Dokument: Influence of different light qualities on leaf growth and biomass development of horticultural and model plants

Titel:	Influence of different light qualities on leaf growth and biomass development of horticultural and model plants
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=17155
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20110202-110333-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Tittmann, Susanne [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 3,11 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 31.01.2011 / geändert 31.01.2011
Beitragende:	Prof. Dr. Schurr, Ulrich [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Walter, Achim [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Zusammenfassung Licht stellt die Grundvoraussetzung allen Lebens insbesondere des pflanzlichen Lebens dar. Pflanzen sind sessile Organismen und den damit auf sie einwirkenden Umweltbedingungen ausgesetzt. Durch Veränderung auf molekularer bis hin zur morphologischen Ebene können sie sich an die schnell verändernden Bedingungen anpassen. Die vorliegende Dissertation ist Teil des Verbundprojektes “Innovative Gewächshäuser – Forschung für bessere Produktqualität und nachhaltige Nutzung”. Die Aufgabe bestand darin, die Einflüsse verschiedener Lichtqualitäten, insbesondere der UV-B Strahlung, auf das Wachstum verschiedener Pflanzenarten (Nutz- und Modellpflanzen) zu testen. Die Gewächshäuser wurden mit unterschiedlich stark UV-B durchlässigen Materialien eingedeckt. Als Kontrolle diente das in der Gartenbaupraxis am meisten genutzte Floatglas. Eine Teflonfolie mit hoher Transmission im UV-B Bereich (ca. 80%) stellte die „hoch UV-B-Variante“ dar. Lollo rosso-, Eichblattsalat-, Tomaten- sowie Tabakpflanzen wurden unter den verschiedenen UV-B Bedingungen im Gewächshaus angezogen und die Entwicklung der projizierten Blattfläche über einen artspezifisch, von der Morphologie abhängigen, Zeitraum mit Hilfe des GROWSCREEN Verfahrens (automatisierte digitale Bildaufnahme und Weiterverarbeitung) ermittelt. Als Reaktion auf erhöhte UV-B Strahlung konnte eine signifikante Reduzierung der Blattfläche sowie der Biomasse für die Salat- und Tomatenpflanzen festgestellt werden, währenddessen Tabakpflanzen keine solch eindeutige Reaktion im Wachstum auf erhöhte UV-B Strahlung zeigten. Unter zu Hilfenahme anderer Methoden, wie der Chlorophyllfluoreszenz, konnten eine erhöhte effektive Quantenausbeute und signifikant angestiegenes nicht photochemisches quenching als Reaktionen auf UV-B Strahlung festgestellt werden. An der kontinuierlichen nicht-invasiven Messung von Biomasse besteht bis heute großes Interesse. In technischer Hinsicht stellte die Entwicklung und Etablierung eines Mikrowellenresonators ein zentrales Thema dieser Arbeit dar. Mit dieser Methode ist es möglich, den Wassergehalt von oberirdischen Pflanzenbestandteilen auch über einen längeren Zeitraum nicht-invasiv zu messen. Mit Hilfe von Kalibrierungen konnte ein Zusammenhang zwischen gemessener Änderung im elektromagnetischen Feld und dem Wassergehalt des Pflanzenmaterials hergestellt werden. Die artspezifischen Unterschiede in Biomasse und Blattfläche unter Gewächshausbedingungen, sowie die Variabilität der abiotischen Umwelteinflüsse im Gewächshaus, erforderten Experimente unter konstanten Umweltbedingungen. In den Expositionskammern des Helmholtz Zentrums München war es möglich, ein annähernd naturnahes Verhältnis zwischen UV-B und photosynthetisch aktiver Strahlung (PAR) herzustellen. An Tabak- und Tomatenpflanzen wurde unter Kontrollbedingungen und erhöhter UV-B Strahlung kontinuierlich die Biomasse mit Hilfe des oben erwähnten Mikrowellenresonators bestimmt. Es zeigte sich eine deutliche Reduzierung des Frischgewichts für Tomatenpflanzen unter erhöhter UV-B Strahlung, die im Laufe des Experimentes stärker ausgeprägt wurde. Im Wachstum von Tabakpflanzen zeigte sich zunächst jedoch kein Effekt in Reaktion auf UV-B Strahlung. Erst eine länger andauernde Exposition unter erhöhter UV-B Strahlung führte zu einem Anstieg in der Biomasse. Es zeigt sich hier ganz deutlich eine artspezifische Reaktion auf UV-B. Der tägliche Wasserverlust von ca. 40% bei Tabak und hingegen nur ca. 10% bei Tomatenpflanzen stellt vermutlich einen größeren Stressor für Tabakpflanzen als die UV-B Strahlung dar. Es ist sehr gut vorstellbar, die neuentwickelte nicht-invasive Methode für Phänotypisierungen mit einem hohen Durchsatz unter verschiedensten Bedingungen, sei es Trockenstress, Untersuchungen zu Herbivor-Pflanzen Interaktionen oder Wachstum bei Pathogenbefall einzusetzen. In einem gemeinsamen Projekt mit der Universität Bonn wurden Eichblattsalatpflanzen unter den bereits beschriebenen UV-B Bedingungen im Gewächshaus angezogen und das Wachstumsverhalten sowie sekundäre Inhaltsstoffe untersucht. Eine Reduzierung des Wachstums konnte nur im April für Pflanzen unter erhöhter UV-B Behandlung gefunden werden. Im jahreszeitlichen Verlauf konnte kein signifikanter Unterschied bezüglich der Blattfläche gefunden werden. Pflanzen, die bereits als Keimling bzw. später als Setzling UV-B Strahlung ausgesetzt waren, zeigten eine stärkere Bildung von Flavonoiden insbesondere Quercetin und Cyanidin. Bei einem Transferversuch ins Freiland konnte jedoch gezeigt werden, dass sich