Reaktionen einer Weizen-Wildkraut Gemeinschaft auf erhöhtes CO2 im FACE Experiment: Proteomik, Physiologie und Bestandesentwicklung

Abstract

The enhancement of the atmospheric carbon dioxide concentration in the last 150 years due to human activities is one of the main components of global change. For the future, different scenarios predict a steadily increase of carbon dioxide in our atmosphere. As carbon dioxide is the most important carbon source for plants, higher CO2 concentrations have the potential to cause direct effects on plant metabolism and vegetation development. Until now almost all of the studies concerning the effects of elevated CO2 on plants were carried out under controlled conditions, whereas the effects under natural conditions are in-vestigated at only 33 sites worldwide. The aims of this study were to investigate the effects of elevated carbon dioxide on a plant community under natural conditions with regard of (i) the plant proteome, (ii) the plant physiology, (iii) the vegetation development and (iv) the potential interactions between these criteria. Therefore a Mini-FACE system was used to expose a plant community composed of wheat and weeds to two different treatments: (a) Ambient (ambient CO2 concentration, circa 380 ppm) and (b) FACE (Ambient + 150 ppm CO2). The study mainly focussed on the bio-chemical and physiological reactions of spring wheat (Triticum aestivum cv. Triso) as a crop species and wild mustard (Sinapis arvensis L.) as a weed species on carbon dioxide enrich-ment. The SELDI-TOF-MS technology was applied for the first time in the topic of carbon dioxide impacts on plants. The technology provides the opportunity to quantitatively and qualitatively investigate low molecular weight proteins with low abundances, which has been difficult to realise with the standardized methodology in proteomics until now. In addition to the biochemical and physiological analysis, the vegetation development was investigated continuously during the vegetation period using non-destructive methods. This included the assessment of species phenology and species dominance. The results of the performed study show that the carbon dioxide enrichment affects the protein profiles of both species wheat and wild mustard. Interestingly, many alterations in the protein concentrations were found, but no protein could be detected to be exclusively ex-pressed under CO2 treatment. The degree of modification in both species was influenced by their developmental stage. Particularly the protein profile of wheat leaves was strongly in-fluenced during generative plant development, therefore the plants seems to be highly sensitive to environmental changes during this developmental stage. Altogether three proteins were identified which were affected by CO2 treatment. The first protein, the saccharose-H+-symporter protein, was detected in the grain of spring wheat and is associated with the plant?s primary metabolism. This protein plays an important role in controlling the import of saccharose in developing grain. Consequently, elevated CO2 seems to regulate the allocation of assimilates in an active way by influencing the saccharose-H+-symporter concentration in the grain of spring wheat. Furthermore, the remaining two proteins, the PR4 protein localized in the grains and the LRR-kinase protein accumulated in the leaves of spring wheat, are associated with the secondary plant metabolism and they also responded to the elevated CO2 concentrations. These proteins are linked with defense reactions of the plants against patho-gens. The elevated CO2 concentrations caused a decrease in defense recognition in the vege-tative tissue. If the plant is infected by pathogens this down-regulation could result in a ne-gative impact. The concentration of soluble proteins and of total nitrogen decreased in the leaves of spring wheat whereas the C/N ratio increased. Despite this the relative concentration of Chlorophyll a was not affected and therefore an accelerated growth of the plants due to the carbon dioxide enrichment can be excluded. Thus the detected pattern of responses suggests an enhanced nitrogen use efficiency under increased CO2 concentrations. The biomass of single spring wheat plants was unaltered during the vegetation period whereas other investi-gations in parallel showed an enhanced growth and a greater yield of spring wheat at the end of the vegetation period. Species dominance of wheat and weeds was neither influenced in the first nor the second year of investigation with regard to CO2 enrichment. The results indicate that annual crop systems under natural conditions indeed exhibit strong reactions concerning proteomics and physiology, but not concerning the plant development probably due to a relative short time of exposition. Based on long term considerations the detected reactions of the plant proteome may play an important role in the breeding of optimal adapted plants.

