Teilprojekt B6 untersuchte (zusammen mit B11 in Phase II) im Laufe des SFB die physiologischen und morphologischen Grundlagen des Konkurrenzverhaltens und der Stressreaktion in annuellen und perennierenden, sowie monokotylen und dikotylen krautigen Pflanzen (Helianthus annuus, Medicago sativa; verschiedene Gräser, einschließlich Lolium perenne und Paspalum dilatatum). In diesen Untersuchungen gelangten diverse Konkurrenzszenarien (Mischbestände von ozonsensitiver und ozontoleranter M. sativa, H. annuus Pflanzen mit unterschiedlicher Anfangsgröße und differenzierter N-Versorgung, C3 und C4 Gräser unter warmen und kühlen Bedingungen) und kontrastierende Stressszenarien (Entblätterung [Schnitt], Ozonbelastung, Einstrahlung, differenzierte N- und P-Ernährung, Mykorrhizierung) zum Einsatz. Ziel der Untersuchungen war es, die Zentralhypothese des SFB (‚Tradeoff zwischen Wachstum und Stressresistenz’) an krautartigen Pflanzen zu prüfen, sowie die funktionellen Komponenten des Konkurrenzverhaltens krautartiger Pflanzen zu charakterisieren. Damit bildete B6 die Ergänzung zu B4 und B5, welche an holzartigen Pflanzen den Tradeoff zwischen Wachstum und Abwehr, und die Komponenten des Konkurrenzverhaltens analysierten.

In den Untersuchungen kamen eigens hierfür entwickelte neuartige steady-state ¹³C- und ¹⁵N-Tracer- und ¹³CO₂/¹²CO₂-Gaswechselmesstechniken zum Einsatz, welche quantitative Analysen der C- und N-Aufnahme, -Allokation und -Umsetzung in Wachstums- und Erhaltungsprozessen ermöglichten (Lötscher et al. 2004; Klumpp et al. 2005, Schnyder & Lattanzi 2005; Lötscher & Gayler 2005; Lattanzi et al. 2005; Grimoldi et al. 2006).

Da die Untersuchungen von B6 in Phasen I und II ausschließlich in kontrollierten Umwelten unter modellhaften Bedingungen stattfanden, sollte in Phase III

(i) der Schritt ins Feld vollzogen werden um zu prüfen, ob die in künstlichen Systemen erkannten Mechanismen auch unter natürlich ‚gewachsenen’ Bedingungen im Freiland auftreten, und

(ii) die bisher getrennt laufenden Untersuchungslinien zum Konkurrenzverhalten und zur Entblätterungsreaktion vereint werden, um festzustellen, inwiefern zwischen- und innerpflanzliche Konkurrenz die physiologischen Teilprozesse der Erholung von Entblätterung modifizieren.

Mit diesen Untersuchungen sollte der postulierte Tradeoff zwischen Konkurrenzkraft und Entblätterungstoleranz geprüft, und die – eventuell – zugrunde liegenden physiologischen und morphogenetischen Mechanismen erfasst werden. Diese Studien sollten mithilfe einer neuartigen – und mit Eigenmitteln beschafften –  steady-state ¹³C/¹²C Tracertechnik durchgeführt werden.

Freiland-¹³C-Tracerkinetik

Die ¹³CO₂/¹²CO₂ Tracer- und Gaswechseltechnik mit OTCs (ISOFLUX-Anlage) konnte erfolgreich etabliert werden. Die OTCs wurden hinsichtlich der 3-D CO₂-Verteilung in der Kammer, Luftdruckeffekte auf die Unterdrückung von Boden-CO₂-Flüssen, und Windeinflüsse (Kontamination der Kammerluft durch Windeintrag) getestet.

Die OTCs wurden durch verschiedene konstruktive Änderungen (Querschnitt der Austrittsöffnung, Einbau eines ‚Luftpuffers’ im Ausgang) verbessert, und die optimalen Betriebsbedingungen (Luftdurchsatz, Durchmesser der Kammeraustrittsöffnung, etc.) mit Gaswechselmessungen unter kontrastierenden Witterungsbedingungen charakterisiert und definiert. Im Ergebnis steht nun seit August 2006 eine neuartige Freiland-¹³CO₂/¹²CO₂ Tracer- und Gaswechselmesstechnik zur Verfügung, mit welcher Ausschnitte aus Graslandökosystemen konstant und präzise mit CO₂ definierter isotopischer Zusammensetzung markiert werden können (Abb. 1; Gamnitzer et al., in Vorbereitung).

