Weine aus den USA sind weltweit berühmt und begehrt. Mit mehr als 4.500 Quadratkilometern Rebfläche sind die Vereinigten Staaten nach Italien, Spanien und Frankreich das viertgrößte Weinbauland der Welt. Allein Kalifornien produziert etwa 84 Prozent des gesamten US-Weins. Unter den Weinbauern breitet sich allerdings zunehmend Sorge aus. Grund: Die durch den Klimawandel hervorgerufenen abnorm hohen sommerlichen Temperaturen. Sie setzen die Weinstöcke unter Trockenstress.

Die Winzer sind daher gezwungen, die Trauben vor vollkommener physiologischer Reife zu ernten, was zu unausgewogenen Weinen und untypischen Alterungsnoten führen kann. Künstliche Bewässerung schafft zwar in manchen Fällen Abhilfe, sie ist aber mit hohen Kosten verbunden und nicht gerade umweltfreundlich.

Für Andrew McElrone, Professor an der Fakultät für Weinbau und Önologie der University of California in Davis, ist die Forschung zur Wassertransportphysiologie von Weinrebenwurzeln für die Zukunft der kalifornischen Weinbauindustrie von entscheidender Bedeutung. Ultimatives Ziel des Pflanzenbiologen: nachhaltige Wassernutzungsstrategien für Weinbauern entwickeln. Dazu will er ihnen harte Daten darüber liefert, wie viel Trockenheit ihre Pflanzen aushalten können und welche Arten für eine landwirtschaftliche Zukunft mit einer unsicheren Wasserversorgung ideal sind.

Hochauflösende Röntgen-Tomographie

In seinen Forschungsarbeiten nutzte McElrone auch die Beamline 8.3.2 der „Advanced Light Source“, kurz ALS (siehe Infobox). Um ein besseres Verständnis des Wassertransportsystems der Weinrebe zu gewinnen, verwendete McElrone die dort vorhandene hochauflösende Röntgen-Tomographie. Dank der brillanten Scans konnten er und seine Forschungspartner zum ersten Mal genau sehen, wie sich der Druck durch Trockenheit auf die Xylemgefäße im Wassertransportnetz einer Pflanze auswirkt. Zum Verständnis: Das Xylem-Netzwerk transportiert Wasser und Nährstoffe von den Wurzeln zum Rest der Pflanze – je mehr Trockenheit das Netzwerk unter Stress setzt, desto größer ist die Spannung im System und desto anfälliger sind die einzelnen Gefäße und Röhren für Brüche und damit dem Eindringen von Bakterien.

McElrone entdeckte bei seiner Arbeit an der ALS, dass einige Weinreben diesen Bruch durch Tröpfchenbildung an den Wänden der Xylemröhren tatsächlich reparieren können. Wissenschaftler hatten über diesen Prozess spekuliert, McElrone und seine Forscherkollegen waren aber die ersten, die den Prozess tatsächlich beobachten konnten. Sie stellten dabei fest, dass die Tröpfchenbildung nicht willkürlich erfolgt, sondern sich vielmehr nach der Ausrichtung der verbleibenden lebenden Zellen richtet. McElrone setzte die Forschung mit einer Reihe von Rebsorten fort und stellte die Theorie auf, dass die trockenheitsresistenteren Rebsorten die Fähigkeit haben, Brüchen zu widerstehen oder bessere Reparaturfähigkeiten zu besitzen.

"Unser Ziel ist es, herauszufinden, wie weit wir die Trockenheit bei verschiedenen Rebsorten treiben können, bevor sie brechen, was wir dann auf den Wasserverbrauch in den Feldern anwenden können", sagt McElrone. "An der ALS konnten wir den Bruch und die Reparatur tatsächlich beobachten".

Eine weitere wichtige Erkenntnis aus McElrones Forschung an der ALS-Beamline: Die Brückenzellen der Reben, die für eine bessere Vernetzung innerhalb der Gefäßarchitektur der Pflanzen sorgen, bestimmen auch, welche Arten am widerstandsfähigsten gegen Krankheitserreger sind. Dank hochauflösender elektronenmikroskopischer Scans aus dem Labor der Universität in Davis, die mit den Scans der ALS kombiniert wurden, beobachtete McElrones Team das Vorhandensein und die Ausrichtung von Brückenzellen.

