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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-69855
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6985/


Einfluss von erhöhter atmosphärischer CO2 Konzentration und Trockenstress auf die Photosynthese von Aronia melanocarpa und Ulmus glabra : Auswirkungen physiologischer Prozesse auf die Baumentwicklung

Becker, Verena Katharina

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Freie Schlagwörter (Deutsch): erhöhtes CO2 , Trockenstress , Klimawandel , Aroniabeere , Aronia melanocarpa , Ulmus glabra
Freie Schlagwörter (Englisch): elevated CO2 , drought stress , climate change , chokeberries , Aronia melanocarpa , Ulmus glabra
Basisklassifikation: 30.30
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Pflanzen (Botanik)
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Fromm, Jörg (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 29.08.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 29.09.2014
Kurzfassung auf Deutsch: Die fortschreitende Erhöhung der Konzentration des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid (CO2) in der Atmosphäre beschleunigt den Klimawandel und seine Folgen, verbunden mit einer verstärkten Trockenheit in den gemäßigten Breiten. Die dadurch verursachten Veränderungen beeinflussen auch die Eigenschaften des Baumwachstums. Vor diesem Hintergrund wurden zwei Gehölze (Aronia melanocarpa und Ulmus glabra) für eine Wachstumsperiode in einem Gewächshaus gezogen, unter normaler ( 380 ppm) und stark erhöhter CO2 Konzentration (950 ppm) (eCO2). Zusätzlich wurde die Hälfte der Individuen beider CO2 Varianten unter Trockenstress gesetzt.
Der Gaswechsel wurde über die Wachstumsperiode hinweg für beiden Arten gemessen. Die Ergebnisse zeigen signifikante Unterschiede für den Einfluss von eCO2 und Trockenstress in der erwarteten Form. Beobachtet wurden eine erhöhte CO2 Aufnahmerate und eine reduzierte Transpiration für den Gaswechsel bei Einfluss von eCO2 und normaler Bewässerung, wohingegen die CO2 Aufnahmerate und auch die Transpiration durch den Einfluss von Trockenstress unter aktueller CO2 Konzentration reduziert wurde.
Um die Interaktion der zwei Einflussfaktoren besser zu erkennen, wurden drei Interaktionsschemen entwickelt. Sie basieren auf der Richtung der Veränderung, die durch eCO2 und Trockenstress hervorgerufen wird. Unterschieden wird zwischen „der Parameter nimmt durch eCO2 und Trockenstress zu“, „der Parameter nimmt durch eCO2 und Trockenstress ab“ sowie „der Parameter nimmt durch eCO2 zu, durch Trockenstress hingegen ab“. Anhand dieser Schemen ist eine Aussage möglich, ob die Veränderung durch den alleinigen Einfluss von eCO2 oder Trockenstress in kombinierter Wirkung verstärkt oder abgeschwächt wird. Folglich können die Fragen beantworten werden,
• wie sich der Einfluss von eCO2 bei Trockenstress im Vergleich zu normaler Bewässerung verändert und
• wie sich der Einfluss von Trockenstress bei erhöhter CO2 Konzentration im Vergleich zu normaler CO2 Konzentration verändert.
Beobachtet wurden Veränderungen in der Biomasseproduktion, die zeigen, dass eCO2 und Trockenstress zu spezifischen Veränderungen der Wachstumseigenschaften führen. Eine erhöhte Konzentration von CO2 stimuliert die Biomasseproduktion, während Trockenstress diese reduziert. Die Blätter wurden auf Blattdicke, Stomagröße und Stomadichte untersucht. Die Blattdicke erhöht sich, stimuliert durch beiden Umweltfaktoren. Erhöhte Konzentrationen von CO2 führen zu einer größeren Größe aber verringerter Dichte, während Trockenstress zu einer kleineren Größe, aber erhöhter Dichte der Stomata führt. Über die oben aufgezeigten Schemen konnten die Veränderungen beim Zusammenwirken von eCO2 und Trockenstress für Blattdicke, Stomagröße und Stomadichte prognostiziert werden. Die Prognosen korrelieren mit den gemessenen Ergebnissen.
Unterschiedliche Pflanzenteile werden auf ihr Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff (C/N) untersucht. Die Kohlenstoffkonzentration verändert sich nicht durch die zwei Umwelteinflüsse. Die Stickstoffkonzentration verändert sich als Reaktion auf eCO2 und Trockenstress, sie sinkt durch eCO2 und steigt durch Trockenstress. Das oben genannte Interaktionsschema für Parameter, die durch eCO2 und Trockenstress in unterschiedliche Richtungen wirken wird abgesehen von einem Pflanzenteil von U. glabra bestätigt. Chemische Analysen der Zellwandbestandteile zeigen keine nennenswerten Veränderungen im Cellulose- und Ligningehalt, die Monomere der Hemicellulosen jedoch markante Veränderungen. In Verbindung mit den Ergebnissen der räumlichen Zelleigenschaften, besteht ein Trend zur Änderungen von Hemicellulosen durch eCO2 und Trockenstress.
