Transpiration & Stomata-VPD-Regulation
Kurzdefinition
Stomataleitfähigkeit (gs) bestimmt gleichzeitig Transpirations- und CO₂-Aufnahmerate; bei steigendem VPD folgt gs einem Hemmkurven-Muster: initial moderat ansteigend (mehr Transpiration), dann ab ~1,0–1,5 kPa abfallend (ABA-Stomataschließung); zwei parallele Mechanismen schließen Stomata bei hohem VPD: ein schneller ABA-unabhängiger hydraulischer Weg und ein langsamer, nachhaltiger ABA-abhängiger Weg (OST1 → SLAC1); Chandra et al. (2008) zeigten für Cannabis das typische C3-gs-VPD-Profil mit optimaler Photosynthese bei moderatem VPD.
Wissenschaftliche Beschreibung
gs-VPD-Kurve (Stomata-Kinetik):
| VPD (kPa) | gs (mol m⁻² s⁻¹) | Transpiration E | CO₂-Aufnahme | Status |
|---|---|---|---|---|
| 0,2–0,5 | 0,25–0,35 | Niedrig | Eingeschränkt (gs↓ durch CO₂-Rückkopplung) | Stomata teilweise offen |
| 0,5–1,0 | 0,35–0,45 | Moderat | Optimal | Stomata weit offen |
| 1,0–1,5 | 0,30–0,40 | Hoch | Gut | Erster gs-Rückgang |
| 1,5–2,0 | 0,15–0,30 | Mittel | Reduziert | ABA-Schließung einsetzt |
| > 2,0 | < 0,15 | Niedrig | Stark eingeschränkt | Deutliche Stomataschließung |
(Zahlenwerte für Cannabis approximiert nach Chandra 2008 und allgemeinen C3-Daten; Merilo 2018 Modell)
ABA-abhängiger Stomata-Schließmechanismus: Merilo et al. (2018) und (2021) dissektierten die VPD-Stomataantwort:
Schritt 1 (Sekunden–Minuten): Hydraulischer Weg: Hoher VPD → erhöhte Wasserverdampfung aus Schließzellen → direkter Turgorabbau der Schließzelle → mechanische Schließung (ohne Signalkaskade). Schnell, reversibel. Ermöglicht unmittelbare Stomata-Reaktion auf VPD-Spitzen.
Schritt 2 (Minuten–Stunden): ABA-abhängiger Weg: Anhaltend hoher VPD → ABA-Biosynthese in Schließzellen und Umgebungsmesophyll (NCED3, 9-cis-Epoxycarotenoid-Dioxygenase): 1. ABA bindet PYR/PYL/RCAR-Rezeptoren → hemmt PP2C-Phosphatasen → OST1/SnRK2.6 bleibt aktiv 2. OST1 phosphoryliert SLAC1 (SLOW ANION CHANNEL ASSOCIATED 1) → Cl⁻/Malat²⁻ Efflux 3. Membrandepolarisierung → GORK (K⁺-Efflux-Kanal) öffnet → K⁺ aus Schließzellen 4. Osmotischer Potential sinkt → Wasser folgt → Turgorverlust → Stomata schließt
ABA-unabhängige Wege (Merilo 2021): Arabidopsis-Mutanten ohne ABA-Biosynthese (aba2) oder ABA-Rezeptoren (pyr1/pyl) zeigten immer noch signifikante VPD-induzierte Stomataschließung — Nachweis eines ABA-unabhängigen parallelen Wegs. Dieser nutzt direkte hydraulische Signale und möglicherweise andere Anionenkanäle (ALMT12/QUAC1).
Praktische Implikation für Cannabis-Anbau: Sustained VPD > 1,6 kPa → ABA-Anstieg in Schließzellen → ABA bleibt bei hoher Aktivität für mehrere Stunden (ABA-Degradation über CYP707A langsam) → Stomata bleiben auch nach VPD-Normalisierung teilweise geschlossen → CO₂-Aufnahme bleibt gedrosselt. Daher: VPD-Spitzen über 1,6 kPa während Lichtphase vermeiden (nicht nur Durchschnitt optimieren).
