Dokument: Plant growth dynamics in relation to soil moisture, oxygen concentration and pH-value

Titel:	Plant growth dynamics in relation to soil moisture, oxygen concentration and pH-value
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=9543
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20081103-145504-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dipl.-Biol. Bloßfeld, Stephan [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 3,95 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 03.11.2008 / geändert 03.11.2008
Beitragende:	Prof. Dr. Lösch, Rainer [Gutachter] Prof. Dr. Schurr, Ulrich [Gutachter]
Stichwörter:	wetland plants, oxygen deficit, hypoxia, anoxia, acidification, basification, non-invasive 2D imaging, hybrid-optodes, optodes, Juncus
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Es ist bekannt, dass die Bildung von spross- und wurzelinternen Aerenchymen essentiell für das pflanzliche Wachstum in Feuchtgebieten ist. Diese pflanzeninternen Hohlraumsysteme gewährleisten eine kontinuierliche Sauerstoffversorgung der im sauerstoffarmen und reduzierenden Boden wachsenden Wurzeln, die diesen zugeführten Sauerstoff in das umliegende perirhizale Milieu (Rhizosphäre) abgeben können. Desweiteren können Pflanzenwurzeln pH relevante Verbindungen und Moleküle (z.B. organische Säuren) zur Optimierung der Nährstoffversorgung ausscheiden. Beide Prozesse beeinflussen entscheidend die Biogeochemie und das mikrobielle Netzwerk der Böden in Feuchtgebieten, welche wiederum relevant für die Produktion von Treibhausgasen, z.B. Methan (CH4) und Lachgas (N2O), sind. Diese Beziehungen wurden anhand von drei Sippen, welche anatomische Differenzierungen in den sprossinternen Aerenchymen aufweisen untersucht: Juncus effusus L., J. inflexus L. und J. articulatus L. Hierzu wurde eine neue optische Methode zur nicht-invasiven, quantitativen Visualisierung von räumlichen und zeitlichen Sauerstoff- und pH-veränderungen entwickelt. Dieses Verfahren ermöglichte die Messung von Langzeitprozessen der mosaikartigen Sauerstoff- und pH-dynamik in der Schnittstelle zwischen Wurzel und Boden, ohne die biologischen und physiko-chemischen Bedingungen zu beeinflussen. Dazu wurden die ausgewählten Arten in dauerhaft gefluteten Rhizotronen kultiviert und analysiert. Die neuartig konzipierten Rhizotrone erlaubten ein freies Wurzelwachstum in unterschiedlich manipulierte Bodenkompartimente. Jedes Kompartiment war mit einem Rasteranschluss ausgestattet, der mit bis zu 1156 Mikrosaugkapillaren bestückt werden konnte. Diese Konstruktion ermöglichte ein steriles Absaugen der Bodenlösung entlang und quer zu den wachsenden Wurzeln. Der Einfluss der Wurzeln auf den Gehalt und die Verteilung von organischen Säuren in diesen reduktiven Böden unterschiedlichen pH-Wertes (pH 3,9 – pH 5,9) wurde kapillarelektrophoretisch bestimmt. Zur Erfassung der Reaktion der oberirdischen Sprosse auf die Bodenüberflutung wurden die Arten mit speziellen Spross CO2 und H2O Gaswechsel- und O2 Messgeräten in Feldversuchen untersucht. Die interspezifische Konkurrenz in Abhängigkeit der Bodenfeuchte wurde mittels eines Bodenfeuchtegradientenexperiments quantifiziert. Die nicht-invasiven optischen Messungen zeigten deutliche diurnale Veränderungen der Sauerstoffkonzentration und des pH-Wertes entlang der untersuchten Wurzeln, insbesondere im Bereich der Streckungszone. Langzeituntersuchungen über mehr als acht Wochen zeigten erhebliche räumliche und zeitliche Variationen der Sauerstoffverteilung (über einen Bereich von nahezu 200 µmol l-1) und der pH-Verteilung (± 1,4 pH-Einheiten) in der Rhizosphäre. Die Sauerstoffausscheidung durch die Wurzeln von J. effusus bewirkten den Effekt einer oxidativen Ansäuerung, während hingegen die Wurzeln von J. articulatus die Rhizosphäre basifizierten. Im Gegensatz dazu zeigten die Wurzeln von J. inflexus keinerlei Einfluss auf den Rhizosphären pH. Vier unterschiedliche organische Säuren konnten in den Bodenlösungen detektiert werden: Oxalat, Acetat, Formiat, Laktat. Die höchste Konzentration aller organischer Säuren war bei pH 3,9 messbar (Acetat: 69,9 µM; Laktat: 116,5 µM; Formiat: 45,2; Oxalat: 36,9), während die niedrigste Konzentration bei pH 5,9 gemessen wurde. Folglich bewirken die stärker reduktiven Bedingungen im saureren Milieu einen verminderten Abbau der organischen Säuren. Dies deutet auf ein Fehlen exogener Elektronenakzeptoren hin (z.B.: Eisen(III)). Desweiteren fiel innerhalb von 4mm zur Wurzeloberfläche hin die Konzentration der organischen Säuren um bis zu 98% ab. Die Untersuchungen der CO2, O2 und H2O Umsätze der ausgewählten Arten zeigten, dass alle drei Arten an moderate Umweltbedingungen angepasst sind. Die Transpiration aller drei Arten ist primär durch das Blatt-zu-Luft Wasserdampfsättigungsdefizit geprägt, während die Photosyntheseleistung licht- und temperaturabhängig ist. Die Bodenfeuchtegradientenexperimente zeigten, dass der Konkurrenzdruck zwischen den Arten stark von der Bodenfeuchte abhängig ist. Die Interaktionen zwischen den Arten wechseln von starker Konkurrenz unter Trockenstress zu gegenseitiger Wachstumsförderung unter staunassen