Zusätzliche Untersuchungen sollten zudem offenbaren, ob es intakte Barrieren zwischen den Brückenzellen gibt. Die anfälligeren Reben wiesen tatsächlich mehr offene Brückenzellen auf, so McElrone. Erreger konnten durch das Netzwerk und weiter in die Pflanzenstruktur vordringen. „Die resistenten Arten dagegen isolierten die Krankheitserreger, indem sie Brückenzellen mit Barrieren bildeten und so die Ausbreitung der Bakterien stoppten“, sagt der Forscher. "Was die Pflanzenbiologie anbelangt, sind die Bilder ausgesprochen aufschlussreich", resümiert McElrone.

Infobox

Die „Advanced Light Source“ (ALS) ist eine Forschungseinrichtung des Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley, Kalifornien. Sie ist eine der weltweit hellsten Quellen für ultraviolettes und weiches Röntgenlicht. Letzteres besitzt eine deutlich geringere Photonenenergie als harte Röntgenstrahlung und ermöglicht damit die Darstellung von Festkörpern als homogenes „undurchleuchtetes“ Medium. Außerdem ist die ALS und die erste Synchrotronlichtquelle der „dritten Generation“ in ihrem Energiebereich.

Die ALS bietet mehrere extrem helle Quellen für intensives und kohärentes kurzwelliges Licht, das Forschern aus aller Welt für wissenschaftliche Experimente nutzen. Sie wird vom US-Energieministerium (DOE) finanziert und von der Universität von Kalifornien (UC) gemanagt.

So funktioniert die ALS

Sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegende Elektronenpakete werden von Magneten im Ultrahochvakuum des ALS-Speicherrings auf eine nahezu kreisförmige Bahn gezwungen. Zwischen diesen Magneten gibt es gerade Abschnitte mit Dutzenden von Magneten mit wechselnder Polarität, die sogenannten „Undulatoren“. Sie zwingen die Elektronen auf eine slalomartige Bahn. Unter dem Einfluss der Abweichungen von der geraden Bahn werden elektromagnetische Strahlen ausgesendet, die vom infraroten über den sichtbaren und ultravioletten Bereich bis hin zu Röntgenwellenlängen reichen. Die resultierenden Strahlen lassen sich über abzweigende Röhren – den Beamlines – zu den Instrumenten der Experimentierstationen führen.

Die ALS verfügt über ein komplexes Vakuumsystem mit einer Gesamtlänge von mehr als einem Kilometer an Vakuumrohren für die Elektronen- und Photonenstrahlen. Der Vakuumdruck in den Strahlrohren beträgt 100 mbar an einigen Experimentierstationen und geht bis zu 1x10-11 mbar im Speicherring.

Notwendig ist der extreme Unterdruck aus einem ganz einfachen Grund: Wären die Rohre normal belüftet, würden die Elementarteilchen unmittelbar nach ihrem Austritt aus der Elektronen- beziehungsweise Photonenquelle mit den Luftmolekülen kollidieren und mit diesen interagieren. Zu einer beschleunigten Strahlung würde es gar nicht erst kommen.

Um bestimmte Abschnitte des Hoch- und Ultrahochvakuumbereich für Wartungsarbeiten hermetisch abdichten zu können, sind primär Sektorventile im Einsatz. Mit ihnen lassen sich bestimmte Abschnitte des Hoch- und Ultrahochvakuumbereichs hermetisch abdichten. Außerdem gibt es Schnellschlussventile, die im Fall von Leckagen betroffene Ring- oder Röhrenabschnitte schnell abtrennen, so das Vakuum erhalten und eine eventuelle Kontaminationen durch einbrechende Luft verhindern.

Bei den eingesetzten Vakuumventilen handelt es sich um Ganz-Metall-Ventile. Darunter ist eine Klasse von Vakuumventilen zu verstehen, die vollkommen ohne Elastomer-Dichtungen funktioniert. Die Abdichtung erfolgt hier mit Metall auf Metall – entsprechend präzise sind die Oberflächen der Dichtungen ausgeführt. Elastomer-Dichtungen, die häufig selbst bei Ventilen im Vakuum eingesetzt werden, zersetzen sich sehr schnell unter den in den Beamlines und im Speicherring herrschenden hohen Temperaturen und der energiereichen Strahlung.       

„Vakuumschieber sind für den Schutz, die Wartung und den Bau der ALS-Vakuumstrahlrohre unerlässlich“, sagt Sol Omolayo, Leiter des Bereichs Vakuumsysteme des ALS. „Die Beamline 8.3.2, an der Andrew McElrone forschte, hat einen hohen Vakuumdruckbedarf und arbeitet mit einem durchschnittlichen Vakuumdruck von 1x10-7 mbar.