid aan cavitatie vast op jaar-

basis in suikeresdoorn en suggereren dat oudere xyleemvaten een verzwakte weerstand bezitten

door (i) voorgaande cavitatiewaarnemingen, (ii) schade gedurende de wintermaanden of (iii) door

verloop van tijd. Op basis van deze bevindingen kan vooropgesteld worden dat de druivelaars

van december tot maart (experimenten 1-4) een verzwakte weerstand voor cavitatie ontwikkeld

hebben, resulterend in een minder negatieve cUAE50-waarde, waarna de ontwikkeling van nieuwe

vaten in mei (figuur 3.9 B) voor een versterkte weerstand tegen cavitatie gezorgd kan hebben.

Het dient benadrukt te worden dat ouderdom een factor kan zijn die meespeelt, maar niet met

zekerheid als de enige correcte oorzaak van de discrepantie aangeduid kan worden. De opgestelde

relatie is immers slechts een grove benadering en biedt louter een indicatie van de relatie tussen

diameterinkinkrimping en waterpotentiaal. Om meer inzicht te krijgen in de situatie dienen de

niet-destructieve VC in de toekomst gerelateerd te worden aan de heersende waterpotentialen om

zo meer duidelijkheid te creeeren omtrent het seizoenale verloop van zowel de elasticiteit als de

gevoeligheid van de vaten.

Daar waar een destructieve VC een directe maat geeft van een fysische eigenschap van de plant die

gelinkt kan worden aan de overleving, is cavitatie minder eenvoudig te relateren aan een fysische

toestand. In hoeverre de P50-waarde een interpretatie geeft van de hydraulische geleidbaarheid

en zo een beeld geeft van de mate waarin een plant leidt onder droogtestress, is immers nog onder

debat. Alhoewel diverse studies een nauwe overeenkomst hebben uitgewezen tussen P50-waarden

en cUAE50-waarden (e.g. Cochard, 1992; Hacke & Sauter, 1996; Rosner, 2004; Barnard et al.,

2011), stellen Kikuta et al. (2003) dat het verlies aan hydraulische geleidbaarheid meestal groter

is dan het percentage gecaviteerde vaten, wat wordt bevestigd in onze data. Reeds voordat de

laatste UAE-signalen worden opgemeten, zo opperen zij, heeft de plant immers zijn geleidbaar-

heid verloren omdat de waterstroming slechts tot stand komt in een aaneenschakeling van niet

gecaviteerde vaten. Zo draagt een niet gecaviteerd vat dat geısoleerd voorkomt in de plant, niet

bij tot de geleidbaarheid, maar kan wel nog een UAE-signaal genereren. De VC mag bijgevolg niet

als een louter fysische eigenschap van een individueel vat beschouwd worden, maar dient eerder

als eigenschap van de volledige weefselstructuur geınterpreteerd te worden (Kikuta et al., 2003;

Loepfe et al., 2007). Daarnaast kan ook de gelhypothese van Jacobsen & Pratt (2012) hier een

invloed uitoefenen: als gevolg van gelvorming liggen gecaviteerde vaten niet als enige aan de ba-


sis van afnemende hydraulische geleidbaarheid, wat de discrepantie tussen de hydraulische en de

akoestische methodes kan verklaren. Jackson et al. (1995) en Manoharan & Pammenter (2005) on-

dervonden dan weer een omgekeerde relatie. Ze stelden vast dat de hydraulische P50-waarde meer

negatief is dan de cUAE50-waarde. De brede waaier aan verschillende resultaten bewijst dat akoes-

tische data niet eenduidig gebruikt kunnen worden om het verlies aan hydraulische geleidbaarheid

kwantitatief te beoordelen. Zoals Manoharan & Pammenter (2005) het gepast verwoorden: ”De

invloed van cavitatiewaarnemingen op de hydraulische geleidbaarheid wordt niet op een directe

manier gemeten door akoestische methoden en daarom is de interpretatie van gevoeligheid op

basis van deze methoden meer subjectief”. Een mogelijke oorzaak in de moeilijke interpretatie

van cavitatiesignalen in termen van hydraulische geleidbaarheid is de eenheid ’aantal cavitatie-

signalen’. Deze differentieert niet voldoende tussen de hydraulische significantie van verschillende

vaten, zoals Rosner et al. (2006) stellen. De onduidelijke herkomst van de signalen in combinatie

met de verspreiding van de signalen doorheen het hout, evenals overlappende cavitatiesignalen

en signalen buiten het opgemeten frequentiegebied dragen bij tot deze onzekerheid (Sandford &

Grace, 1985; Jackson & Grace, 1996).

