Resistance of young and mature leaves of Mnium undulatum (L.) to frost

Summary

It has been shown that the freezing processes and frost tolerances of young leaves of Mnium undulatum differ from those of mature leaves (Fig. 5).

When mature leaves are mounted in water and are cooled slowly (4°C/hr.) below 0° C, then extracellular freezing occurs and fatal intracellular freezing is prevented. After extracellular freezing non- hardened leaves can be cooled to-30° C without injury. Hardened leaves can withstand temperatures of-130° C. The length of the freeze at the final temperatures was 10 mins.; a prolongation of this time resulted in increased injury.

Leaves from a young shoot cannot withstand temperatures below-12° C. No extensive extracellular ice formation occurs when they are frozen slowly in water; the cells supercool and suffer from fatal intracellular ice formation. In the apical leaves the wave of intracellular freezing starts at about-4° C in the leaf apices and at-8° C the whole leaf is frozen. However, in young leaves which have reached a further stage of development, intracellular freezing begins at-8° C in the midrib and spreads over the entire leaf, which is almost completely frozen at-12° C. Frequently groups of cells remain unfrozen, their water having moved to ice crystals in neighbouring cells. The freezing processes of these leaves are not influenced by previous hardening treatments.

The following hypothesis has been put forward to account for the different freezing processes in leaves of different ages. Fatal intracellular ice formation may be avoided if the extent of extracellular ice formation and dehydration is adequate. The extent of dehydration depends upon the speed with which water is lost from the cells during the freeze. Mature leaves are able to lose their water more quickly than young leaves and so avoid intracellular freezing. Differences in the permeabilities of young leaves of different ages also occur. It has been shown that in these leaves the speed of water loss from the protoplasts increases with hardening and with age (Fig. 12a and b). Were the impermeability of the plasma membranes entirely responsible for the supercooling, then young hardened leaves should show a greater tendancy to lose their water during freezing. This, however, is not the case and it must be assumed that the cell walls offer considerable resistance to water movement during freezing. It is considered that at the beginning of the freeze water from the cell walls migrates to the surrounding ice layers but, owing to properties of the plasma which hinder water movement, this water is not immediately replaced and the impermeability of the walls increases (incipient drying). The cells supercool and remain in this state until a wave of intracellular freezing is initiated. In the further developed young leaves this occurs spontaneously at-8° C. The wave of freezing then spreads from cell to cell, probably via the plasmodesmata. In the very young leaves the freezing does not start spontaneously, but is initiated by inoculation through the imperfectly developed cell walls at the apices of the leaves at approximately-4° C.

Thus in Mnium undulatum a number of factors, which alter during growth, determines the type of freezing which occurs. These factors include the permeability of the plasma membranes, the structure and permeability of the cell walls and the imbibitional forces of the plasma. The further these factors act together to increase the rate of water loss during freezing, then the faster will be the speed of cooling which may be used without inducing intracellular ice formation.

Zusammenfassung

Der Vorgang des Gefrierens und seine Folgen wurden an Blättern von Mnium undulatum untersucht. Es stellte sich heraus, daß sich die jungen Blätter grundsätzlich anders gegenüber tiefen Temperaturen verhalten als die ausgewachsenen.

• 1. Ausgewachsene Blätter: Bei Einbettung in Wasser und langsamer Abkühlung (4° C/Std) wird durch die Bildung von extracellulärem Eis die Entwässerung der Zellen eingeleitet. Dadurch wird die tödliche intracelluläre Eisbildung verhindert. Blätter von nichtgehärteten Pflanzen zeigen bis-30° C keine Schädigung; frostgehärtete Blätter ertragen Temperaturen bis mindestens-130° C. Bei diesen Versuchen wurde die Endtemperatur nur kurze Zeit (10 min) gehalten. Bei längerer Einwirkung der Endtemperatur ist eine zunehmende Schädigung zu beobachten.

• 2. Junge Blätter: Sie ertragen bei der oben angegebenen Behandlung nicht mehr als-12° C. Es tritt keine wesentliche extracelluläre Eisbildung und Entwässerung ein, sondern nach Unterkühlung des Zellinhaltes findet plötzlich letale intracelluläre Eisbildung statt, und zwar um so früher, je jünger die Blätter sind (Abb. 5). Dieser Vorgang beginnt bei den jüngsten Blättern um-4° C an der Spitze des Blattes. Bei-8° C ist das ganze Blatt intracellulär gefroren. Bei etwas älteren Blättern beginnt das intracelluläre Gefrieren um-8° C in der Mittelrippe, schreitet von dort über die ganze Blattfläche hinweg und ist bei-12° C beendet. Manchmal bleiben einzelne Zellgruppen ungefroren, die dann durch die gefrorenen Nachbarzellen entwässert werden. Gehärtete und nichtgehärtete junge Blätter verhalten sich ganz ähnlich.

Folgende Deutung des unterschiedlichen Verhaltens der Zellen junger und ausgewachsener Blätter wird erwogen. Bei genügender Entwässerung der Zellen infolge extracellulärer Eisbildung kann intracelluläres Gefrieren nicht eintreten. Der Grad der Entwässerung hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der das Wasser die Zellen verlassen kann. Bei ausgewachsenen Blättern, die extracellulär gefrieren, ist die Permeabilität erheblich größer als bei den jungen Blättern. Jedoch bestehen auch an jungen Blättern Permeabilitäts-Unterschiede. Durch Plasmolyse-Versuche an verschiedenen Blättern eines jungen Sprosses wurde festgestellt, daß die Permeabilität mit zunehmendem Alter und mit dem Grad der Frosthärtung ansteigt (Abb. 12a und b). Sehr junge Blätter plasmolysieren nicht, während etwas ältere Blätter, auch im enthärteten Zustand plasmolysieren. Da aber auch diese das Phänomen plötzlicher intracellulärer Eisbildung selbst bei langsamer Temperatursenkung zeigen, kann die Plasmapermeabilität für das Verhalten beim Gefrieren nicht allein maßgebend sein. Wahrscheinlich ist hier vor allem auch die Zell wand eine wesentliche Barriere gegen die Wasserbewegung. Beim Gefrieren des Einbettungswassers wird den Zellwänden zunächst Wasser entzogen, was ihre Undurchlässigkeit infolge Entquellung weiter erhöht (incipient drying), während das protoplasmatische Wasser festgehalten wird, etwa durch hohe Quellungskräfte, Plasmaimpermeabilität oder noch andere Faktoren. Wenn der Wasserverlust der Zellen mit der Temperatursenkung nicht Schritt halten kann, tritt nach Unterkühlung die intracelluläre Eisbildung ein. Bei den sehr jungen Zellen, die schon bei-4° C gefrieren, können dabei die noch dünnen Zellwände eine Impfung leichter ermöglichen als die dickeren Zellwände älterer Zellen, die erst bei-8° C spontan gefrieren.

Ob intracelluläre oder extracelluläre Eisbildung stattfindet, wird also durch ein Wechselspiel von Faktoren entschieden, bei dem vor allem der Bau sowie der Permeabilität der Zellwände und Plasmamembranen und den Quellungs-Kräften Bedeutung zukommt. Je größer also die durch diese Faktoren gegebene Fähigkeit zur Abgabe von Wasser durch Ausfrieren ist, um so höher kann die Abkühlungsgeschwindigkeit sein, ohne das intracelluläre Eisbildung eintritt.