Veränderungen im Pflanzenstoffwechsel bei erhöhter CO2-Konzentration

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1 Klimawandel und CO2 -Anstieg: Veränderungen im Pflanzenstoffwechsel bei erhöhter CO2-Konzentration Thomas Betsche Bundesforschungsanstalt für Ernährung und Lebensmittel, Detmold Institut für Biochemie von Getreide und Kartoffeln

2 Quelle:

3 Since pre-industrial times, the atmospheric concentration of greenhouse gases has grown significantly. Carbon dioxide (CO2) concentration has increased by about 31%, methane concentration by about 150%, and nitrous oxide concentration by about 16% (Watson et al 2001). The present level of carbon dioxide concentration (around 375 parts per million) is the highest for 420,000 years, and probably the highest for the past 20 million years.

4 Source: J.R. Petit, J. Jouzel. et. al. Climate and atmospheric history of the past years from the Vostok ice core in Antarctica, Nature 399, 1999

5 Klimaänderung Erwärmung der Erde Ausblick und Optionen Landwirtschaft: Klimaveränderungen führen zur Verschiebung von Anbauzonen Ökologie: Verbraucher: z. T. Veränderungen bei Pflanzen- und Tiergesellschaften (auch in den Böden) zu erwarten Veränderungen der Lebensqualität und Schadstoffbelastung wahrscheinlich (z. B. Mykotoxine): hoher Forschungsbedarf Handlungsoptionen: 1. Emission von CO 2 u. a. Treibhausgasen reduzieren 2. Forschung/Maßnahmen zur Milderung/ Nutzung der negativen/positiven Folgen des CO2 Anstiegs und des Klimawandels

6 CO 2 -Anstieg in der Atmosphäre: Direkte Effekte auf Pflanzen

7 CO 2 -Anstieg in der Atmosphäre - Direkte Effekte auf Pflanzen Stimulierung der photosynthetischen CO2-Assimilation (Ribulosebisphosphatcarboxylase) durch erhöhte CO2-Konzentration Niedrige N-Versorgung Hohe N-Versorgung H. Rivière-Rolland, P. Contard, T. Betsche Adaption of pea to elevated atmospheric CO 2 : Rubisco, phosphoenolpyruvate carboxylase and chloroplast phophate translocator at different levels of nitrogen and phosphorus nutrition. Plant, Cell and Environment (1996) 19

8 CO 2 -Anstieg in der Atmosphäre - Direkte Effekte auf Pflanzen Phosphaternährung: Unterschiedliche Effekte erhöhter CO 2 -Konzentration auf die photosynthetische CO 2 -Aufnahme von Pflanzen. Bei hoher Phosphaternährung mittelfristig Anstieg (A, links), bei geringer Phosphaternährung (B, C) Stagnation bis Abfall der Photosynthese Marie-Claude Duchein, André Bonicel, Thomas. Betsche Photosynthetic net CO 2 : Uptake and leaf phosphate concentrations in CO 2 enriched clover (Trifolium subterraneum L.) at three levels of phosphate nutrition. Journal of Experimental Botany 44 (1993)

9 CO2 Kohlenhydrate PEP-carboxylase Aminosäuren Christine H. Foyer, Nathalie Galtier Source-Sink Interaction and Communicaton in Leaves. In: Photoassimilate Distribution in Plants and Crops. Ed. Eli Zamski, A. Schaffer (1996)

10 CO 2 -Anstieg in der Atmosphäre - Direkte Effekte auf Pflanzen Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff ( Kohlenhydrat zu Protein) in vegetativen Pflanzenteilen bei 340 µl CO 2 /L und 1000 µl CO 2 /L C / N Blätter 340 ppm CO ppm CO2

11 CO 2 -Anstieg in der Atmosphäre - Direkte Effekte auf Pflanzen Veränderung der Expression von PEP-carboxylase - Schnittstelle zwischen C und N-Stoffwechsel - H. Rivière-Rolland, P. Contard, T. Betsche Adaption of pea to elevated atmospheric CO 2 : Rubisco, phosphoenolpyruvate carboxylase and chloroplast phophate translocator at different levels of nitrogen and phosphorus nutrition. Plant, Cell and Environment (1996) 19

12 CO 2 -Anstieg in der Atmosphäre - Direkte Effekte auf Pflanzen Proteine von Blättern CO2 CO2 Hélène Riviere-Rolland. Thèse Université Paris XI, Orsay. Adaptation du pois (Pisum sativum) á une atmospère enrichie en CO 2 : étude de protéines foliares et de l expression génétique dans des conditions de nutrition en azote et en phosphore différentes

13 CO 2 -Anstieg in der Atmosphäre - Direkte Effekte auf Pflanzen CO2 CO2 CO2 CO2 Abfall der Ribulosebisphosphatcarboxylase-Aktivität als Adaptationsmechanismus an erhöhtes CO2 in der Atmosphäre? H. Rivière-Rolland, P. Contard, T. Betsche Adaption of pea to elevated atmospheric CO 2 : Rubisco, phosphoenolpyruvate carboxylase and chloroplast phophate translocator at different levels of nitrogen and phosphorus nutrition. Plant, Cell and Environment (1996) 19

14 CO 2 -Anstieg in der Atmosphäre - Direkte Effekte auf Pflanzen CO 2 -Assimilation und Biomasse von Nutzpflanzen bei erhöhtem CO 2 -Partialdruck: Vergleich zwischen Kurzzeit- und Langzeit-Experimenten Zunahme der CO 2 -Assimilation (%) Weizen Gerste Reis Mais Kartoffel Mittelwert Blätter Kurzzeit Pflanze Langzeit +41 ±7 +50 ± ± ± ± % + 6 ± ± ±7 +9 ± % Zusammenstellung älterer Literaturangaben (Gewächshaus o. ä. ), verschiedene experimentelle Bedingungen!

15 CO 2 -Anstieg in der Atmosphäre - Direkte Effekte auf Pflanzen Schlußfolgerungen Kurzzeitexperimente Klimakammern 1. CO2 -Anreicherung fördert stark die CO2-Assimilation 2. Veränderungen im Pflanzenstoffwechsel eindeutig nachgewiesen 3. Veränderungen im C/N-Verhältnis nachgewiesen (Blätter) 4. Adaptation in Abhängigkeit von Pflanzenernährung u. a. gezeigt. Abnahme der CO2-Assimilation, Genexpressionsänderungen Effekte auf Reproduktive Organe (Samen)??

16 CO 2 -Anstieg in der Atmosphäre - Direkte Effekte auf Pflanzen Proteingehalte in Mehlen von Weizen, der im Jahr 1990 bei verschiedenen CO 2 -Gehalten angezogen wurde CO2-Konzentration in der Versuchs-Atmosphäre (µl L -1 ) 350 (Luft im Jahr 1990) Protein-Konzentration in Mehl (% vom Trockengewicht) 15, , ,4

17 CO 2 -Anstieg in der Atmosphäre - Direkte Effekte auf Pflanzen Open-top-Kammern = Offene Feldkammern FAL-Braunschweig

18 CO 2 -Anstieg in der Atmosphäre - Direkte Effekte auf Pflanzen Praxis der Landwirtschaft: Was bewirken erhöhte CO2-Konzentrationen tatsächlich in der Landwirtschaft: Weizenertrag- und Qualität? F A C E = Freiluft-CO2 Anreicherungsexperimente

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