Desalniettemin is het een uiterst gebruiksvriendelijke methode om verschillende soorten te verge-

lijken qua droogtegevoeligheid (e.g. Alsina et al., 2007). Aan de hand van de cavitatiesensor kan

de waterpotentiaalthreshold bepaald worden vanaf het ogenblik waarop schade wordt toegebracht

aan het watergeleidingssysteem. Daarenboven kunnen continue UAE-signalen bijdragen tot het

onderzoek naar het effect van microklimatologische variabelen op de cavitatietrend (Jackson &

Grace, 1996). Tenslotte kan de cavitatiesensor op verschillende plantenorganen geplaatst worden,

waardoor de vergelijking tussen verschillende plantenorganen toegelaten wordt (Jackson & Grace,

1996) om de spatiale variatie in het voorkomen van cavitatie te onderzoeken.

BESLUIT EN TOEKOMSTPERSPECTIEF

Hoofdstuk 5

Besluit en toekomstperspectief

Het doel van deze thesis was tweevoudig. Ten eerste werd er gezocht naar verbanden tussen het

cavitatiepatroon in relatie tot diametervariaties onder diverse omstandigheden om tot een beter

inzicht in de uitdrogingsdynamiek te komen. Onder condities van beperkte uitdroging, zoals le-

vende planten dagelijks ondergaan, bleek het diameterverloop een goede indicator te zijn voor

het optreden van cavitatie: afnemende diameters onder het voorheen laagst voorgekomen niveau

gingen vrijwel steeds gepaard met cavitatie. Daarentegen bood het gelijktijdig opmeten van de

schors- en xyleemdiameter in combinatie met het cavitatiepatroon en het waterverlies cruciale in-

formatie over de plant tijdens verregaande dehydratatie. Door de combinatie van deze parameters

konden diverse stadia van uitdroging in de plant gekarakteriseerd worden en kon gedifferentieerd

worden tussen de verschillende mechanismen die sequentieel plaatsgrepen. Op die manier kan de

huidige beperkte kennis omtrent verregaande dehydratatie in angiospermen aangevuld worden en

kan de methode bijdragen tot het interpreteren van de niet-destructieve vulnerability curve (VC),

het tweede objectief van deze thesis.

Vooraleer werd overgegaan op de niet-destructieve VC werden destructieve VC opgesteld, zoals

tot op heden standaard toegepast. Zo werd getracht de niet-destructieve VC te kaderen en te

staven met huidige kennis. Het opstellen van dergelijke destructieve VC bleek echter geen si-

necure bij druivelaars. Er werden verschillende aandachtspunten aangehaald die gerespecteerd

dienen te worden om de natuurlijke situatie in de plant niet te sterk te modificeren tijdens het

meetproces. Zo dient voldoende zorg besteed te worden aan de samenstelling van het water waar-

mee de tak doorstroomd wordt, om verstopping, belvorming en zwelling van pitporien tegen te

gaan. Daarnaast moet de lengte van de tak beperkt worden, rekening houdend met de maximale

vatlengte van het species. Tenslotte dient de duur van hydraulische metingen beperkt te worden

om gelvorming en dus artificiele verstopping te minimaliseren (<1 dag (Jacobsen & Pratt, 2012)).

Desalniettemin blijft het een gecompliceerde procedure, die veel ervaring vergt en een destructieve

staalname vereist. Ook in de literatuur vertonen de destructieve VC sterk uiteenlopende resul-

71

72 Hoofdstuk 5. Besluit en toekomstperspectief

taten en blijken ze erg afhankelijk van de omstandigheden en de wijze waarop de experimenten

werden uitgevoerd. Er werd dan ook geconcludeerd dat het opstellen van een niet-destructieve

VC, die minder afhankelijk is van de wijze van data verzameling, een belangrijke meerwaarde kan

bieden in het onderzoek naar de waterrelaties in druivelaars.

De voorgestelde niet-destructieve VC toonden de relatie tussen de xyleemdiameter en de UAE.

