Charakterisierung des Wasserhaushalts von C3 und C4 Wildkräutern unter erhöhten CO2-Konzentrationen

Abstract

In meiner Diplomarbeit habe ich den Einfluß erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentrationen auf Wachstum, Entwicklung undWasserhaushalt der C3-Pflanzen Chenopodium album und Senecio vulgaris und der C4-Pflanze Amaranthus retroflexus untersucht.Hierzu wurden die Pflanzen bei kontrollierter Wasserversorgung, zwei Düngestufen (0, 500 mg N/Topf) und drei CO2Konzentrationen(Außenluft, 550 ppm, 715 ppm) in Open-top-Kammern exponiert. Im Verlauf der Expositionsperiode wurden Bodenwasserpotential,Wasserverbrauch, Wachstum und Entwicklung der Pflanze sowie der Gaswechsel auf Blattebene bestimmt. Aus den Ergebnissen derErnte wurden Biomasse, Stickstoffgehalt, Blattfläche und Wassernutzungskoeffizient der Produktivität berechnet. Die erste Expositionsperiode war durch hohe Temperaturen und geringes Wasserangebot gekennzeichnet, so daß der Gaswechsel vonSenecio und Chenopodium Anzeichen von Trockenstreß zeigten. Die zweite Expositionsperiode wies geringere Temperaturen und einreichliches Wasserangebot auf. Die C3-Pflanzen reagierten erwartungsgemäß mit gesteigerten Photosyntheseraten auf erhöhte CO2-Konzentrationen. Bei Chenopodiumdeuteten sich Anzeichen einer Akklimation der Photosynthese an erhöhte CO2-Konzentrationen an. Diese können aber auch aber auchAusdruck der beschleunigten Entwicklung und früheren Seneszenz sein. Amaranthus wies eine geringe Steigerung der Photosyntheseratedurch erhöhte CO2-Konzentrationen auf. Dies kann als Anzeichen für eine Anpassung der C4-Pflanze an erhöhte CO2-Konzentrationengedeutet werden. Chenopodium und Amaranthus reagierten erwartungsgemäß mit gesenkter stomatärer Leitfähigkeit auf erhöhte CO2-Konzentration,wobei die Reaktion von Chenopodium bei Trockenstreß deutlicher ausfiel als bei guter Wasserversorgung. Senecio zeigte nur bei einemangespannten Wasserhaushalt eine gesenkte stomatäre Leitfähigkeit, bei guter Wasserversorgung waren die Stomata insensitiv fürgesteigerte CO2-Konzentrationen. Durch Trockenstreß wurde die Sensitivität der Stomata (der C3-Pflanzen) für erhöhteCO2-Konzentrationen gesteigert. Das Verhältnis der interzellulären zur externen CO2-Konzentration wurde durch die erhöhte CO2-Konzentration bei keiner Pflanzenartgeändert. Der Wassernutzungskoeffizient der Photosynthese (WUEPh) sank bei allen Arten mit zunehmendem Wasserdampfsättigungsdefizit derLuft. Die C4 Art wies bei einem Wasserdampfsättigungsdefizit der Luft von 20 hPa eine doppelt so große WUEPh wie die C3 Arten auf. In715 ppm war die WUEPh bei allen Arten um ca.100% gesteigert, gegenüber 400 ppm . Der Wassernutzungskoeffizient der Produktivität (WUEPr) war durch erhöhtes CO2 bei allen drei Arten gesteigert. Chenopodium erzielte inerhöhter CO2-Konzentration größere Biomassen bei geringerem Wasserverbrauch. Senecio wies eine deutliche Biomassesteigerung auf,allerdings bei gesteigertem Wasserverbrauch. Bei Amaranthus waren sowohl Biomasse- als auch Transpirationsänderung gering, aberdie Effekte addierten sich. Die WUEPr war zum Zeitpunkt der Ernte bei der C4-Art Amaranthus doppelt so hoch wie bei den C3-Arten. DasWachstum wurde bei allen drei Arten durch erhöhte CO2-Konzentrationen gefördert, wobei dieser Effekt bei den C3-Pflanzen deutlicherausfiel als bei Amaranthus. Die C3-Pflanzen wiesen in erhöhter CO2-Konzentration in der Jugendphase eine deutlicheWachstumsbeschleunigung gegenüber den Pflanzen in Außenluft auf. Dies führte in dieser Wachstumsphase zu höherem Wasserverbrauchder Pflanzen in erhöhten CO2-Konzentrationen. Mit zunehmendem Alter der Pflanzen verringerte sich die wachstumsstimulierende Wirkungder erhöhten CO2-Konzentration, und die Pflanzen verbrauchten weniger Wasser als die Pflanzen in Umgebungsluft. Zum Zeitpunkt derErnte hatte Senecio in erhöhter CO2-Konzentration mehr Wasser verbraucht und Chenopodium weniger