Veränderungen im Pflanzenstoffwechsel bei erhöhter CO2-Konzentration - Klimawandel und CO2 -Anstieg

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

Quelle: http://cdiac.esd.ornl.gov/ftp/trends/co2/maunaloa.co2

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.

Source: J.R. Petit, J. Jouzel. et. al. Climate and atmospheric history of the past 420 000 years from the Vostok ice core
in Antarctica, Nature 399, 1999

Klimaänderung – Erwärmung der Erde
                  Ausblick und Optionen
Landwirtschaft: Klimaveränderungen führen zur Verschiebung
                von Anbauzonen
 Ökologie:         z. T. Veränderungen bei Pflanzen- und
                   Tiergesellschaften (auch in den Böden) zu
                   erwarten
 Verbraucher:      Veränderungen der Lebensqualität und
                   Schadstoffbelastung wahrscheinlich (z. B.
                   Mykotoxine): hoher Forschungsbedarf

Handlungsoptionen: 1. Emission von CO2 u. a. Treibhausgasen
                   reduzieren
                   2. Forschung/Maßnahmen zur Milderung/
                   Nutzung der negativen/positiven Folgen
                   des CO2 Anstiegs und des Klimawandels

CO2 -Anstieg in der Atmosphäre:
  Direkte Effekte auf Pflanzen

CO2 -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 CO2: Rubisco, phosphoenolpyruvate carboxylase and chloroplast phophate translocator at
different levels of nitrogen and phosphorus nutrition. Plant, Cell and Environment (1996) 19

CO2 -Anstieg in der Atmosphäre - Direkte Effekte auf Pflanzen
                                   Phosphaternährung:
       Unterschiedliche Effekte erhöhter CO2-Konzentration auf die photosynthetische
                               CO2-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 CO2: Uptake and leaf phosphate concentrations in CO2 enriched clover (Trifolium subterraneum L.) at three
levels of phosphate nutrition. Journal of Experimental Botany 44 (1993)

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)

CO2 -Anstieg in der Atmosphäre - Direkte Effekte auf Pflanzen

          Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff
  (≈ Kohlenhydrat zu Protein) in vegetativen Pflanzenteilen
             bei 340 µl CO2/L und 1000 µl CO2/L

             20

             15
       C/N

             10

             5

             0
                     Blätter

                   340 ppm CO2   1000 ppm CO2

CO2 -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 CO2: Rubisco, phosphoenolpyruvate carboxylase and chloroplast phophate translocator at different levels of nitrogen
and phosphorus nutrition. Plant, Cell and Environment (1996) 19

CO2 -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 CO2: étude de protéines foliares et de l‘expression génétique
dans des conditions de nutrition en azote et en phosphore différentes

CO2 -Anstieg in der Atmosphäre - Direkte Effekte auf Pflanzen

                     CO2
                                                                            Abfall der
                     CO2                                                    Ribulosebisphosphat-
                                                                            carboxylase-Aktivität als
                                                                            Adaptationsmechanismus
                                                                            an erhöhtes CO2 in der
                    CO2
                                                                            Atmosphäre ?
                     CO2

H. Rivière-Rolland, P. Contard, T. Betsche
Adaption of pea to elevated atmospheric CO2: Rubisco, phosphoenolpyruvate carboxylase and chloroplast phophate translocator at
different levels of nitrogen and phosphorus nutrition. Plant, Cell and Environment (1996) 19

CO2 -Anstieg in der Atmosphäre - Direkte Effekte auf Pflanzen

           CO2-Assimilation und Biomasse von Nutzpflanzen
                    bei erhöhtem CO2-Partialdruck:
        Vergleich zwischen Kurzzeit- und Langzeit-Experimenten
                                   Zunahme der CO2-Assimilation (%)
                         Weizen       Gerste       Reis       Mais      Kartoffel   Mittelwert
         Blätter
                         +41 ±7      +50 ±31     +42 ±19     +26 ±9     +105 ±49      + 53 %
         Kurzzeit

         Pflanze
                         + 6 ±16     +30 ±17     +27 ±7       +9 ±5        -5         + 16 %
         Langzeit

Zusammenstellung älterer Literaturangaben (Gewächshaus o. ä. ), verschiedene experimentelle Bedingungen !

CO2 -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) ??

CO2 -Anstieg in der Atmosphäre - Direkte Effekte auf Pflanzen

              Proteingehalte in Mehlen von Weizen,
der im Jahr 1990 bei verschiedenen CO2-Gehalten angezogen wurde

          CO2-Konzentration in der      Protein-Konzentration
           Versuchs-Atmosphäre                 in Mehl
                      -1
                 (µL L )               (% vom Trockengewicht)
                      350
                                                 15,5
               (Luft im Jahr 1990)
                      550                        13,4

                      900                        13,4

CO2 -Anstieg in der Atmosphäre - Direkte Effekte auf Pflanzen

   Open-top-Kammern = Offene Feldkammern
                   FAL-Braunschweig

CO2 -Anstieg in der Atmosphäre - Direkte Effekte auf Pflanzen

            Praxis der Landwirtschaft:

      Was bewirken erhöhte CO2-Konzentrationen
           tatsächlich in der Landwirtschaft:
            Weizenertrag- und Qualität ?

                      FACE
  = Freiluft-CO2 Anreicherungsexperimente