De combinatie van beide parameters werd nog nooit opgemeten tijdens verregaande dehydrata-

tie, waardoor de curves uniek zijn in hun soort. De resultaten bevestigden dat beide parameters

eenduidig gerelateerd zijn en een belangrijke informatiebron vormen voor de cavitatiestatus van

de plant. Aan de hand van de niet-destructieve VC kon de waterpotentiaalthreshold bepaald

worden vanaf wanneer cavitatie optrad en vanaf wanneer grote schade werd toegericht aan het

watergeleidingssysteem. Onze studie toont aan dat het van cruciaal belang is de tak volledig te

laten uitdrogen om een juiste en volledige inschatting te maken van de droogtegevoeligheid van

een species. Enkel op die manier caviteert de meerderheid van de vaten en kunnen de waarden

relatief uitgezet worden. Tenslotte was er een duidelijke seizoenale trend te beschouwen tussen

de diverse niet-destructieve VC die werden opgesteld van december tot mei. Hieruit werd gesug-

gereerd dat de seizoenale ontwikkeling van de plant opgevolgd kan worden aan de hand van een

niet-destructieve VC, waarbij een indicatie wordt gekregen van de ontwikkeling van nieuwe vaten

en de trend in de elasticiteit.

Toekomstig onderzoek dient te focussen op een meer gesofisticeerde analyse van de cavitatiesigna-

len, zodat gedifferentieerd kan worden tussen de relevantie van de diverse cavitatiesignalen om hun

effect op de waterbalans te kunnen inschatten. Op die manier kan tot een betere overeenkomst

gekomen worden tussen de hydraulische en de akoestische methoden. Recente, nieuwe software

waarmee diverse eigenschappen van de UAE-signalen opgemeten kunnen worden, zijn veelbelo-

vend en voorspellen een belangrijke rol van UAE in het monitoren van de waterbalans. Deze

toekomstige methoden zouden daarenboven kunnen bijdragen tot het onderscheid in de verschil-

lende bronnen van cavitatiesignalen (e.g. levende cellen, microscheuren), wat tot dusver nog louter

op interpretatie berustte. Daarnaast dient de relatie tussen het verloop van niet-destructieve VC

en de corresponderende waterpotentialen verder onderzocht te worden om op die manier tot een

beter zicht te komen van het seizoenale verloop van de elasticiteit en de gevoeligheid van de vaten.

Tot slot dient het gebruik van de niet-destructieve VC praktisch uitgewerkt en geımplementeerd

te worden, zodat ze in de toekomst kan bijdragen tot het modelleren en opbouwen van irrigatie-

strategieen, specifiek afgestemd op de plant.

Bibliografie

Almeras, T. (2008). Mechanical analysis of the strains generated by water tension in plant stems.

Part II: strains in wood and bark and apparent compliance. Tree Physiology, 28 (10), 1513–1523.

Alsina, M. M., de Herralde, F., Aranda, X., Save, R., & Biel, C. (2007). Water relations and

vulnerability to embolism are not related: Experiments with eight grapevine cultivars. Vitis,

46 (1), 1–6.

Ayup, M., Hao, X., Chen, Y., Li, W., & Su, R. (2012). Changes of xylem hydraulic efficiency

and native embolism of Tamarix ramosissima Ledeb. seedlings under different drought stress

conditions and after rewatering. South African Journal of Botany, 78, 75–82.

Barnard, D. M., Meinzer, F. C., Lachenbruch, B., McCulloh, K. A., Johnson, D. M., & Woodruff,

D. R. (2011). Climate-related trends in sapwood biophysical properties in two conifers: avoi-

dance of hydraulic dysfunction through coordinated adjustments in xylem efficiency, safety and

capacitance. Plant, Cell and Environment, 34 (4), 643–654.

Boyer, J. S. (1985). Water transport. Annual Review of Plant Physiology, 36, 473–516.

Brodersen, C. R., McElrone, A. J., Choat, B., Matthews, M. A., & Shackel, K. A. (2010). The

dynamics of embolism repair in xylem: in vivo visualizations using high-resolution computed

tomography. Plant physiology, 154 (3), 1088–95.

Bucci, S. J., Scholz, F. G., Goldstein, G., Meinzer, F. C., & Sternberg, L. D. S. (2003). Dynamic

changes in hydraulic conductivity in petioles of two savanna tree species: factors and mecha-

nisms contributing to the refilling of embolized vessels. Plant, Cell and Environment, 26 (10),

1633–1645.

Cai, J. & Tyree, M. T. (2010). The impact of vessel size on vulnerability curves: data and models

for within-species variability in saplings of aspen, Populus tremuloides Michx. Plant, Cell and

Environment, 33 (7), 1059–69.