Kompartimentelle Modellierung der Tracerkinetik in Substratpools für Wachstum und Respiration

Deutsch Weidelgras Pflanzen wurden in konstanten Bedingungen angezogen, über unterschiedlich lange Zeiträume (1 Stunde bis 40 Tage) mit ¹³C (¹⁵N)  markiert.
Im Blattwachstum wurden die ¹³C- und ¹⁵N-Tracerkinetiken, im respirierten CO₂ die ¹³C-Tracerkinetik mithilfe kompartimenteller Modellierung (Lattanzi et al. 2005) untersucht.

Die Tracerkinetiken von Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) weisen deutliche Phasen auf (Abb.2). Die Analyse der Daten ergibt, dass die Blattwachstumzone von 4 C- und 3 N-Pools versorgt wird, wobei sich die C Pools in Amino-C und Kohlehydrat-C unterscheiden lassen.

Kohlehydrat-Verbindungen transportierten den Großteil (83%) an C zur Wachstumszone, wovon 56% von kurzzeitig gespeicherten Kohlehydraten (vermutlich vakuläre Saccharose und Fructane) stammt. Kohlehydrate, die ohne Zwischenspeicherung die Wachstumszone direkt versorgen (vermutlich cytosloische Saccharose) stellen die restlichen 44%  bereit. Amino-C hat eine geringere (17%) Bedeutung in der Versorgung der Blattwachstumszone mit C. Sich langsam umwälzende Speicher in Form von Blattproteinen stellen 59% der C-Versorgung dar, der mit dem N-Stoffwechsel verbunden ist. Die anderen 41% stammen von Amino-C-Verbindungen, welche direkt nach der C- und N- Assimilation entstehen, einem schnellen turn-over unterliegen  und  ohne Zwischenspeicherung zur Wachstumszone transportiert werden; dies sind höchstwahrscheinlich cytosolische Aminosäuren.

Stickstoff im Gegensatz wird zu zum Großteil (59%) von N-Substraten bereitgestellt, die direkt nach der N-Assimilation entstehen (cytosolische Aminosäuren). Die restlichen 41% stammen von langzeitig gespeicherten N-Verbindungen, die einem langsamen turn-over unterliegen, vermutlich Blattproteinen.

Die Ergebnisse der Respirationsmessungen zeigten, dass 4 Pools mit sehr unterschiedlicher Halbwertszeit und Größe die Sprossrespiration mit C versorgen (Abb.3). Etwa 70% des respirierten C wurde dabei von 2 Pools bereitgestellt, deren  charakteristische Eigenschaften auf Saccharose hindeuten, aufgeteilt in einen Transportpool und einen Kurzzeitspeicher. Die restlichen 30% der Sprossrespiration stammte aus 2 Substratklassen, die vermutlich eng mit dem Stickstoff-Stoffwechsel in Verbindung standen, darunter primäre Photosynthese-produkte sowie Speicher-C, vermutlich abgeleitet aus dem Protein-turnover.

Die Wurzelrespiration wurde weitestgehend von simultanem Import aus dem Spross versorgt. Es konnte jedoch ein weiterer Speicherpool ausgemacht werden, der C nur für die Wurzelatmung bereitstellte, allerdings zu einem vergleichsweise geringen Ausmaß (Lehmeier et al., in Vorbereitung).

Sowohl der Import für das Blattwachstum als auch Spross- und Wurzelrespiration zeigten eine sehr ähnliche Gesamtkinetik (Abb. 2 und 3). Diese Einsichten sind völlig neu und deuten an, dass beide Prozesse (Wachstum und Respiration) zu einem Großteil von denselben Substratpools versorgt werden.

C-turnover in Blattwachstumszonen konkurrierender Gräser

Im beweideten Grasland der Grünschwaige sind Deutsch Weidelgras und Wiesenrispe die wichtigsten bestandesbildenden Arten. Dabei gilt Deutsch Weidelgras allgemein als die deutlich konkurrenzstärkere Art. In ersten ¹³C-Tracerstudien zeigten diese Arten eine praktisch identische Markierungskinetik der Blattwachstumszone (Abb. 4). Diese Ergebnisse können so interpretiert werden, dass die Bedeutung der aktuellen Photosynthese und der Reservepools in der C-Versorgung der Blattwachstumszonen der beiden Arten ähnlich ist (Müller et al., in Vorbereitung). 

