Dokument: Der Einfluss räumlich heterogener Bodentemperaturen auf die Pflanzenstruktur und -funktion

Titel:	Der Einfluss räumlich heterogener Bodentemperaturen auf die Pflanzenstruktur und -funktion
Weiterer Titel:	The influence of spatially heterogeneous soil temperatures on plant structure and function
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=6417
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20071203-100518-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Füllner, Kerstin [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 2,11 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 28.11.2007 / geändert 28.11.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Schurr, Ulrich [Gutachter] Prof. Dr. Lösch, Rainer [Gutachter]
Stichwörter:	soil temperature, barley, nitrogen, root morphology
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Unter natürlichen Bedingungen liegen stets vertikale Temperaturgradienten im Boden vor. Ihr Einfluss auf die Pflanzenstruktur und -funktion ist jedoch nur wenig erforscht und ihre Existenz wurde in Experimenten mit intakten Pflanzen bisher weitestgehend vernachlässigt. Daher wurde in dieser Arbeit erstmals untersucht, ob sich ein vertikaler Temperaturgradient im Boden anders auf das Pflanzenwachstum und die -entwicklung auswirkt als homogene Bodentemperaturen, die üblicherweise in der Literatur betrachtet werden. Des Weiteren wurde analysiert, inwiefern funktionelle und/oder strukturelle Eigenschaften der Pflanzen für die möglicherweise auftretenden Effekte verantwortlich sind. Daten von Gerste-Pflanzen (Hordeum vulgare, Var. Barke), die bei einem vertikalen Wurzeltemperaturgradienten (WTG) von 20-10°C von oben nach unten im Pflanzentopf gewachsen sind, wurden mit Daten von Gerste verglichen, die bei homogenen Wurzeltemperaturen (WT) von 10°C, 15°C bzw. 20°C gewachsen ist. Bei dem WTG entwickelten sich die Pflanzen schneller und bildeten mehr Biomasse aus als Pflanzen, die bei homogenen Wurzeltemperaturen wuchsen. Die Wurzeln konzentrierten sich in den obersten 10 cm des Pflanzentopfes und das Wurzelsystem wurde von einem relativ großen Anteil dicker Wurzeln gebildet (≥ 1.0 mm Durchmesser). In dieser Hinsicht ähnelte das Wurzelsystem der Pflanzen bei 20-10°C WTG dem der Pflanzen bei 15°C WT. Allerdings fand sich, im Gegensatz zu 15°C WT, bei 20-10°C WTG der höchste Anteil an der Gesamtwurzellänge nicht in 0-5 cm sondern in 5-10 cm Tiefe, obwohl bei beiden Temperaturen die Wurzelmasse in 5-10 cm Tiefe geringer war als in 0-5 cm. Dies konnte auf Unterschiede zwischen den Anteilen der einzelnen Wurzeldurchmesser in den jeweiligen Substrattiefen zurückgeführt werden. Außerdem zeigte die Untersuchung des N-Metabolismus, dass die Konzentration der meisten freien Aminosäuren im Spross höher und ein Unterschied in der Proteinkonzentration in Wurzeln erkennbar war, wenn man Pflanzen bei 20-10°C WTG und bei 15°C WT miteinander verglich. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Pflanzestruktur und -funktion von einem vertikaler Temperaturgradient im Wurzelraum anders beeinflusst wird, als von der, dem Mittelwert des Gradienten entsprechenden, homogenen Wurzeltemperatur. Die Untersuchung der Nährstoffaufnahme und -translokation mit Hilfe stabiler Isotope (15N, 25Mg) zeigte keine signifikanten Unterschiede zwischen 20-10°C WTG und 15°C WT. Insgesamt bleibt jedoch festzuhalten, dass bei aktiven Nährstoffaufnahmeprozessen direkte Wurzeltemperatureffekte, z.B. eine geringere N Aufnahme bei 10°C WT im Vergleich zu höheren Temperaturen, durch Anpassung der Pflanzenstruktur an die entsprechenden Wurzeltemperaturen überlagert wurden. Dies unterstreicht die Bedeutung struktureller Merkmale (z.B. Biomassen-Allokation zum Spross, Wurzeldurchmesseranteile) für die Nährstoffnachfrage und –versorgung. Bei passiver Nährstoffaufnahme (z.B. Mg) blieben die direkten Temperatureffekte hingegen erkennbar. