Dokument: Temporal and Spatial Patterns of Growth and Photosynthesis in Leaves of Dicotyledonous Plants Under Long-Term CO2- and O3-Exposure

Titel:	Temporal and Spatial Patterns of Growth and Photosynthesis in Leaves of Dicotyledonous Plants Under Long-Term CO2- and O3-Exposure
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=3208
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20050913-001208-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Christ, Maja Mareike [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 6,72 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Schurr, Ulrich [Gutachter] PD Dr. Gansert, Dirk [Gutachter]
Stichwörter:	Wachstum, Photosynthese, Tagesgang, CO2, Ozon, Digitale Bildfolgenanalyse, Pappel, Soja, Biosphere 2 Center, SoyFACEgrowth, photosynthesis, diel course, co2, ozone, digital imaging, poplar, soybean, biosphere 2 center, SoyFACE
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik)
Beschreibungen:	Ziel dieser Arbeit war es, raum-zeitliche Effekte unter erhöhtem [CO2] und [O3] auf Blattwachstum und Photosynthese dikotyler Pflanzen zu untersuchen. Hoch auflösende raum-zeitliche Blattwachstumsmuster wurden dabei mit einer digitalen Bildverarbeitungsmethode (Digital Image Sequence Processing, DISP) ermittelt. Zunächst wurde die Auflösung und Genauigkeit dieser DISP-Methode bestimmt. Zeitliche Wachtumskurven können mit mindestens 1-h-Mittelwerten dargestellt werden, während Heterogenitätsbestimmungen, die eine hohe räumliche Auflösung benötigen, anhand von 24-h-Mittelwerten durchgeführt werden können. Effekte von erhöhtem [CO2] wurden am Biosphere 2 Center in Arizona, USA, an Populus deltoides untersucht. Nach vier Jahren in erhöhtem [CO2] (800 und 1200 ppm) zeigte Populus deltoides keine Akklimatisierungserscheinungen. In 1200 ppm war die Netto-CO2-Austauschrate in wachsenden Blättern um einen Faktor 2–3 stimuliert, verbunden mit einer reduzierten stomatären Leitfähigkeit und Transpirationsrate, was wiederum zu einer erhöhten Wassernutzungseffizienz (water use efficiency, WUE) um einen Faktor 2 führte. Die Dunkelatmung war in wachsenden Blättern um einen Faktor 1.5 vergrößert. Überschüssige Assimilate wurden jedoch nicht vollständig in Blattwachstum umgesetzt. Die Entwicklung war zwar beschleunigt, dennoch war die Endblattfläche nur um einen Faktor 1.2 erhöht. Dies führte zu einer Akkumulation von Stärke in den Blättern. Im Vergleich zu ambientem [CO2] war die relative Blattwachstumsrate (RGR), die einen deutlichen Tagesgang zeigte, in erhöhtem [CO2] am Nachmittag leicht reduziert, verbunden mit einer reduzierten Konzentration an Glucose, dem Hauptsubstrat für Wachstum. Diese Ergebnisse deuten auf eine wichtige Rolle von Glucose bei der Kontrolle der Wachstumsregulierung in erhöhtem [CO2] hin. Des Weiteren führte erhöhtes [CO2] zu einer gesteigerten Heterogenität der räumlichen Blattwachstumsmuster, die u.a. auf die veränderte stomatäre Leitfähigkeit zurückzuführen ist, da eine veränderte Transpiration einen Einfluss auf den Turgor und somit Wachstumsprozesse haben kann. Die erhöhte Heterogenität des Blattwachstums war verbunden mit einer erhöhten Heterogenität in der Kohlenhydratverteilung im Blatt, was ein weiteres Indiz für die Rolle von Kohlenhydraten in Wachstumsprozessen ist. Experimente zu Effekten von erhöhtem Ozon ([O3]) wurden am SoyFACE in Illinois, USA, an Glycine max durchgeführt. Eine Erhöhung der Ozonkonzentration im Freiland um 20 % führte bei Glycine max zur Zeit der Hülsenbildung zu einer verminderten Netto-CO2-Austauschrate von bis zu 30 %, verbunden mit einer reduzierten stomatären Leitfähigkeit. Die Effekte waren in wachsenden Blättern vergleichbar mit denen in ausgewachsenen. Das Blattwachstum war leicht reduziert, während der Ernteertrag nicht verändert war. Zurückzuführen sind diese Ergebnisse wahrscheinlich auf eine Verschiebung der Assimilate von generativem zu reproduktivem Wachstum, da am Ende der Wachstumsperiode lösliche Kohlenhydratgehalte in wachsenden Blättern reduziert waren. Stärke dagegen akkumulierte in ausgewachsenen Blättern, was auf einen veränderten Zuckertransport in erhöhtem [O3] schließen läßt. In der Klimakammer konnte gezeigt werden, dass ein leichter Ozonstress (70 ppb, 6 h täglich) eine erhöhte Heterogenität des Blattwachstums hervorrufen kann. Es ist anzunehmen, dass Ozon, das