Chaves, M. M., Zarrouk, O., Francisco, R., Costa, J. M., Santos, T., Regalado, A. P., Rodrigues,

M. L., & Lopes, C. M. (2010). Grapevine under deficit irrigation: hints from physiological and

molecular data. Annals of Botany, 105 (5), 661 –676.

73

74 Bibliografie

Choat, B., Cobb, A. R., & Jansen, S. (2008). Structure and function of bordered pits: new

discoveries and impacts on whole-plant hydraulic function. New phytologist, 177 (3), 608–625.

Choat, B., Drayton, W. M., Brodersen, C. R., Matthews, M. A., Shackel, K. A., Wada, H., &

McElrone, A. J. (2010). Measurement of vulnerability to water stress-induced cavitation in

grapevine: a comparison of four techniques applied to a long-vesseled species. Plant, Cell and

Environment, 33 (9), 1502–12.

Christman, M. A., Sperry, J. S., & Adler, F. R. (2009). Testing the ’rare pit’ hypothesis for xylem

cavitation resistance in three species of Acer. New phytologist, 182 (3), 664–674.

Cochard, H. (1992). Vulnerability of several conifers to air embolism. Tree physiology, 11 (1),

73–83.

Cochard, H. (2006). Cavitation in trees. Comptes Rendus Physique, 7 (9-10), 1018–1026.

Cochard, H. (2008). Xylem instruction manual and tutorial for xylem embolism measurements.

Clermont-Ferrand-Theix, Frankrijk: Bronkhorst.

Cochard, H., Bodet, C., Ameglio, T., & Cruiziat, P. (2000). Cryo-Scanning Electron Microscopy

Observations of Vessel Content during Transpiration in Walnut Petioles. Facts or Artifacts?

Plant physiology, 124 (3), 1191–1202.

Cochard, H., Forestier, S., & Ameglio, T. (2001). A new validation of the Scholander pres-

sure chamber technique based on stem diameter variations. Journal of Experimental Botany,

52 (359), 1361–1365.

Cruiziat, P. & Tyree, M. T. (1990). La montee de la seve dans les arbres. La recherche, 21 (220),

406–414.

Dixon, J. H. & Joly, J. (1895). On the ascent of sap. Philosophical transactions of the Royal

Society of London, 186, 563–576.

Durante, M., Maseda, P. H., & Fernandez, R. J. (2011). Xylem efficiency vs. safety: Acclima-

tion to drought of seedling root anatomy for six Patagonian shrub species. Journal of Arid

Environments, 75 (5), 397–402.

Espino, S. & Schenk, H. J. (2011). Mind the bubbles: achieving stable measurements of maximum

hydraulic conductivity through woody plant samples. Journal of Experimental Botany, 62 (3),

1119–1132.

Fernandez, R. & Cuevas, M. V. (2010). Agricultural and Forest Meteorology Irrigation scheduling

from stem diameter variations: A review. Agricultural and Forest Meteorology, 150 (2), 135–151.

Bibliografie 75

Goldstein, G., Andrade, J. L., Meinzer, F. C., Holbrook, N. M., Cavelier, J., & Jackson, P. (1998).

Stem water storage and diurnal patterns of water use in tropical forest canopy trees. Plant,

Cell and Environment, 21 (4), 397–406.

Hacke, U. G. & Sauter, J. J. (1996). Drought-lnduced Xylem Dysfunction in Petioles, Branches,

and Roots of Populus balsamifera L . and Alnus glutinosa (L.) Gaertn. Plant physiology, 111 (2),

413–417.

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

structure with safety and efficiency. Tree physiology, 26 (6), 689–701.

Hietz, P., Rosner, S., Sorz, J., & Mayr, S. (2008). Comparison of methods to quantify loss of

hydraulic conductivity in Norway spruce. Annals of Forest Science, 65 (5), 502–509.

Holbrook, N. M., Burns, M. J., & Field, C. B. (1995). Negative xylem pressures in plant-a test of

the balancing pressure technique. Science, 270 (5239), 1193–1194.

Holtta, T., Cochard, H., Nikinmaa, E., & Mencuccini, M. (2009). Capacitive effect of cavitation

in xylem conduits: results from a dynamic model. Plant, Cell and Environment, 32 (1), 10–21.

Holtta, T., Juurola, E., Lindfors, L., & Porcar-Castell, A. (2011). Cavitation induced by a

surfactant leads to a transient release of water stress and subsequent run away embolism in

Scots pine (Pinus sylvestris) seedlingsf. Journal of Experimental Botany, 63 (2), 1057–1067.

