Dokument: Dynamik der Rhizosphäre höherer Pflanzen in der Wasserfluktuationszone des Yangtze: Wurzelexsudate und Stoffumsätze

Titel:	Dynamik der Rhizosphäre höherer Pflanzen in der Wasserfluktuationszone des Yangtze: Wurzelexsudate und Stoffumsätze
Weiterer Titel:	Rhizosphere dynamics of higher plants in the water fluctuation zone of Yangtze River: Root exudates and mass flow
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=18372
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20110704-142951-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schreiber, Christina [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 10,27 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.06.2011 / geändert 09.06.2011
Beitragende:	Dr. Rascher, Uwe [Gutachter] Prof. Dr. Weber, Andreas P. M. [Gutachter]
Stichwörter:	Wurzelexsudation, Optoden, nicht-invasiv, Flutungstoleranz, Anoxie
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Diese Doktorarbeit befasst sich mit der Dynamik in der Rhizosphäre dreier überflutungstoleranter Pflanzenarten (A. anomala Steud., A. philoxeroides Mart. and S. variegata Franch.) der Ufer des Drei-Schluchten-Reservoirs, VR China. Vorgänge zwischen Wurzeln und Substrat wurden während Flutungsperioden unterschiedlicher Dauer untersucht. Ziel dieser Arbeit war ein besseres Verständnis der Überlebensstrategien dieser flutungsresistenten Pflanzenarten. Dazu wurden die Reaktionen der Pflanzen auf Überflutung unter annähernd natürlichen und Laborbedingungen untersucht. Eine Rhizotronmethode, die die Beobachtung der Vorgänge in der Rhizosphäre hochaufgelöst ermöglicht, wurde angepasst und erweitert, um ihre Anwendung für vollständig überflutete Pflanzen zu ermöglichen. Sie ermöglichte die Beurteilung der Spezies im Hinblick auf ihre Überlebensfähigkeit und ihre Eignung zum Erosionsschutz an den Ufern des Drei-Schluchten-Stausees. Die naturnahen Überflutungsexperimente wurden in Pools im Freien an der Southwest China University Chongqing-Beibei durchgeführt. Die Pflanzen wurden in Rhizotrontöpfen in ihrem natürlichen Sedimentsubstrat staunass gestellt und für sechs Wochen geflutet. Die Töpfe ermöglichten sterile Beprobung der Bodenlösung mit Mikrosaugkerzen. Die Proben wurden mittels Kapillarelektrophorese auf niedermolekulargewichtige organische Säuren (im folgenden OS) analysiert. Das Vorkommen der OS war abhängig von den mikroklimatischen Bedingungen (hauptsächlich der photosynthetisch aktiven Strahlung, PAR). Fermentationsprodukte (Acetat, Lactat, Format) reicherten sich während der folgenden Flutungsphase nur langsam an, es fanden keine plötzlichen Reaktionen statt. Zusammensetzung und Menge von OS erreichte innerhalb einer Woche nach Ende der sechswöchigen Flutung annähernd den Status der nicht-gefluteten Kontrollsets. Ein Vergleich von in Sediment- und Glassubstrat gewachsenen Pflanzen während fünf Wochen Flutung bei 10°, 20° und 30°C zeigte signifikant höhere Vorkommen von OS im Sediment, wo Mikroorganismen (MO) mit den Wurzeln interagieren konnten. Im Glas wurden zusätzlich Oxalat, Malat und Citrat festgestellt, die im Sediment anscheinend zu schnell von MO verstoffwechselt werden, um in den Proben zu erscheinen. Im Sediment gab es einen signifikanten Temperatureffekt mit deutlich höheren OS-Mengen. Kein klarer Effekt wurde im Glassubstrat sichtbar, was temperaturabhängige MO-Prozesse als Hauptquelle im Sediment nahelegt. Die flutbare 'Dual-Access-Rhizobox' wurde vorgestellt, die einen räumlich und zeitlich hochauflösenden Einblick in die Rhizosphäre ermöglicht. Nichtinvasive pH- und Sauerstoffmessungen direkt an der Wurzeloberfläche und wenig invasive Bodenlösungsprobennahmen wurden in kurzen (jeweils 2 Tage Staunässe, Flutung, Staunässe) und mittellangen (jeweils 2 Wochen pro Phase) Überflutungsphasen in Glas und Sedimentsubstrat bei 10° und 20°C an den drei Spezies durchgeführt. Diurnale Rhythmen einer Ansäuerung