TY  - THES
T1  - Einfluss von erhöhtem atmosphärischen CO2  auf die N2-fixierende Symbiose von Trifolium repens L. und Rhizobium leguminosarum biovar trifolii
A1  - Stöber,Sara
Y1  - 2007/09/05
N2  - CO2 ist eines der wichtigsten Treibhausgase, das das Klima und terrestrische Ökosysteme nachhaltig beeinflusst. Bis heute ist wenig über den Einfluss von erhöhten atmosphärischen CO2-Kontentrationen auf symbiotische Interaktionen in der Rhizosphäre, insbesondere auf die N2-fixierende Symbiose von Trifolium repens und Rhizobium leguminosarum biovar trifolii bekannt. Erste Ergebnisse eines 10-jährigen Freiland-CO2-Begasungsexperiments (Swiss FACE) zeigten, dass sich nach drei Jahren kontinuierlicher CO2-Begasung die genetische Zusammensetzung der Rhizobien-Population in den Wurzelknöllchen von T. repens unter erhöhter CO2-Konzentration verändert hatte. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit sollte der Frage nachgegangen werden, ob nach 10-jähriger CO2-Begasung im Swiss FACE weiterhin genetisch unterschiedliche Rhizobien-Stämme in den Wurzelknöllchen des Weißklees nachgewiesen werden können oder ob eine Anpassung der Knöllchenbakterien an erhöhte CO2-Konzentrationen erfolgt ist. Darüber hinaus sollte diese Arbeit klären, ob erhöhte atmosphärische CO2-Konzentrationen in Abhängigkeit der N-Versorgung bei T. repens zu quantitativen und qualitativen Veränderungen in der Wurzelexsudation führen, insbesondere hinsichtlich der Abgabe von Substanzen mit Signalfunktion während der Nodulation. Im Sommer 2002 wurden mit CO2 begaste und unbegaste Versuchsflächen des FACE beprobt und Rhizobien aus Wurzelknöllchen der geernteten Weißkleepflanzen isoliert. Die Untersuchung von R. l. bv. trifolii mittels BOX-PCR DNA Fingerprinting ergab, dass nach 10-jähriger CO2-Begasung im Swiss FACE keine Veränderung in der genetischen Zusammensetzung der Rhizobien mehr festgestellt werden konnten. Die genetische Verschiebung innerhalb der Rhizobien-Population war somit nur vorübergehend nachweisbar. Dies ist höchstwahrscheinlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass sich im Laufe des Freiland-CO2-Experiments ein neues C/N-Gleichgewicht im Graslandökosystem eingestellt hat. Zu Beginn des FACE-Experiments wurde eine Erhöhung des C/N-Verhältnisses im Boden detektiert, das durch die gesteigerte symbiotische N2-Fixierung und den daraus resultierenden vermehrten N-Eintrag in das Ökosystem allmählich ausgeglichen werden konnte. Diese Stabilisierung des Graslandökosystems hatte höchstwahrscheinlich auch einen Rückgang der indirekten CO2-Beinflussung auf die Mikroorganismen zur Folge, so dass nach 10 Jahren im Swiss FACE keine genetische Diversität der Rhizobien-Population mehr nachzuweisen war. 
Um die Wirkung erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentrationen auf die Wurzelexsudation von Signalsubstanzen zu untersuchen, wurden Weißkleepflanzen in zwei unabhängigen Klimakammerexperimenten unter sterilen und unsterilen Versuchsbedingungen bei ambienter und erhöhter CO2-Konzentration (400 und 800 ppm) und unterschiedlicher Stickstoffdüngung hydroponisch kultiviert. Die Gewinnung der Wurzelexsudate erfolgte über einen Zeitraum von sieben Stunden an drei bzw. vier unterschiedlichen Terminen. Die phenolischen Bestandteile der Wurzelexsudate wurden durch eine Festphasenextraktion extrahiert und anschließend mittels HPLC und LC-MS analysiert. Zusätzlich wurden die isolierten Fraktionen, auf ihre Fähigkeit die Nodulationsgene von R. l. bv. trifolii zu aktivieren, anhand eines nod-Gen-Induktionstests überprüft. Die Erhöhung der CO2-Konzentration führte in beiden Versuchsansätzen zu einem gesteigerten Spross- und Wurzelwachstum, aber nicht zu einer Veränderung des C/N-Verhältnisses in der Wurzel. In den Wurzelexsudaten von T. repens konnten, neben der bekannten Signalsubstanz 7,4?-Dihydroxyflavon, neue, bisher in der Literatur nicht beschriebene phenolische Substanzen nachgewiesen werden. Die Fraktionen wurden anhand ihrer Polaritätseigenschaften, Absorptionsverhalten und Molekulargewichte als aglycosidische Flavone identifiziert, die, bis auf eine Fraktion (Fraktion 2) des unsterilen Experiments, alle die Fähigkeit zur nod-Gen-Induktion besaßen. CO2 beeinflusste die Exsudation der Signalsubstanzen quantitativ, nicht aber qualitativ. Die erhöhte Exsudation, insbesondere des 7,4?-Dihydroxyflavons, konnte einerseits auf die höhere Wurzelbiomasse unter erhöhtem CO2 zurückgeführt werden, andererseits aber auch auf eine höhere Abgaberate in Bezug auf die Wurzelfrischmasse. Diese CO2-Reaktion der Weißkleepflanzen, sowohl hinsichtlich der Biomasseproduktion als auch der Wurzelexsudation, war deutlich abhängig von der N-Versorgung und signifikant nur unter sterilen Versuchsbedingungen ausgeprägt. Im Einzelfall überstieg der N-Einfluss sogar den CO2-Effekt: mit zunehmendem N-Mangel exsudierten die Weißkleepflanzen unter sterilen Bedingungen verstärkt die nod-Gen-aktivierende Exsudat-Fraktion C. Diese, als Hydroxyflavon identifizierte Fraktion besitzt folglich bei N-Limitierung eine wichtige Signalfunktion. Neben der CO2-Konzentration und der N-Versorgung beeinflusste das Pflanzenalter maßgeblich die Wurzelexsudation von T. repens, was sich vor allem im unsterilen Versuchsansatz in einem Rückgang der Abgabe von Signalsubstanzen bei älteren Weißkleepflanzen, aber auch in der Qualität der exsudierten Phenole äußerte. 
Die anfänglich im Swiss FACE beobachtete Veränderung in der genetischen Zusammensetzung von R. l. bv. trifolii war mit sehr großer Wahrscheinlichkeit die Folge einer gesteigerten Exsudation phenolischer Signalsubstanzen von T. repens unter erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentration.

KW  - Kohlendioxid
KW  - Weißklee
KW  - Rhizobium
KW  - Flavonoide
KW  - Signalflavonoide
CY  - Hohenheim
PB  - Kommunikations-, Informations- und Medienzentrum der Universität Hohenheim
AD  - Garbenstr. 15, 70593 Stuttgart
UR  - http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2007/207
ER  -