Holtta, T., Vesala, T., & Nikinmaa, E. (2007). A model of bubble growth leading to xylem conduit

embolism. Journal of Theoretical Biology, 249 (1), 111–23.

Holtta, T., Vesala, T., Nikinmaa, E., Peramaki, M., Siivola, E., & Mencuccini, M. (2005). Field

measurements of ultrasonic acoustic emissions and stem diameter variations. New insight into

the relationship between xylem tensions and embolism. Tree physiology, 25 (2), 237–43.

Holtta, T., Vesala, T., Peramaki, M., & Nikinmaa, E. (2002). Relationships between Embolism,

Stem Water Tension, and Diameter Changes. Journal of Theoretical Biology, 215 (1), 23–38.

Holtta, T., Vesala, T., Sevanto, S., Peramaki, M., & Nikinmaa, E. (2006). Modeling xylem and

phloem water flows in trees according to cohesion theory and Munch hypothesis. Trees, 20,

67–78.

Intrigliolo, J. R. & Castel, J. R. (2007). Evaluation of grapevine water status from trunk diameter

variations. Irrigation Science, 26 (1), 49–59.

Irvine, J. & Grace, J. (1997). Continuous measurements of water tensions in the xylem of trees

based on the elastic properties of wood. Planta, 202 (4), 455–461.

76 Bibliografie

Jackson, G. E. & Grace, J. (1996). Field measurements of xylem cavitation: are acoustic emissions

useful? Journal of Experimental Botany, 47 (304), 1643–1650.

Jackson, G. E., Irvine, J., & Grace, J. (1995). Xylem cavitation in Scots pine and Sitka spruce

saplings during water stress. Tree Physiology, 15, 783–790.

Jacobsen, A. L. & Pratt, R. B. (2012). No evidence for an open vessel effect in centrifuge-based

vulnerability curves of a long-vesselled liana (Vitis vinifera ). New phytologist, 194 (4), 982–990.

Jia, X., Zhang, L., Ma, R., Wang, Z., Zhang, Q., & Yao, Y. (2006). Ultrasonic Acoustic Emissions

from Leaf Xylem of Potted Wheat Subject to a Soil Drought and Rewatering Cycle. Agricultural

sciences in China, 5 (5), 346–355.

Jones, H. G. (1992). Plants and microclimate. A quantitative approach to environmental plant

physiology (2nd ed.). Cambridge, Verenigd Koninkrijk: Cambridge University Press.

Jury, W. A. & Horton, R. (2004). Soil physics (6th ed.). Hoboken, Belgie: John Wiley & Sons

Inc.

Kikuta, S. B., Hietz, P., & Richter, H. (2003). Vulnerability curves from conifer sapwood sections

exposed over solutions with known water potentials. Experimental Biology, 54 (390), 2149–2155.

Kikuta, S. B. & Salleo, S. (1997). Ultrasound acoustic emissions from dehydrating leaves of

deciduous and evergreen trees. Plant, Cell and Environment, 20 (11), 1381–1390.

Kolb, K. J. & Davis, S. D. (1994). Drought Tolerance and Xylem Embolism in Co-Occurring

Species of Coastal Sage and Chaparral. Ecology, 75 (3), 648–659.

Kolb, K. J., Sperry, J. S., & Lamont, B. B. (1996). A method for measuring xylem hydraulic

conductance and embolism in entire root and shoot systems. Journal of Experimental Botany,

47 (304), 1805–1810.

Kowalski, S. J. & Smockzkiewicz, A. (2004). Identification of wood destruction during drying.

Maderas. Ciencia y tecnologıa, (2nd), 133–143.

Lambers, H., Stuart Chapin III, F., & Pons, T. L. (2008). Plant Physiological Ecology (2nd ed.).

New York, USA.

Leonardi, C., Guichard, S., & Bertin, N. (2000). High vapour pressure deficit influences growth,

transpiration and quality of tomato fruits. Scientia Horticulturae, 84 (3-4), 285–296.

Loepfe, L., Martınez-Vilalta, J., Pinol, J., & Mencuccini, M. (2007). The relevance of xylem

network structure for plant hydraulic efficiency and safety. Journal of Theoretical Biology,

247 (4), 788–803.

Bibliografie 77

Lovisolo, C., Perrone, I., Hartung, W., & Schubert, A. (2008). An abscisic acid-related reduced

transpiration promotes gradual embolism repair when grapevines are rehydrated after drought.