Cannabis-spezifische Daten (Chandra 2008): Chandra et al. (2008) maßen gs in Cannabis unter verschiedenen Temperaturen und PPFD-Stufen. Befund: Cannabis folgt dem typischen C3-Muster mit maximaler gs bei moderaten Bedingungen (PPFD ~1000 µmol m⁻² s⁻¹, T 25–30°C, VPD ~0,8–1,2 kPa); Stomataschließung bei > 30°C auch ohne VPD-Erhöhung (Hitzestress-induzierte ABA).
WUE (Water Use Efficiency) und gs-VPD-Interaktion: WUE = A (Assimilation) / E (Transpiration) = A / (gs × VPD)
- Bei konstantem gs: WUE ∝ 1/VPD → höherer VPD = niedrigere WUE (mehr Wasser für gleiche Assimilation)
- Bei VPD-induzierter gs-Reduktion: E fällt stärker als A → WUE steigt kurzfristig; langfristig: reduzierte A durch CO₂-Limitierung
- CO₂-Enrichment (Chandra 2011): gs sinkt bei erhöhtem CO₂ → weniger Transpiration → WUE steigt; gleichzeitig A↑ → doppelter WUE-Boost
Boundary Layer Resistance und gs: Transpiration E = (e_Blatt − e_Luft) / (rb + rs) mit rb = Blattgrenzschicht-Widerstand; rs = Stomata-Widerstand = 1/gs
Bei Windstille (hohe rb): rb dominiert → Stomata-Öffnung/Schließung hat wenig Einfluss auf E; bei ausreichend Luftbewegung (niedrige rb): rs = 1/gs dominiert → Stomataregulation effektiv.
Biologische Auswirkungen
- CO₂-Aufnahme: gs direkt proportional zur CO₂-Diffusion → VPD-induzierte Stomataschließung = reduzierte Photosynthese = Ertrags limitierend
- Nährstofftransport: Transpiration = Massenfluss für Ca, Mg, Fe → VPD zu niedrig → weniger Transport → Ca-Mangel (Blattrandnekrosen)
- Blatttemperatur: Transpiration = Evaporationskühlung; Stomataschließung → Blatttemperatur steigt 2–5°C über Lufttemperatur → Leaf-VPD steigt weiter → positive Rückkopplung
Anbau-Relevanz
- VPD-Monitoring während Lichtphase: Nicht nur Nacht; tags aktive Stomata; VPD-Spitzen durch Lampen-Wärme + Mittagstemperatur → automatische VPD-Regelung konfigurieren
- ABA-"Nachwirkung" vermeiden: Nach VPD-Spitzen (> 1,8 kPa) bleibt gs gedrosselt für 1–3 h → CO₂-Enrichment in dieser Phase nutzen (kompensiert reduzierten gs-Effekt)
- Bewässerung und VPD: Gut gewässerte Pflanzen: gs höher (mehr Turgor in Schließzellen); Trockenstress + hoher VPD = synergistisch → Stomata schließen früher
Verwandte Begriffe
- vpd — VPD-Definitionen und Zielwerte
- leaf-vpd-blatttemperatur — Leaf-VPD als präziserer Messparameter
- botrytis-vpd-praevention — VPD-Management für Pilzprävention
- co2-photosynthese — CO₂ teilt Stomata-Pore mit Transpiration
Quellen
- Merilo E et al. (2018) Plant Physiol 176:851–864. PMID: 5761775. DOI: 10.1104/pp.17.00912
- Merilo E et al. (2021) New Phytol 231:179–193. PMID: 8455429. DOI: 10.1111/nph.17592
- Zait Y et al. (2024) Plant Physiol 194:732–748. PMID: 10875092. DOI: 10.1093/plphys/kiae (approx.)
- Chandra S et al. (2008) Photosynthetica 46:577–587. PMID: 3550578.