Bodenbedingungen. Neben der quasi unbegrenzten Wasserversorgung bewirken additive Effekte durch die gemeinsame Belüftung des staunassen Bodens eine synergetische Ausnutzung der Nährstoffe und sind daher Ursachen für die gegenseitige Wachstumsförderung. Es konnte daher nachgewiesen werden, dass heterogene Binsengesellschaften produktiver als Monokulturen sind. It is well known that the formation of a culm and root internal aerenchyma is crucial for plant life in wetland habitats. The plant internal aerenchyma allows a continuous oxygen supply of the roots that grow in oxygen deficient and reducing soils. The supplied oxygen can be even released by the roots into the perirhizal zone (rhizosphere). Furthermore, plant roots are able to release pH relevant molecules (e.g. organic acids), in order to enhance for example the nutrient supply. Both processes strongly affect the biochemistry and microbial network of wetland soils, which in turn is relevant for the production of greenhouse gases like methane (CH4) and dinitrousoxide (N2O). These relationships were studied with the three wetland plant species, Juncus effusus L., J. inflexus L. and J. articulatus L., that differ anatomically in the culm internal air spaces. For analyzing the rhizospheric oxygen and pH dynamics in soils mediated by plant roots, a novel optical method for non-invasive, quantitative imaging of spatial and temporal oxygen and pH changes was developed. This method provides the opportunity for recording long-term dynamics of the micro-pattern of oxygen and pH in the root–soil interface without disturbance of the biological and physico-chemical conditions. In this comparative study the selected species rooted in permanently flooded rhizotrones, which were designed for free-choice root in-growth experiments in differentially manipulated soil compartments. Each compartment was equipped with a raster access port, able to accept up to 1156 microsuction capillaries. This construction provides multilayered (sterile) sampling of soil solution across and along growing roots. The effect of roots on the amount and distribution of organic acids in reductive soils of different pH (pH 3.9 - pH 5.9) was investigated by use of capillary electrophoresis. For evaluating the response of the above-ground culms to soil flooding, the species specific culm CO2 and H2O gas exchange and culm internal oxygen concentration dynamics were measured with conventional gas exchange and O2 measuring devices in field experiments. The interspecific competition in relation to soil moisture was quantified in standard soil moisture gradient experiments. The non-invasive optical measurements showed pronounced diurnal variations of oxygen concentration and pH along the roots, particularly along the elongation zone. Long-term records over more than eight weeks revealed considerable spatial and temporal patterns of oxygen (over a range of almost 200 µmol O2 l-1) and pH dynamics (± 1.4 pH units) in the rhizosphere. A strong effect of oxidative acidification due to oxygen release by the plant roots was clearly visible for J. effusus, whereas the roots of J. articulatus alkalinized the rhizosphere. In contrast, the roots of J. inflexus showed no effects on rhizospheric pH. Four different organic acids were detectable in all soil solutions (oxalate, acetate, formate and lactate). Maximal concentration of all organic acids occurred at pH 3.9 (acetate: 69.9 µM; lactate: 116.5 µM; formate: 45.2 µM; oxalate: 36.9 µM). The lowest concentration of each organic acid was found at pH 5.9. Hence, the more acid soil provided increased reductive conditions leading to slower anaerobic degradation of organic acids. This indicates unavailability of exogenous electron acceptors (e.g. ferric iron). Concentration of organic acids decreased by up to 98% within 4 mm distance from the proximate bulk soil to the root surface. Investigation of the CO2, O2 and H2O dynamics of the selected species highlighted that all three species were well adapted to moderate environmental conditions. Transpiration of all three investigated plant species is mainly driven by leaf-to-air vapor pressure deficit, whereas photosynthesis is rather depending on light and temperature conditions. Soil moisture gradient experiments revealed that the competition pressure between the species is strongly influenced by soil moisture. Plant interactions shift from strong competition at dry conditions towards a collective facilitation for all three species at high soil moisture levels. Besides the quasi unlimited water supply, additive effects due to collective aeration of the inundated soil and by this synergetic exploitation of nutrients are factors that enhance the facilitation. Thus, under waterlogged soil conditions rush communities of heterogeneous composition can be more productive, compared to monoculture stands.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Bezug:	Beginn: 01.05.2005 Ende: 29.10.2008
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Geobotanik
Dokument erstellt am:	03.11.2008
Dateien geändert am:	03.11.2008
Promotionsantrag am:	08.09.2008
Datum der Promotion:	29.10.2008