Dokument: Effect of light and temperature on plant canopy growth

Titel:	Effect of light and temperature on plant canopy growth
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=20000
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20111208-094826-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Poiré, Richard [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,26 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 05.12.2011 / geändert 05.12.2011
Beitragende:	Prof. Dr. Schurr, Ulrich [Gutachter] Prof. Dr. Walter, Achim [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Umwelt-Bedingungen haben einen großen Einfluss auf das Pflanzenwachstum und-entwicklung. Pflanzen haben, um die bestmögliche Nutzung der verfügbaren Ressourcen, um ihr volles Potential und maximalen Ertrag zu erzielen. Wenn Umgebungsbedingungen suboptimal sind für bestimmte Arten dann müssen diese mehr Mittel investieren, um zu überleben was zu geringerer Ausbeute führt. Diese Arbeit soll das Wissen über die Auswirkungen von Temperatur und Licht in Labor-Experimenten auf pflanzliche Wachstumsdynamik erhöhen. Viele aktuelle wissenschaftliche Studien basieren auf der Annahme, dass Laborbedingungen vergleichbar mit Feldbedingungen sind und dass eine direkte Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse aus dem Labor auf das Feld möglich ist. Feldbedingungen sind nur sehr schwer künstlich zu reproduzieren und Laborbedingungen sind oft unrealistisch. Die klimatischen Unterschiede können zu falschen Aussagen über pflanzliche Reaktionen auf ihre Umwelt führen. Es ist ein Ziel dieser Studie, Antworten von Ricinus communis auf künstliche Boden-und Lufttemperatur Szenarien zu untersuchen. Diese Arbeit stützt sich auf die extensive Nutzung von Bildanalyse Verfahren (digital image sequence processing DISP). DISP erlaubt den Erwerb von Zeitraffer-Filmen der wachsenden Gewebe und der Berechnung ihrer relativen Zuwachsraten. Dieses bildgebende Verfahren mit präziser Steuerung und Überwachung der Umweltbedingungen erlaubt, pflanzliche Reaktionen auf Veränderungen bestimmter Umwelt-Parameter zu untersuchen. Unterschiedliche, konstante Temperaturen wurden angewandt, um potenzielle Wachstums- Einschränkungen zu untersuchen, während variable Temperatur-Szenarien angewandt wurden, um die Dynamik dieser Einschränkungen zu verstehen. Wenn die Wurzel-Zonen-Temperatur in Ricinus communis gesenkt war, kam Blattwachstum bevorzugt nachts zustande und war während des Tages stark gehemmt. Insgesamt wurden Blatt Expansion, Wachstum der Biomasse-, Wurzel-Ausdehnung und Verzweigung rasch reduziert; Kohlenstoffflüsse zur Wurzel waren vermindert und Kohlenhydratgehalte von Wurzel und Spross waren erhöht. Niedrige Temperatur Wurzel erhöhten hydrostatischen Spannungen in schießen Xylem. Als Wurzel-Temperatur wieder erhöht wurde, Xylem Spannung reduziert, Blattwachstum erholte sich rasch, Kohlenstoffflüsse von Aufnahme zu erhöhten, Wurzel-und Kohlenhydrat-Pools wurden reduziert. Die circadiane Uhr ist bekannt, pleiotrope Effekte auf den dem Pflanzenwachstum zugrunde liegenden Stoffwechsel zu haben. Je nach Pflanzenart sind Blattwachstumsmuster unterschiedlich durch Temperaturschwankungen und die circadiane Uhr betroffen. Wir untersuchten die Wirkung von Dauerlicht-und Lufttemperatur Szenarien auf Monokotyledonen und dikotyle Arten mit unterschiedlichen Photosynthese-Typen. Dicotyle Arten zeigten Rhythmik von Blattwachstum und Kohlenhydratgehalten, die weitgehend unabhängig von den externen Licht-und Temperaturbedingungen waren. Monocotyle Pflanzen wiederum veränderten ihren Rhythmus, wenn sie unter veränderten Temperaturbedingungen wuchsen. Der Typ der Photosynthese hatte keinen Einfluss auf die Veränderung der Wachstumsmuster. Basierend auf Modellrechnungen wurde der Schluss gezogen, dass diurnale Blattwachstumsmuster in Mono-und Dikotyledonen sich aus der additiven Wirkung von circadianen Uhr-gesteuerten Prozessen und Reaktionen auf Veränderungen der Umwelt wie Temperatur und Verdunstung zustande kommen. Blattwachstum spielt sich in einer sich ständig verändernden Umwelt ab. Es ist unklar, wie schnell Veränderungen von Licht und Temperatur, die in der Regel miteinander verbunden sind, zu Veränderungen der Blattwachstumsmuster aufgrund physiologischer Prozesse führen. In dieser Studie wurden Chrysanthemenpflanzen einer veränderten Verteilung von Licht, und einer verringerten Nachttemperatur (LNT) ausgesetzt. Wir beobachteten eine deutliche Verschiebung des diurnalen Wachstumszyklus der relativen Blattwachstumsrate (relative growth rate, RGR), was eine auf eine Rückstellung der circadianen Uhr mit einem Page | 76 Zeitgeber am frühen Morgen zurückgeführt werden konnte. Bei der Behandlung mit LNT beobachteten wir einen