der Rhizosphäre (>1 pH-Einheit, verglichen mit dem umgebenden Boden) konnten während des gesamten Experiments beobachtet werden. Sie waren während der Staunässephase stabil und schwächten sich während der Überflutung ab, ohne jedoch zu versiegen. Nach der Flutung kehrten diese Rhythmen innerhalb einer Woche zu der Intensität von Experimentsbeginn zurück. Alle drei Arten exsudierten Sauerstoff in ihre Rhizosphäre, auch während der Flutungsphase, was zeigt, dass die Photosynthese nicht völlig zum Erliegen kam. Junge, aktive Wurzelspitzen zeigten erhöhte Exsudation, was in-situ während des Wachstums beobachtet werden konnten. Das OS-Vorkommen war im natürlichen Sediment bei 20°C erhöht. Ein Vergleich mit nicht flutungsresistenten Arten (Zea mays L., Hordeum vulgare L.) zeigte bei identischer Behandlung erhöhte OS-Vorkommen während Staunässe und beginnender Flutung. Die anfangs vorhandenen diurnalen Rhythmen versiegten während der Flutungsphase, und die Pflanzen starben nach wenigen Tagen. Der Sauerstoffgehalt im Substrat, bei den resistenten Arten nie unter 30vol% Luftsättigung, war bei den nicht-resistenten Arten bereits nach zwei Tagen vollständiger Flutung nahe Null. Die resistenten Arten zeigen mehrere Überlebensstrategien. Der Stoffwechsel wurde während der Flutungsphase herabreguliert, was den Kohlenstoffverlust minimiert. Ethylenproduktion bei Flutungsbeginn verursachte rapides Sprosswachstum bei A. philoxeroides während der ersten 2-3 Tage. Während der Flutung neu gebildete Blätter hatten eine dünnere Cuticula für erleichterten Gaswechsel unter Wasser. S. variegata produzierte neue Adventivwurzeln über der Bodenoberfläche für einen besseren Austausch von potentiell schädlichen Stoffwechselprodukten. Alle drei Arten zeigen radialen Sauerstoffaustritt aus den Wurzeln während Staunässe und auch Flutung. Das stattfindende Wachstum, begleitet von diurnalen Rhythmen rhizosphärischer Ansäuerung, wird als Zeichen eines gesunden Wurzelsystems gedeutet. Es konnte daher gezeigt werden, dass das Wurzelsystem der drei toleranten Arten nach mittellangen Flutungsphasen noch funktionsfähig ist, die Pflanze stabilisiert und Wachstum ermöglicht. Außer A. philoxeroides, deren Wurzeln zu delikat sind, um guten mechanischen Halt zu bieten, werden die Arten als geeignet für eine Wiederbepflanzung der TGR-Ufer angesehen. Rhizosphere dynamics of three flooding-tolerant plant species (Arundinella anomala Steud., Alternanthera philoxeroides Mart. and Salix variegata Franch.), originating from Three Gorges Reservoir (TGR) area (P.R. China), were investigated for reactions at the root-soil interface during flooding periods. This work aims for a better understanding of survival strategies of flooding-resistant plants by observing flooding reactions under close-to-natural and laboratory conditions, adapting a method for high-resolved rhizosphere monitoring to simulate complete submergence. It assesses the ability of the chosen plant species to survive and serve as soil protectors on the banks of TGR. Flooding was simulated under close-to-natural conditions in open-air pools at Southwest China University Chongqing-Beibei, where plants were waterlogged and then submerged (6 weeks) in their original sediment substrate in pots with access for sterile soil solution sampling via microsuction cups. For comparison of plant and microorganism (MO) contribution in relation to temperature, sediment- and sterile glass bead substrate grown plants were sampled in laboratory during 5 weeks submergence at 10°, 20° and 30°C. Samples were analysed for low molecular weight organic acids (LMWOA) by Capillary Electrophoresis. The floodable dual-access rhizobox was introduced to gain a high resolution insight to the root-soil interface. It allows non-invasive pH- and oxygen monitoring directly at the root surface as well as simultaneous low-invasive soil solution sampling in high