Aronia melanocarpa hat während der Wachstumsperiode Früchte (Aroniabeeren) ausgebildet. Der Reifeprozess wurde durch eCO2 beschleunigt und durch Trockenstress verlangsamt.
Die Kurzzeitadaption von A. melanocarpa und U. glabra an eCO2 und Trockenstress bestätigt den aktuellen Wissenstand. Die Interaktionsschemen konnten die Wechselwirkungen von eCO2 und Trockenstress in dem Gros der Fällen vorausbestimmen. Weitere Untersuchungen sollen die Veränderungen der Hemicellulosen genauer zu klären.
Kurzfassung auf Englisch: Still progressively increasing its atmospheric concentration, the main greenhouse gas carbon dioxide (CO2) is accelerating the on going climate change and its consequences. An increase in drought is associated with climate change in temperate zones. The hence induced changes in the natural environment also impact the growth characteristics of trees. With this in mind, two tree species (Aronia melanocarpa and Ulmus glabra) were cultivated for one growing season in greenhouses under actual conditions ( 380 ppm), as well as under strongly elevated (950 ppm) atmospheric CO2 concentration (eCO2). In addition, half of the individuals of each variation sustained drought stress.
Gas exchange was measured for the two species through one growth period. The results showed significant differences to the impact of eCO2 and drought as to be expected. For gas exchange an increased CO2 uptake and decreased transpiration were observed under eCO2 and normal irrigation, whereas CO2 uptake and transpiration decreased under drought stress and actual CO2 level. To understand further the interaction between these two impacts, three interaction schemes were applied. They are based on the direction of changes caused by eCO2 and drought. A distinction is made between “parameter is increased by both, eCO2 and drought”, “parameter is decreased by both, eCO2 and drought” and “eCO2 increases, whereas drought decreases the parameter”. The schemes predict if the single effect of eCO2 or drought is increased or decreased when factors act in combination. Hence we can answer the question,
• how the effect of eCO2 changes under drought, compared to normal irrigation and
• how the effect of drought changes under eCO2, compared to actual CO2 concentration.
Changes in biomass production show that eCO2 and drought led to specific growth characteristics. Biomass production is stimulated by eCO2 and decreases by drought stress. Leaves were investigated for leaf thickness, stomata density and stomata size. All parameters adapt in the expected way. An increase in leaf thickness occurred caused by both environmental factors. Elevated CO2 led to a bigger size but lower density, whereas drought led to a smaller size but higher density of the stomata. Above named schemes predicted the changes caused by interaction of eCO2 and drought. They were confirmed by the actual results.
With regard to the carbon to nitrogen (C/N) ratio, different parts of the plants were examined. The C concentration was not affected by the two environmental factors. The concentration of N changes as a reaction to eCO2 and drought. Its concentration decreases under eCO2 and increases under drought stress. This interaction scheme for opposite effects of eCO2 and drought on a parameter fits for most parts of U. glabra. Chemical analysis of the cell wall components shows no changes in cellulose and lignin contents, however the monomers of hemicelluloses change. In addition, the analysis of cell shapes shows a trend towards changes in hemicelluloses.
Aronia melanocarpa developed fruits (chokeberries) throughout the growth season. The ripening process was accelerated by eCO2 and slowed down by drought stress.
The reaction of A. melanocarpa and U. glabra to short-term exposure of eCO2 and drought stress confirmed the present state of knowledge. Interaction schemes were able to predict the interplay of eCO2 and drought in most cases. Further investigation is needed to elucidate changes in hemicelluloses.

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