Rückgang des Blattwachstums während der Akklimatisierungsphase. Um die Lücke zwischen Labor-basierter Phänotypisierung und Feld-basierter Züchtung zu überbrücken, müssen verstärkte Forschungsanstrengungen unternommen werden. Moderne Phenomics-Strategien sind auf dieses Ziel ausgerichtet. Wir sollten die klimatischen Unterschiede zwischen Feld und Labor stets im Blick behalten. Die Menschheit wird sich neuen Herausforderungen der Landwirtschaft in Zukunft stellen müssen, wofür es essenziell ist, unser Verständnis der Physiologie der Pflanzen zu verbessern. Unsere Landwirtschaft muss nachhaltiger werden mit Hilfe von Pflanzen, die eine bessere Nutzung der verfügbaren Ressourcen erlauben. Environmental cues have a major impact on plant development. Only if a plant is well adapted to its environment it can reach theoretical potential and maximum yield. On the other hand when environment differs from the physiological range of a given species, it has to invest more resources to adapt. As the plant cannot move away from those suboptimal conditions, growth does not reach an optimal intensity which ultimately has an impact on biomass production and yield. World arable area per capita is decreasing and the resources mankind can afford to invest in agriculture are more and more limited: we are running out of phosphorus (Cordell et al. 2009) and water supply is limiting for most agricultural systems. Arable land per capita declined by more than 50% from 0.43 ha in 1962 to 0.21 ha in 2007 (FAO 2010). Often, arable land is nutrient-depleted and degraded – an increase in salt concentration is amplifying this problem. Increases in world meat consumption are also driving the need for more cereal grain production. Biofuel production is now competing for the same arable land as crops, putting more pressure on agricultural productivity. With the world population and its demands rapidly increasing there is a priority to rethink our agricultural practices. This is why another green revolution is required if we are to feed the world population in the next decades. To achieve such a revolution, a better, more integrated understanding of crop growth and yield responses to environment is required. Variations in growth dynamics in response to environmental conditions are not easy to measure. Both a detailed characterisation of the environmental conditions along with techniques able to grasp subtle changes in growth rate are required. Both spatial and temporal resolutions of these parameters are poor when studied with the naked eye, the technique commonly used by plant breeders. The greatest challenge here is to bridge the gap between the subtleties of the plant inner rhythm and our ability to monitor plant growth parameters and environmental variables. Nutrient availability, water, light and temperature are key players driving plant development. It is critical to understand what effects they have on different time scales. As they are the most energy costly inputs in agricultural practices, we need to assess potential yield variation related to either supply or reduction of those inputs. The ability to predict the upcoming climate and to know how plants will react is at the base of a sustainable agriculture, optimising the yield and limiting inputs (energy and chemicals) (Dodd et al. 2005). We have to optimise the way plants are utilising available resources and then provide them only what is really needed to utilise their full potential. Recent advances in non-invasive analysis techniques allow precise and continuous monitoring of changes in growth, identifying growth patterns that were otherwise concealed due to their low amplitude and timescale (Schmundt et al. 1998). Those non-invasive tools are powerful to improve our understanding of these dynamics and thus determine the ecophysiological rationale of those changes. The knowledge of the way plants grow and make use of available resources is progressing. Nevertheless several questions remain unsolved, especially those related to dynamic processes involved in the adaptation of plant activities to fluctuating environmental conditions and the integration of the two major environmental components affecting plant growth: soil and atmosphere. Plant response towards changes in environment isn’t only local. It is one aim of this study to focus on integrated aspects of plant responses (DeLucia et al. 1992). One case study of this response is observed after root cooling is applied and we analysed changes at whole plant scale for growth patterns, carbohydrate metabolism, transport of carbohydrates and water.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	08.12.2011
Dateien geändert am:	08.12.2011
Promotionsantrag am:	15.11.2010
Datum der Promotion:	20.12.2010