New Phytologist, 180 (3), 642–651.

Manoharan, P. & Pammenter, N. W. (2005). Comparison between ultrasonic acoustic emission

(UAE) and hydraulically measured loss of hydraulic conductance in Eucalyptus spp. Clone

GU210. Journal of science of the University of Kelaniya Sri Lanka, 2, 85–104.

Martınez-Vilalta, J., Pinol, J., & Beven, K. (2002). A hydraulic model to predict drought-induced

mortality in woody plants: an application to climate change in the Mediterranean. Ecological

Modelling, 155 (2-3), 127–147.

Mayr, S. & Rosner, S. (2011). Cavitation in dehydrating xylem of Picea abies: energy properties

of ultrasonic emissions reflect tracheid dimensions. Tree Physiology, 31 (1), 59–67.

McElrone, A. J., Sherald, J. L., & Forseth, I. N. (2003). Interactive effects of water stress and

xylem-limited bacterial infection on the water relations of a host vine. Journal of Experimental

Biology, 54 (381), 419–430.

Melcher, P. J., Zwieniecki, M. A., & Holbrook, N. M. (2003). Vulnerability of Xylem Vessels to Ca-

vitation in Sugar Maple. Scaling from Individual Vessels to Whole Branches. Plant Physiology,

131, 1775–1780.

Milburn, J. A. (1973). Cavitation studies on whole Ricinus plants by acoustic detection. Planta,

112, 333–342.

Milburn, J. A. & Johnson, R. P. C. (1966). The conduction of sap. Detection of vibrations

produced by sap cavitation in Rhicins xylem. Planta, 69, 43–52.

Offenthaler, I., Hietz, P., & Richter, H. (2001). Wood diameter indicates diurnal and long-term

patterns of xylem water potential in Norway spruce. Trees, 15 (4), 215–221.

Peramaki, M., Nikinmaa, E., Sevanto, S., Ilvesniemi, H., Siivola, E., Hari, P., & Vesala, T. (2001).

Tree stem diameter variations and transpiration in Scots pine : an analysis using a dynamic

sap flow model. Tree Physiology, 21 (12-13), 889–897.

Perez-Diez, J., Garcia-Prada, J., Romera-Juarez, F., & Diez-Jimenez, E. (2010). Mechanical

behaviour analyses of sap ascent. Journal of Biological Physics, 36 (4), 355–363.

Pittermann, J. & Sperry, J. S. (2003). Tracheid diameter is the key trait determining the extent

of freezing- induced embolism in conifers. Tree Physiology, 23, 907–914.

Rosner, S. (2004). Acoustic detection of cavitation events in water conducting elements of Norway

spruce sapwood. Journal of acoustic emission, 22, 110–118.

78 Bibliografie

Rosner, S. & Karlsson, B. (2011). Hydraulic efficiency compromises compression strength perpen-

dicular to the grain in Norway spruce trunkwood. Trees, 25 (2), 289–299.

Rosner, S., Karlsson, B., Konnerth, J., & Hansmann, C. (2009). Shrinkage processes in standard-

size Norway spruce wood specimens with different vulnerability to cavitation. Tree physiology,

29 (11), 1419–1431.

Rosner, S., Klein, A., Muller, U., & Karlsson, B. (2008). Tradeoffs between hydraulic and mecha-

nical stress responses of mature Norway spruce trunk wood. Tree Physiology, 28 (8), 1179–1188.

Rosner, S., Klein, A., Wimmer, R., & Karlsson, B. (2006). Extraction of features from ultra-

sound acoustic emissions: a tool to assess the hydraulic vulnerability of Norway spruce. New

Phytologist, 171 (1), 105–116.

Rosner, S., Konnerth, J., Plank, B., Salaberger, D., & Hansmann, C. (2010). Radial shrinkage and

ultrasound acoustic emissions of fresh versus pre-dried Norway spruce sapwood. Trees, 24 (5),

931–940.

Ruger, S., Ehrenberger, W., Arend, M., Geßner, P., Zimmermann, G., Zimmermann, D., Bentrup,

F., Nadler, A., Raveh, E., Sukhorukov, V. L., & Zimmermann, U. (2010). Comparative mo-

nitoring of temporal and spatial changes in tree water status using the non-invasive leaf patch

clamp pressure probe and the pressure bomb. Agricultural Water Management, 98 (2), 283–290.

Salleo, S., Lo Gullo, M. A., De Paoli, D., & Zippo, M. (1996). Xylem recovery from cavitation-

induced embolism in young plants of Laurus nobilis a possible mechanism. New Phytologist,

132 (1), 47–56.