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass das schnellere Wachstum der Pflanzen bei vertikalem Temperaturgradienten im Boden auf eine Kombination von strukturellen und funktionellen Komponenten, die die Effizienz von Nährstoffaufnahme, -translokation und -gebrauch steigern, zurückzuführen ist. Außerdem konnte gezeigt werden, dass Temperatureffekte auf die Pflanzenstruktur je nach Alter und Entwicklungsstadium der Pflanze unterschiedlich ausgeprägt sind. Daher handelt es sich bei den in dieser Arbeit gezeigten Effekten um eine Momentaufnahme der Pflanzenreaktion auf die Wurzeltemperatur. In nature, vertical gradients in soil temperature are ubiquitous, but research on the influence of spatially heterogeneous soil temperatures on plant structure and function is scarce. Most experiments with plants even ignore the gradient in soil temperature found under natural conditions. For this reason, in this study it was examined for the first time, whether a vertical gradient in soil temperature influences plant growth and development in a different way than uniform root temperatures usually examined in the literature. Furthermore, it was analyzed whether functional and/or structural traits of the plant might be responsible for these potential effects. Data of barley plants (Hordeum vulgare cv. Barke) grown at a vertical root temperature gradient (RTG) of 20-10°C from the top to the bottom of a plant pot were compared with data obtained for barley plants grown at uniform root temperatures (RT) of 10°C, 15°C and 20°C, respectively. Plants grown at the RTG developed faster and produced more biomass compared to plants grown at uniform root temperatures. The root system was characterized by shallow rooting with most roots present in 0-10 cm depth and a quite high fraction of thick roots (≥ 1.0 mm in diameter) in the entire root system. In this way, the root system of plants grown at the RTG was similar to plants grown at 15°C RT. However in contrast to 15°C RT, plants grown at 20-10°C RTG did not reach highest fraction of total root length in 0-5 cm but in 5-10 cm depth, although less root dry weight was present in 5-10 cm compared to 0-5 cm depth at both temperature treatments. This was explained by differences in fractions of individual root diameters within the respective depths. Additionally, experiments on N metabolism in plants revealed higher concentrations of most free amino acids in shoots at 20-10°C RTG and varying protein concentrations in roots between plants grown at RTG and 15°C uniform root temperature. Therefore, it was demonstrated that a vertical gradient in root temperature influences plant structure and function in a different way than the respective uniform root temperature representing the average temperature of this gradient. No significant differences between 20-10°C RTG and 15°C RT occurred, when nutrient uptake and translocation were analyzed with stable isotopes as tracers (15N, 25Mg). However, in general it has to be stated that at active nutrient uptake processes direct root temperature effects, e.g. lower N uptake at 10°C RT compared to higher root temperatures were overridden by the adaptation of plant structure to the respective root temperature. This underlines the importance of structural traits (e.g. biomass allocation to the shoot, fractions of individual root diameters) to nutrient demand and supply. In contrast, direct temperature effects remained detectable at passive uptake processes (e.g. Mg). Therefore, it was hypothesized, that plants grown at a vertical root temperature gradient grow faster compared to plants at uniform root temperatures due to a combination of structural and functional components making nutrient uptake, translocation and use more effective. Furthermore, it was shown, that root temperature effects on plant structure change in amplitude with plant age and development stage. Consequently, effects found in this study represent a snapshot of plant responses to root temperature.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Sonstige Einrichtungen/Externe
Dokument erstellt am:	28.11.2007
Dateien geändert am:	28.11.2007
Promotionsantrag am:	22.05.2007
Datum der Promotion:	14.11.2007