Dokument: Photosynthesis in the Light of Climate Change - Effects of Changes in the Seasonal Transitions on the Evergreen Conifer Pinus banksiana

Titel:	Photosynthesis in the Light of Climate Change - Effects of Changes in the Seasonal Transitions on the Evergreen Conifer Pinus banksiana
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=10767
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20090325-105738-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Busch, Florian [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,28 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 24.03.2009 / geändert 24.03.2009
Beitragende:	Prof. Dr. Schurr, Ulrich [Gutachter] Prof. Dr. Westhoff, Peter [Gutachter] Prof. Dr. Hüner, Norman [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	In this PhD project different photosynthetic processes in the evergreen Pinus banksiana, an important conifer of the boreal forest, were assessed during the two seasonal transition periods, autumn and spring. In the experiments growth conditions under the influence of climate change were simulated. The objective of this project was to characterize physiological processes that contribute to photosynthetic adjustments and changes of boreal evergreens under future climate conditions and influence the productivity and carbon cycling of these forests. The effect of elevated autumn air temperatures on photosynthetic capacity and energy quenching as well as the physiological mechanisms behind the plant response were investigated to evaluate how these plants will response to anticipated climate change conditions. The two main environmental signals determining the length of the growing season are photoperiod and temperature. Climate change is likely to affect temperature, but not photoperiod, which might affect the seasonal development of these trees. Using a factorial design, the effects of photoperiod and temperature on the downregulation of photosynthetic gas exchange and the underlying mechanisms were dissected. In controlled environments control plants were grown in either warm summer conditions with 16 h photoperiod and 22°C or conditions representing a cool autumn with 8 h photoperiod and 7°C. To assess the impact of temperature and photoperiod on photosynthesis and energy dissipation, one set of plants was grown at 8 h photoperiod and 22°C, representing warm autumn conditions, and another one at 16 h photoperiod and 7°C, representing cold summer conditions. An increase in air temperature during experimental autumn conditions did not result in an increased carbon uptake by P. banksiana seedlings. Instead, a decrease of the photosynthetic capacity and increased rates of respiration under these conditions were observed. This was attributed, at least in part, to an impairment of electron transport between Cyt b6f and photosystem I. Whereas in the summer control treatment dissipation of excess energy was facilitated via zeaxanthin, dissipation in the other three treatments was predominantly dependent on aggregation of the light-harvesting-complex II and its dissociation from the photosystem II core. Leaf reflectance spectral measurements are used in remote sensing to evaluate the physiological state of plants from leaf to ecosystem level. However, the correlation between reflectance and photosynthetic parameters might be poor under conditions where plants are cold acclimated. The recovery of photosynthesis in spring was followed in order to dissect the effect of temperature and light intensity on reflectance and photosynthetic parameters. The recovery of photosynthesis and the electron transport rate in particular was strongly temperature dependent. In contrast, the recovery of the photochemical reflectance index (PRI), estimating the amount of zeaxanthin present and used as a proxy for light use efficiency (LUE), was only dependent on light intensity. As a result, care has to be taken in order to predict LUE from PRI alone, in particular during the winter to spring transition, when the xanthophyll cycle is not yet fully active. This work underlines the importance of understanding the different quenching mechanisms under different environmental conditions. The presented work aims to provide a better understanding on how photosynthesis is affected by climate change. It shows that it is not sufficient to look at individual factors, but that it is necessary to consider their interactive effects. The knowledge of how plants respond to changed environmental conditions is indispensable in order to accurately model the carbon balance of the world’s ecosystems. An increased understanding of the physiological processes involved is necessary to move from a