Salleo, S., Lo Gullo, M. A., Raimondo, F., & Nardini, A. (2001). Vulnerability to cavitation of leaf

minor veins: any impact on leaf gas exchange? Plant, Cell and Environment, 24 (8), 851–859.

Sandford, A. P. & Grace, J. (1985). The measurement and interpretation of ultrasound from

woody stems. Journal of Experimental Botany, 36 (163), 298–311.

Scholander, P. F., Hammel, H. T., Hemmingsen, E. A., & Bradstreet, E. D. (1964). Hydrostatic

pressure and osmotic potential in leaves of mangroves and some other plants. Botany, 52,

119–125.

Schultz, H. R. (2000). Climate change and viticulture: A European perspective on climatology,

carbon dioxide and UV-B effects. Australian Journal of Grape and Wine Research, 6 (1), 2–12.

Schultz, H. R. (2003). Differences in hydraulic architecture account for near-isohydric and aniso-

hydric behaviour of two field-grown Vitis vinifera L. cultivars during drought. Plant, Cell and

Environment, 26 (8), 1393–1405.

Bibliografie 79

Schultz, H. R. & Matthews, M. A. (1988). Resistance to Water Transport in Shoots of Vitis

vinifera L. : Relation to Growth at Low Water Potential. Plant physiology, 88 (3), 718–24.

Sevanto, S., Holtta, T., & Holbrook, N. M. (2011). Effects of the hydraulic coupling between

xylem and phloem on diurnal phloem diameter variation. Plant, Cell and Environment, 34 (4),

690–703.

Sevanto, S., Holtta, T., Markkanen, T., & Peramaki, M. (2005). Relationships between diurnal

xylem diameter variation and environmental factors in Scots pine. Boreal environment, 10 (5),

447–458.

Skene, D. S. & Balodis, V. (1968). A study of vessel length in Eucalyptus obliqua L’Herit. Journal

of Experimental Botany, 19 (4), 825–830.

Spanner, D. C. (1951). The Peltier effect and its use in the measurement of suction pressure.

Journal of experimental botany, 2 (2), 145–168.

Sperry, J. S., Holbrook, N. M., Zimmermann, M. H., & Tyree, M. T. (1987). Spring Filling of

Xylem Vessels in Wild Grapevine. Plant physiology, 83 (2), 414–417.

Sperry, J. S. & Tyree, M. T. (1988). Mechanism of Water Stress-Induced Xylem Embolism. Plant

Physiology, 88 (3), 581–587.

Steppe, K. (2004). Diurnal dynamics of water flow through trees: design and validation of a

mathematical flow and storage model. PhD thesis.

Steppe, K., Cnudde, V., Girard, C., Lemeur, R., Cnudde, J., & Jacobs, P. (2004). Use of X-ray

computed microtomography for non-invasive determination of wood anatomical characteristics.

Journal of Structural Biology, 148 (1), 11–21.

Steppe, K., De Pauw, D. J. W., Lemeur, R., & Vanrolleghem, P. A. (2006). A mathematical model

linking tree sap flow dynamics to daily stem diameter fluctuations and radial stem growth. Tree

physiology, 26 (3), 257–73.

Steudle, E. (2001). The cohesion-tension mechanism and the acquisition of water by plant roots.

Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 52 (1), 847–875.

Sun, Q., Rost, T. L., & Matthews, M. A. (2008). Wound-induced vascular occlusions in Vitis

vinifera (Vitaceae): Tyloses in summer and gels in winter. American Journal of Botany, 95 (12),

1498–1505.

Tibbetts, T. J. & Ewers, F. W. (2000). Root pressure and specific conductivity in temperate lia-

nas: exotic Celastrus orbiculatus (Celastraceae) vs. native Vitis riparioa (Vitaceae). American

Journal of Botany, 87 (9), 1272–1278.

80 Bibliografie

Turner, N. C. (1988). Measurement of plant water status by the pressure chamber technique.

Irrigation Science, 9 (4), 289–308.

Tyree, M. T. (1997). The Cohesion-Tension theory of sap ascent: current controversies. Journal

of Experimental Botany, 48 (10), 1753–1765.

Tyree, M. T., Dixon, M. A., Tyree, E. L., & Johnson, R. (1984). Ultrasonic Acoustic Emissions

from the Sapwood of Cedar and Hemlock . Plant physiology, 75 (4), 988–992.