Der Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration aufgrund anthropogener Einflüsse der letzten 150 Jahre stellt die wichtigste Komponente des globalen Klimawandels dar. Die meisten bislang durchgeführten experimentellen Studien zur CO2-Wirkungsforschung wurden unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt, während weltweit nur circa 30 Anlagen existieren, in denen Experimente unter Freilandbedingungen durchgeführt werden. Vor diesem Hintergrund waren die Ziele dieser Arbeit, die Auswirkungen erhöhter CO2-Konzentrationen auf eine Pflanzen-Gemeinschaft hinsichtlich (i) des Pflanzenproteoms, (ii) der Physiologie, (iii) der Bestandesentwicklung sowie (iv) der potentiellen Beziehungen zwischen diesen Wirkungskriterien unter Freilandbedingungen zu untersuchen. Dazu wurde eine Weizen-Wildkraut-Gemeinschaft mittels der Mini-FACE-Technologie zwei unterschiedlichen Behandlungen ausgesetzt: (a) Ambient (CO2-Konzentration der Umgebungsluft, circa 380 ppm) und (b) FACE (Ambient + 150 ppm CO2). Im Fokus der Untersuchungen standen die Kulturart Sommerweizen (Triticum aestivum cv. Triso) und die Wildkrautart Ackersenf (Sinapis arvensis L.) hinsichtlich ihrer biochemischen und physiologischen Reaktionen auf die CO2-Behandlung. Der erstmalige Einsatz der SELDI-TOF-MS-Technologie auf dem Gebiet der CO2-Wirkungsforschung ermöglichte die quantitative und qualitative Analyse niedermolekularer Proteine mit sehr geringen Konzentrationen, was mit den bisherigen Standardmethoden der Proteomik nur bedingt möglich war. Zusätzlich zu den biochemischen und physiologischen Analysen wurde während der Vegetationsperiode die Bestandesentwicklung mittels kontinuierlicher Bestimmung der phänologischen Stadien und der Deckungsgrade untersucht. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Proteinmuster des Sommerweizens und des Ackersenfs aufgrund der CO2-Exposition beeinflusst wurden. Dabei zeigte sich, dass kein spezifisches Protein neu gebildet wurde, sondern Veränderungen der relativen Konzentrationen mehrerer Proteine auftraten. Das Ausmaß dieser Veränderungen war hierbei in beiden Arten vom Entwicklungszustand abhängig, in dem sich die Pflanzen zum Zeitpunkt der Beprobung befanden. Das Proteinmuster der Blätter des Weizens wurde hauptsächlich während der generativen Pflanzenentwicklung beeinflusst. Demnach scheint dieser Zeitpunkt eine Phase besonderer Sensibilität gegenüber Umweltveränderungen zu sein. Insgesamt konnten drei Proteine identifiziert werden, die signifikant von erhöhten CO2-Konzentrationen beeinflusst wurden. Hierbei handelt es sich um ein Protein aus dem Primärstoffwechsel der Pflanzen, den Saccharose-H+-Symporter aus den Körnern des Weizens. Dieses Protein stellt eine wichtige Kontrollstelle für den Saccharose-Import in die sich entwickelnden Körner dar. Die erhöhten Kohlendioxid-Konzentrationen scheinen folglich über eine Regulation der Saccharose-H+-Symporter aktiv in die Assimilatverteilung der Pflanzen einzugreifen. Darüber hinaus reagierten auch Proteine des Sekundärstoffwechsels auf die CO2-Begasung. Hier konnten das PR4-Protein in den Körnern und die LRR-Kinase in den Blättern identifiziert werden. Beide Proteine stehen in engem Zusammenhang mit der Abwehrreaktion der Pflanze gegenüber Pathogenen. Erhöhtes CO2 bewirkte in den vegetativen Organen eine Erniedrigung der Abwehrerkennung, was bei einem Befall von Pathogenen negative Auswirkungen auf die Pflanze haben kann. Der Konzentration an löslichen Proteinen sowie des Gesamt-N wurden in den Blättern des Sommerweizens verringert, während das C/N-Verhältnis der Blätter anstieg. Demgegenüber wurde die relative Chlorophyll a-Konzentration und die Entwicklung des Sommerweizens nicht beeinflusst, wodurch ein beschleunigtes Wachstum der Pflanzen unter erhöhtem CO2 ausgeschlossen werden kann. Das vorliegende Reaktionsmuster weist demzu-folge auf eine verbesserte N-Nutzungs-Effizienz der Pflanzen unter erhöhten Kohlendioxid-Konzentrationen hin. Es kam nicht zu einer Förderung der Biomasseentwicklung einzelner Sommerweizenpflanzen während der Vegetationsperiode; parallele Untersuchungen weisen jedoch auf ein erhöhtes Wachstum und einen höheren Ertrag der Pflanzen am Ende der Vegetationsperiode hin. Die Deckungsgrade des Weizens und der Wildkräuter wurden in keinem der beiden Untersuchungsjahre aufgrund erhöhter CO2-Konzentrationen verändert. Die Resultate lassen den Schluss zu, dass einjährige ackerbaulich genutzte Systeme unter Freilandbedingungen zwar hinsichtlich der Proteomik und Physiologie starke Veränderungen zeigen, die Bestandesentwicklung jedoch aufgrund einer relativ kurzen Expositionsdauer nicht beeinflusst wurde. Die in dieser Studie nachgewiesenen Reaktionen auf Proteomebene könnten langfristig bei der Züchtung optimal angepasster Pflanzen eine bedeutende Rolle spielen.