durch die Stomata in das Blatt eindringt, lokale Schäden verursacht, die wiederum die Wachstumsprozesse beeinträchtigt haben. Des Weiteren kann auch hier die veränderte stomatäre Leitfähigkeit einen Einfluss haben. Experimente an Stecklingen von Populus deltoides zeigten, dass fluktuierende Umweltbedingungen sowohl die Heterogenität der räumlichen Blattwachstumsmuster erhöhen, als auch den Tagesgang leicht verändern können, nicht aber die Phase verschieben. Für Pappeln konnte des Weiteren gezeigt werden, dass sich Wachstum und Photosynthese in Adern und ader-umgebendem Gewebe schneller entwickelt als im Intercostalfeld. The aim of this Ph.D. thesis was to investigate spatio-temporal effects of elevated [CO2] and [O3] on leaf growth and photosynthesis in dicotyledonous plants. High-resolution spatio-temporal patterns of leaf growth were measured with a digital image sequence processing method (DISP). For further analysis with the DISP method, the accuracy and resolution was estimated. The results led to the conclusion that temporal courses of leaf RGR could be analyzed with a resolution of at least 1-h-means, while 24-h-means could be used for heterogeneity determination, that requires a high spatial resolution. Effects of elevated [CO2] were investigated on Populus deltoides trees at Biosphere 2 Center, AZ, USA. After four years in elevated [CO2] (800 and 1200 ppm), Populus deltoides did not show acclimation. In 1200 ppm, net CO2 exchange rate was stimulated by a factor of 2–3 in growing leaves, accompanied by reduced stomatal conductance and transpiration rate, resulting in increased water use efficiency (WUE) by a factor of 2. Dark respiration was increased by a factor of ca. 1.5 in growing leaves. In high light, photosynthesis did not become CO2-limited in elevated [CO2]. Excess photosynthate was not completely used for leaf growth, which was accelerated but finally stimulated only by a factor of 1.2, resulting in an accumulation of starch in elevated [CO2]. Relative leaf growth rate (RGR), which showed a clear diel rhythm, was reduced in the afternoon compared to ambient [CO2], accompanied with a reduced concentration of glucose, the main carbohydrate for growth processes. Results indicate that glucose availability plays an important role in the control of decelerating growth stimulation in elevated [CO2]. Furthermore, elevated [CO2] increased heterogeneity of leaf RGR, presumably caused by reduced stomatal conductance, as an altered transpiration rate affects turgor and as such, growth. Increased patchiness of growth was accompanied by increased spatial heterogeneity of carbohydrate distribution, which is a further indication for the role of carbohydrates in growth processes. Experiments on the effects of elevated ozone ([O3]) were performed on Glycine max at SoyFACE, IL, USA. Season-long elevation of [O3] by 20 % above ambient concentration in the field led to a decreased leaf net CO2 exchange rate of Glycine max of up to 30 % at the time of pod-fill, accompanied by a reduction of stomatal conductance. Effects were similar in growing and mature leaves, and leaf growth was slightly reduced, while yield remained unchanged. This might be explained by a shift of assimilates from vegetative to reproductive growth, as soluble carbohydrates were reduced in growing leaves by the end of the growing season. In mature leaves, however, starch accumulated, indicating altered sugar transport in elevated [CO2]. In the growth chamber it could be shown that mild ozone stress (70 ppb, 6 h daily) increased the heterogeneity of leaf growth, which could have been caused by local damage of O3, which entered the leaf through the stomata and likewise by the altered stomatal conductance. Experiments on cuttings of Populus deltoides showed that fluctuating environmental conditions increased spatial heterogeneity of leaf growth, and could alter the diel course of the leaf RGR, but did not change phasing completely. For Populus deltoides, it could further be shown by growth and photosynthesis measurements, that veinal and vein-surrounding tissue develops faster than interveinal tissue.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Sonstige Einrichtungen/Externe
Dokument erstellt am:	13.09.2005
Dateien geändert am:	12.02.2007
Promotionsantrag am:	22.06.2005
Datum der Promotion:	22.06.2005