Tyree, M. T. & Ewers, F. W. (1991). The hydraulic architecture of trees and other woody plants.

New phytologist, 119 (3), 345–360.

Tyree, M. T. & Sperry, J. S. (1988). Do woody plants operate near the point of catastrophic

xylem dysfunction caused by dynamic water stress? Answers from a model. Plant physiology,

88 (3), 574–80.

Tyree, M. T. & Sperry, J. S. (1989). Characterization and propagation of acoustic emission signals

in woody plants: towards an improved acoustic emission counter. Plant, Cell and Environment,

12 (4), 371–382.

Tyree, M. T. & Zimmermann, M. H. (2001). Xylem structure and the ascent of sap (2nd ed.).

Springer-Verlag.

Ueda, M. & Shibata, E. (2001). Diurnal changes in branch diameter as indicator of water status

of Hinoki cypress Chamaecyparis obtusa. Trees, 15 (6), 315–318.

van den Honert, T. H. (1948). Water transport in plants as a caternary process (3th ed.). Faraday

Society Discussions.

van Doorn, W. G., Hiemstra, T., & Fanourakis, D. (2011). Hydrogel Regulation of Xylem Water

Flow : An Alternative Hypothesis. Plant physiology, 157 (4), 1642–1649.

van Ieperen, W., van Meeteren, U., & van Gelder, H. (2000). Fluid ionic composition influences

hydraulic conductance of xylem conduits. Journal of Experimental Botany, 51 (345), 769–776.

Wei, C., Steudle, E., Tyree, M. T., & Lintilhac, P. M. (2001). The essentials of direct xylem

pressure measurement. Plant, Cell and Environment, 24 (5), 549–555.

Wei, C., Tyree, M. T., & Steudle, E. (1999). Direct measurement of xylem pressure in leaves

of intact maize plants. A test of the cohesion-tension theory taking hydraulic architecture into

consideration. Plant physiology, 121 (4), 1191–206.

Westhoff, M., Zimmermann, D., Schneider, H., Wegner, L. H., Geßner, P., Jakob, P., & Bamberg,

E. (2009). Evidence for discontinuous water columns in the xylem conduit of tall birch trees.

Plant Biology, 11 (3), 307–327.

Wheeler, J. K., Sperry, J. S., Hacke, U. G., & Hoang, N. (2005). Inter-vessel pitting and cavitation

in woody Rosaceae and other vesselled plants: a basis for a safety versus efficiency trade-off in

xylem transport. Plant, Cell and Environment, 28 (6), 800–812.

Wolkerstorfer, S. V., Rosner, S., & Hietz, P. (2012). An improved method and data analysis for

ultrasound acoustic emissions and xylem vulnerability in conifer wood. Physiologia Plantarum.

Zeugin, F. (2004). Trockenstress-Untersuchung an Flaumeiche und Waldfohre im Wallis mittels

der Ultrasonic Acoustic Emission-Technik. PhD thesis.

Zimmermann, U., Schneider, H., Wegner, L. H., & Haase, A. (2004). Water ascent in tall trees:

does evolution of land plants rely on a highly metastable state? New Phytologist, 162 (3),

575–615.

Zufferey, V., Cochard, H., Ameglio, T., Spring, J.-L., & Viret, O. (2011). Diurnal cycles of

embolism formation and repair in petioles of grapevine (Vitis vinifera cv. Chasselas). Journal

of experimental botany, 62 (11), 3885–94.

Zweifel, R. & Item, H. (2000). Stem radius changes and their relation to stored water in stems of

young Norway spruce trees. Trees, 15 (1), 50–57.

Zweifel, R., Item, H., & Hasler, R. (2001). Link between diurnal stem radius changes and tree

water relations. Tree Physiology, 21 (12-13), 869–877.

Zweifel, R. & Zeugin, F. (2008). Ultrasonic acoustic emissions in drought-stressed trees: more

than signals from cavitation? The New phytologist, 179 (4), 1070–9.

Zwieniecki, M. A., Hutyra, L., Thompson, M. V., & Holbrook, N. M. (2000). Dynamic changes in

petiole specific conductivity in red maple (Acer rubrum L .), tulip tree (Liriodendron tulipifera

L .) and northern fox grape (Vitis labrusca L .). Plant, Cell and Environment, 23 (4), 407–414.

Ecofysiologisch onderzoek naar het effect van...

Documents

Transcript of Ecofysiologisch onderzoek naar het effect van...