als in Außenluft. Das Blattgewicht und die Blattfläche wurden durch die erhöhten CO2-Konzentrationen wenig geändert. Das Verhältnis der Blattfläche zuTrockengewicht der Gesamtpflanze war bei den C3-Pflanzen in erhöhten CO2-Konzentrationen verringert, bei Amaranthus unverändert.Das Verhältnis der Blattfläche zu Blattgewicht war bei allen Arten in erhöhten CO2-Konzentrationen verringert. Die Stickstoffkonzentrationen in den Pflanzengeweben waren bei allen Arten in Pflanzen aus erhöhten CO2-Konzentrationen geringer als inPflanzen aus Außenkonzentration, wobei sich die aufgenommene Stickstoffmenge nicht unterschied. Die unterschiedlicheStickstoffkonzentration in den Pflanzen ist wahrscheinlich das Ergebnis gesteigerter Biomasseproduktion in erhöhter CO2-Konzentrationbei limitiertem Stickstoffangebot. In my thesis I studied the impact of elevated atmospheric CO2-concentrations on photosynthetic water-use-efficiency andwater-use-efficiency of plant growth. Herbaceous plants of the C3-species Chenopodium album and Senecio vulgaris and C4-speciesAmaranthus retroflexus were grown in open-top chambers with controlled water supply, two levels of nutrient supply and three levels ofCO2-concentration (ambient, 550 ppm, 715 ppm). Soil-water-potential, water use, growth, development and gas-exchange were measuredduring the exposition period. Biomass, nitrogen concentration, leaf area and water use efficiency of production were calculated after plantharvest. The first exposition period was characterized by high temperatures and low water supply. The gas exchange measurements of C3-speciesSenecio and Chenopodium indicated drought-stress. During the second period temperatures were lower, water supply was high. Photosynthesis was obviously enhanced by high CO2 in C3-species Senecio and Chenopodium. Even in C4-species Amaranthusphotosynthesis was slightly increased by high CO2. Stomatal conductance of Chenopodium and Amaranthus was reduced in high CO2. Drought stress accelerated this reaction ofChenopodium. Senecio showed this CO2 induced reduction of stomatal conductance only under dry conditions. As long as soil waterstatus was good, stomates of Senecio seemed to be insensitive to high CO2. We conclude that drought stress generally accelerates thesensitivity of stomates to CO2. The relation of external to intercellular CO2 concentration seemed not to be influenced by CO2. Water-use-efficiency of photosynthesis (WUEPh) was visibly increased by 715 ppm CO2 in all three species. In this terms C4 plants mayalso benefit from high CO2. WUEPh of C4 plant Amaranthus was generally much higher compared to C3 plants Senecio andChenopodium. Water-use-efficiency of productivity (WUEPr) was significantly enhanced by high CO2 in both Senecio and Chenopodium. Even C4 plantAmaranthus showed improved WUEPr, while growth and water consumption were little changed, but these effects were additive. At the endof the growth period Biomass accumulation was enhanced by high CO2 in all three species. Growth of young C3 plants was so muchaccelerated, that water consumption of the hole plant was increased during that period although stomatal conductance per dry weight wasreduced. Acceleration of growth was diminished during the following weeks. At the end of the experiment Senecio had still consumptedmore water under high CO2, while Chenopodium used less water. Leaf biomass and Leaf area were little changed by high CO2. Specific leaf area (leaf area per leaf dry mass) was reduced in all threespecies. Leaf area ratio (leaf area per plant dry mass) was reduced by high CO2 in C3 plants, remained unchanged in C4 Amaranthus. Nitrogen concentration in plant tissue of was reduced significantly by high CO2 in all three species, while the amount of nitrogen assimilatedby plants remained unchanged. We suppose the lower nitrogen concentration to be the result of higher carbon assimilation at limitednitrogen supply.