diese Unterschiede bereits sechs Tage nach dem Auspflanzen nivellierten. Für die Praxis können diese hoch UV-B durchlässigen Materialien trotz allem die Zeit der Akklimatisierung vor dem Auspflanzen u.a. aufgrund der verstärkt ausgebildeten sekundären Inhaltsstoffe verkürzen. Das antioxidative Potential in den Salatpflanzen erhöht sich damit und hat somit einen fördernden Einfluss auf die menschliche Gesundheit. Summary Light is essential for life in particular for the life of plants and they in turn are substantial for the thriving life on Earth. Plants are sessile organisms and have to respond to a wide range of environmental factors. Their ability to adapt to a rapidly changing environment by changing their molecular and even morphological levels ensures the survival under these conditions. The presented dissertation is part of the joint research project “Innovative greenhouses – Research for improved product quality and sustainable use”. Main aim of this thesis was to investigate the influence of light quality, especially increased UV-B radiation levels, on growth of different plant species (horticultural and model plants). Greenhouses were covered with materials showing different levels of transmittance in the UV-B spectrum band: teflon foil showed UV-B transmission rates of approximately 86%, rendering it an ideal cladding material for the high UV-B treatment. Floatglass, commonly used in horticultural practice and almost intransparent for UV-B, represented the control cladding material for low UV-B treatments. Lettuce, red oak leaf lettuce, tomato and tobacco seedlings were grown under different UV-B treatments in the above described greenhouses. The GROWSCREEN phenotyping platform was used to determine the development of projected leaf area during a species dependent adequate time interval, which also depends on the morphology of the investigated plant species. Under increased UV-B radiation salad and tomato seedlings´ projected leaf area was significantly reduced. In contrast, tobacco plants showed no distinct growth reaction to increased levels of UV-B under greenhouse conditions. Yet, other differences such as increases in quantum efficiency of chlorophyll fluorescence and in non-photochemical quenching could be detected for tobacco as well. The non-invasive determination of plant biomass is still today in the focus of researchers. In technical respect the development and establishment of a microwave resonator was a central aim of this work. This method allows continuously determining the water content of plant shoot biomass over a longer period. Via calibration measurements, a correlation between measured changes in the electromagnetic field and plant water content was found. The species-specific differences in biomass as well as the variability of the abiotic environmental influences within the greenhouse required experiments under constant conditions. At the exposure chambers of the Helmholtz Zentrum Munich it was possible to achieve a near-natural relation between UV-B and photosynthetic active radiation (PAR). Experiments were conducted under constant environmental conditions. Tobacco and tomato plants were objects of continuous investigation of biomass in response to enhanced UV-B radiation via the above mentioned microwave resonator. After an acclimation period to the conditions in the resonator, tomato plants showed a distinctly reduced biomass under enhanced UV-B. The differences increased during the measurement period. In contrast to these findings tobacco plants need a much longer exposure to induce an increase in biomass in response to enhanced UV-B radiation. A species-specific reaction in response to UV-B was found. Tobacco plants showed a high diurnal water loss of roughly 40% each day during this experiment, while tomatoes lost only 10% of their fresh weight. It is likely that the water balance in tobacco plants played a greater role than the application of enhanced UV-B radiation. It is quite obvious to use this newly developed non-invasive instrument for phenotyping at high throughput under varying conditions such as drought stress, investigation of herbivore-plant interactions or growth patterns during pathogen attack. In a joint project with University of Bonn, growth patterns as well as the secondary components of lettuce plants, grown under the above mentioned greenhouse conditions, were investigated. A reduced growth in response to enhanced UV-B was found in April, whereas during the season no differences in leaf area development could be determined. Plants grown under high UV-B treatment showed increased accumulation of flavonoids such as cyanidine and quercetin. After transplantation to field conditions the observed differences in the greenhouses were already negligible after six days. However, the high UV-B transmitting cladding materials can provide a benefit for the acclimation of vegetable crop plants due to shortening of the acclimation period prior to transplantation to the field. Moreover, the secondary compounds increase the antioxidative potential of these vegetable crops, and this in turn has a benefit for human health.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	02.02.2011
Dateien geändert am:	02.02.2011
Promotionsantrag am:	30.09.2010
Datum der Promotion:	20.12.2010