purely descriptive to a robust quantitative characterization of the annual global carbon cycle. In dieser Arbeit wurden verschiedene Photosyntheseprozesse in Pinus banksiana, einer wichtigen, immergrünen Kiefernart des borealen Nadelwaldes, während der zwei saisonalen Übergangsperioden im Herbst und Frühling untersucht. In den Experimenten wurden Wachstumsbedingungen unter dem Einfluss des Klimawandels simuliert. Ziel dieser Arbeit war es, die physiologischen Prozesse zu charakterisieren, die unter den künftigen Klimabedingungen zu Anpassungen und Veränderungen der Photosynthese borealer Nadelbäume beitragen und die Einfluss auf die Produktivität und den Kohlenstoffwechsel dieser Wälder haben werden. Es wurde der Effekt von erhöhter Lufttemperatur im Herbst auf die Photosynthesekapazität und Energieverteilung, sowie die zugrunde liegenden physiologischen Mechanismen untersucht, um abzuschätzen, wie diese Pflanzen auf Klimaveränderungen reagieren werden. Tageslänge und Temperatur sind die zwei Signale, die hauptsächlich die Länge der Wachstumsperiode bestimmen. Die vorhergesagten Klimaveränderungen beeinflussen zwar die Temperatur, aber nicht die Tageslänge, was Auswirkungen auf die saisonale Entwicklung der Bäume haben könnte. Der Effekte von Temperatur und Tageslänge auf die Reduzierung des photosynthetischen Gaswechsels sowie der zugrunde liegenden physiologischen Mechanismen wurden durch ein faktorielles Experiment aufgegliedert. Kontrollpflanzen wurden in Klimakammern entweder warmen Sommerbedingungen mit 16 h Tageslänge und einer Lufttemperatur von 22°C, oder unter Bedingungen, die kühlen Herbstbedingungen entsprechen (8 h Tageslänge und 7°C), ausgesetzt. Um die Bedeutung von Temperatur und Tageslänge auf die Photosynthese und den Abbau von Anregungsenergie abzuschätzen, wurde ein Satz Pflanzen 8 h Tageslänge und 22°C ausgesetzt, was warmen Herbstbedingungen entspricht, sowie ein Satz bei 16 h Tageslänge und 7°C, entsprechend einem kühlen Sommer. Eine experimentelle Erhöhung der Lufttemperatur im Herbst führte nicht zu einer Erhöhung der Kohlenstoffaufnahmen durch P. banksiana Setzlinge. Stattdessen wurde eine Erniedrigung der Photosynthesekapazität und eine erhöhte Respirationsrate im Vergleich mit kühlen Herbstbedingungen beobachtet. Dies wurde zumindest zum Teil einer Beeinträchtigung des Elektronentransports zwischen Cytochrom b6f und dem Photosystem I zugeordnet. Während unter Sommerbedingungen der Abbau von überschüssiger Anregungsenergie durch Zeaxanthin vermittelt wurde, hing der Abbau in den anderen drei Bedingungen vor allem von der Aggregation des light-harvesting-Komplexes und dessen Dissoziierung vom Kern des Photosystem II ab. Spektralmessungen der Reflektion von Pflanzen wird in der Fernerkundung dazu verwendet, von Blatt- zu Ökosystemebene den physiologischen Status von Pflanzen abzuschätzen. Allerdings ist nicht klar, ob die Reflektions- und Photosytheseparameter unter kälteakklimatisierten Bedingungen gut miteinander korrelieren. Die Erholung der Photosynthese im Frühjahr wurde beobachtet, um die Effekte von Temperatur und Lichtintensität auf Photosyntheseparameter aufzugliedern. Die Erholung von Photosynthese und speziell der Elektronentransportrate war stark temperaturabhängig. Im Gegensatz dazu war die Erholung des photochemical reflectance index (PRI), der die Menge an vorhandenem Zeaxanthin abschätzt und als Indikator der Lichtnutzungseffizienz (light use efficiency; LUE) benutzt wird, ausschließlich lichtabhängig. Daraus folgt, dass man sehr vorsichtig beim Ableiten der LUE von PRI sein muss, besonders im Frühjahr, wenn der Xanthophyll Zyklus noch nicht vollständig aktiv ist. Diese Arbeit zeigt, wie wichtig es ist, die verschiedenen Mechanismen zum Abbau von Anregungsenergie zu kennen, die unter verschiedenen Umwelteinflüssen aktiv sind. Die vorgelegte Arbeit zielt darauf ab, zu einem besseren Verständnis beizutragen, wie Photosynthese von Klimaveränderungen beeinflusst wird. Es wird aufgezeigt, dass eine Betrachtung einzelner Faktoren nicht ausreicht, sondern dass es notwendig ist, ihre Wechselwirkungen zu untersuchen. Das Wissen, wie Pflanzen auf geänderte Umweltbedingungen reagieren, ist unentbehrlich, um den weltweiten Kohlenstoffkreislauf korrekt zu modellieren. Hierzu ist ein besseres Verständnis der beteiligten physiologischen Prozesse notwendig, um von einer rein beschreibenden zu einer verlässlichen quantitativen Charakterisierung des globalen Kohlenstoffkreislaufs überzugehen.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Ökologische Pflanzenphysiologie
Dokument erstellt am:	25.03.2009
Dateien geändert am:	24.03.2009
Promotionsantrag am:	25.04.2008
Datum der Promotion:	19.06.2008