spatial and temporal resolution. The chosen species were treated in short-term (2 day waterlogging, submergence, waterlogging each) and mid-term (2 weeks per phase) in glass bead and sediment substrate at 10° and 20°C and compared to reactions of non-resistant species. Waterlogged plants showed a relation between microclimatic conditions (mostly PAR) and organic acid (OA) occurrence in soil solution. Fermentation products (acetate, lactate, formate) accumulated slowly during flooding. No bursts of exudation were observed. Patterns of OA almost reached the state of non-submerged control plant sets within one week after de-submergence. Significant higher fermentative OA appearance occurred in sediment where microorganisms (MO) could interact with roots. In glass, additionally oxalate, malate and citrate were detected, which are seemingly utilized too fast in sediment by MO to appear in samples. Temperature had a significant effect on OA amounts in sediment, which were highest at 30°C. No clear effect was found in glass, implying subjacent temperature dependent MO processes as main source in sediment. Diurnal rhythms of rhizospheric acidification (>1 pH unit amplitude) compared to bulk soil) were observed during rhizobox treatments, stable during waterlogging and receding, but not ceasing during flooding. With de-submergence these rhythms returned to pre-flood state. All three species exuded oxygen into their rhizosphere, even when submerged, showing that photosynthesis was not completely shut down. No OA exudation bursts as known from non-tolerant species were observed, yet sometimes increased exudation of young active root tips which could be observed in-situ during growth. OA content was highest in sediment at 20°C. Comparison to non-flooding resistant species (Zea mays L., Hordeum vulgare L.) in the same treatment (glass bead substrate) showed higher OA occurrence during waterlogging and onset of flooding. Diurnal rhythms ceased during flooding, and the plants died before end of submergence. Oxygen content, which never declined below 30vol% air saturation in the substrate of the tolerant species, was close to zero here after 2 days of complete submergence. The chosen flooding-resistant species implement several survival strategies. First, turnovers are down-regulated under submergence. No exudative bursts or strong accumulation of fermentation products was observed, minimizing carbon depletion. Initial ethylene production causes rapid shoot elongation, an avoidance strategy, in the first days of flooding in A. philoxeroides, followed by down-regulation and quiescence as in the other two. Newly built leaves bear weaker cuticles to facilitate easier gas exchange in water. S. variegata produces new adventive roots above soil surface for better exchange of potentially accumulating turnover products. All three tolerant species show radial oxygen loss during waterlogging and even flooding and all survive up to 6 months of submergence. Plant growth accompanied by consistent diurnal rhythms of rhizospheric acidification and oxygenation is considered evidence of good root health status. Therefore could be shown that, after mid-term flooding, the root systems of the three tolerant species are still functioning well, stabilizing the plant and securing growth. Except A. philoxeroides, whose roots are too delicate to provide strong mechanical hold, the species are considered well suited for re-vegetation on the TGR banks to mitigate soil runoff.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Sonstige Einrichtungen/Externe » Institute in Zusammenarbeit mit der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf » Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre, Institut III. Phytosphäre, Forschungszentrum Jülich GmbH
Dokument erstellt am:	04.07.2011
Dateien geändert am:	04.07.2011
Promotionsantrag am:	20.12.2010
Datum der Promotion:	02.05.2011