Wirkungen zwischen- und innerpflanzlicher Konkurrenz auf die Entblätterungsreaktion

In modellhaften Untersuchungen mit scharf entblätterten Pflanzen zeigten Haupttriebe ein rascheres Erholungswachstum als Nebentriebe (Abb. 5A). Das raschere Wachstum der Haupttriebe beruhte auf einer größeren relativen Wachstumsrate, in Verbindung mit einer größeren N-Aufnahmerate (Abb. 5B). Wir vermuten, dass die beobachteten Effekte auf der unterschiedliche Größe der Wachstumszonen von Haupt- und Nebentrieben (d.h. ontogenetische Ursachen) beruhen und nicht auf innerpflanzlichem Wettbewerb um Reserven.

Zu ähnlichen Schlussfolgerungen führten Untersuchungen zu den Auswirkungen zwischenpflanzlicher Konkurrenz auf das Erholungswachstum von Deutsch Weidelgras und Paspalum dilatatum. Hier zeigten dominante Individuen generell ein rascheres Erholungswachstum, in Verbindung mit einem rascheren Übergang von Reserve-abhängigem zu Assimilations-getriebenem Wachstum (Lattanzi et al. 2005).

Die Hypothese, wonach zwischen Konkurrenzkraft und Erholungsvermögen von Entblätterung ein Tradeoff existiert, wurde sowohl für die Situation innerpflanzlicher als auch zwischenpflanzlicher Konkurrenz falsifiziert. Vermutlich beruht dieses Ergebnis darauf, dass das Erholungsvermögen und die Konkurrenzkraft auf denselben Prinzipien – nämlich dem Vermögen  vorhandene Ressourcen effizient in neue ressourcen-interzeptierende Strukturen umzusetzen – beruht. Diese Gleichrichtung von Mechanismen unterscheidet möglicherweise die Entblätterungsreaktion von Stressabwehrreaktionen i. e. S..

Die kompartimentelle Analyse zeigte, dass Wachstum und Respiration auf dieselben Substratpools zugreifen. Damit besteht grundsätzlich die Möglichkeit, dass Konkurrenz um Ressourcen für Wachstum und Stressabwehr (Stressrespiration?) auf der Ebene der verschiedenen Substratpools auftritt. Inwiefern und für welche Substratpools dies zutrifft, ist bisher unbekannt, und soll im geplanten Integrationsprojekt von B6 untersucht werden. 

OTC auf dem Versuchsgut Grünschweige

Abb.1: ¹³C-Signatur des CO₂ in den OTCs der ISOFLUX-Anlage während eines 14-tägigen Tracerexperiments auf beweidetem Grasland. Zwei OTC erhielten CO₂ mit einem δ¹³C von -44‰ (A & B), die beiden anderen CO₂ mit einem δ¹³C von -2‰ (C & D). (Gamnitzer et al., in Vorbereitung)

Deutsch Weidelgras in Klimakammern am Lehrstuhl f. Grünlandlehre

Abb.2: Importkinetik von markiertem N (A) und C (B) in die Blattwachstumszone von L.perenne. (Wild et al., in Vorbereitung)

Abb.3: Modellierte Tracerkinetik im respirierten CO₂ von Spross (untere Linien) und Wurzel (obere Linien; Lehmeier et al., in Vorbereitung).

Abb.4: ¹³C-Markierungskinetik der Blattwachstumszonen von Deutsch Weidelgras in beweideten Graslandbeständen des Versuchsguts Grünschwaige. f_unmarkiert, der nicht-markierte Anteil des C (Müller et al., unveröffentlicht).

Abb. 5: C-und N-Akkumulation in Haupttrieben (gefüllte Symbole) und Nebentrieben (offene Symbole) von zwei Deutsch Weidelgrasgenotypen (‚Selectie’, Dreiecke; ‚Splendor’, Kreise) nach einer scharfen Entblätterung (Schnyder & deVisser, in Vorbereitung)