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Variability of physiological traits and growth performance in aspen assemblages differing in genetic relatedness

dc.contributor.advisorLeuschner, Christoph Prof. Dr.de
dc.contributor.authorMüller, Annikade
dc.date.accessioned2012-04-16T14:54:38Zde
dc.date.available2013-01-30T23:50:31Zde
dc.date.issued2011-03-25de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-ADFC-7de
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-446
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-446
dc.description.abstractIn Anbetracht der Diskussion über nachwachsende Rohstoffe und die damit verbundene ansteigende globale Nachfrage sind die Holzproduktion und ein ökonomisches Management von großer Bedeutung. In Europa und Nord Amerika haben sich in den letzten Jahren zunehmend Kurzumtriebsplantagen etabliert. Pappeln und Weiden gehören im Allgemeinen zu den besonders schnellwüchsigen Gehölzen und sind durch eine hohe Produktivität gekennzeichnet. Daher werden sie bevorzugt in Form von Kurzumtriebsplantagen bewirtschaftet, um eine schnelle und möglichst effektive Holzgewinnung zu gewährleisten. Nichtsdestotrotz wurden Aspen (Populus tremula L. und Populus tremuloides Michx.) lange Zeit vernachlässigt, da ihr maximaler jährlicher Zuwachs später auftritt als bei der Schwarzpappel oder Balsampappel, was wiederum dazu führt das Aspen längere Rotationszeiten benötigen. Diese Arbeit konzentriert sich jedoch auf Aspen (P. tremula und P. tremuloides) als Versuchsobjekte, da sie eine here Toleranz gegenüber Trockenheit und nährstoffarmen Böden besitzen und im Vergleich zu andern Pappelarten die geringsten Ansprüche an ihr Habitat stellen. In Anbetracht der vorhergesagten Klimaszenarien, welche erhöhte Temperaturen und abfallende Niederschläge beinhalten, stellen Aspen daher eine vielversprechende Alternative für Kurzumtriebsplantagen dar. In den Jahren 2008 und 2009 haben zwei Versuche stattgefunden, wobei zunächst sechs nah verwandte Vollgeschwister-Familien von P. tremula aus Deutschland (genetische Distanz: 2-30%) in einen Topfexperiment untersucht wurden. Im darauffolgenden Jahr wurde ein Freilandexperiment durchgeführt, in dem entfernt verwandte Aspen Kollektive (genetische Distanz: 20-40%) aus Mitteleuropa untersucht wurden, sowie wie zwei Apenarten (P. tremula mit deutschem Hintergrund und P. tremuloides mit amerikanischem Hintergrund; genetische Distanz: 77%). Mit Hilfe dieses Versuchsaufbaues war es daher möglich drei unterschiedliche Aspengruppen zu untersuchen, die sich in ihrer Herkunft und genetischen Distanzen unterscheiden. In beiden Experimenten wurden mehr als 30 phänotypische Parameter untersucht mit dem Ziel: 1) die besten Biomasseindikatoren aus einem Pool von phänologischen, morphologischen und physiologischen Variablen zu identifizieren und 2) ihren Beitrag an erfolgreichem Pflanzenwachstum für jede Gruppe zu ermitteln. 3) Weiterhin wurde die Abhängigkeit der untersuchten Parameter von der genetischen Konstitution für jede Gruppe ermittelt. Ziel dieser Arbeit ist es die Ergebnisse zu nutzen und Empfehlungen für Züchtungsprogramme und Kurzumtriebsplantagen zu formulieren. In dem Topfexperiment von 2008 konnte gezeigt werden, dass trotz der genetischen Distanz von 2-30% die gemessenen ökophysiologischen Parameter der sechs Vollgeschwister-Familien, ein extrem konservatives Muster aufweisen und eine sehr geringe Varianz besitzen. Wir konnten weder einen saisonalen Trend der aufgenommenen Parameter beobachten noch signifikante Unterschiede zwischen den untersuchten Vollgeschwister-Familien, während die Produktivität zwischen den Familien bis zu 30% variierte. Die Wachstumsrate korrelierte mit mehreren morphologischen Parametern, am stärksten jedoch mit der Anzahl der Blätter und der Blattfläche. Der Zeitpunkt des Blattaustriebs korrelierte mit der Anzahl der Blätter (früh austreibende Familien produzierten mehr Blätter) und war signifikant von der Genetik beeinflusst. Die entfernt verwandten Aspen Kollektive, welche im Freiland untersucht wurden, unterschieden sich bis zu 30% in ihrer Produktivität mit großem genetischen Einfluss, während die Assimilationsrate und die meisten Photosynthese- und Wasserstatus-Parameter eine geringe intraspezifische Variation zeigten und keinen signifikanten Einfluss auf die Produktivität. Der Zeitpunkt des Netto-Blattabwurf (Blattabwurf > Blattproduktion) im Spätsommer zeigte deutliche Unterschiede zwischen den Kollektiven und resultierte in Unterschieden in der maximalen Blattfläche und dem Verhältnis zwischen abgeworfenen zu produzierten Blättern. Beide Parameter wurden als entscheidende Faktoren identifiziert, welche die Produktivität beeinflussen. Der Vergleich zwischen den beiden Aspenarten zeigte eine 20% höhere Produktivität der amerikanischen Aspen als die der europäischen Aspen, welche auf eine höhere Blattfläche der amerikanischen Spezies zurückgeführt werden konnte. Für die Assimilationsrate und die Länge der beblätterten Periode konnte hingegen kein signifikanter Einfluss auf die Produktivität gezeigt werden. Arten-spezifische Unterschiede im Zeitpunkt des Blattabwurfs im Spätsommer wurden als ausschlaggebende Faktoren identifiziert, welche die Blattfläche und somit auch die Produktivität beeinflussen. Diese Arbeit hat gezeigt, dass die meisten pflanzenphysiologischen Parameter aufgrund ihrer geringen phänotypischen Varianz nicht geeignet sind für Züchtungsprogramme. Nichtsdestotrotz sollten sie jedoch nicht vernachlässigt werden, da ihr Einfluss auf die Produktivität unter nicht-optimalen Habitatbedingungen ansteigen kann. Die Selektion von schnellwachsenden Aspengenotypen sollte sich daher auf Blattphänologie und Blattfläche-assoziierte Parameter konzentrieren, da sie einen großen Einfluss auf Produktivität haben und unabhängig von der Variabilität des Pflanzmaterials sind.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de
dc.titleVariability of physiological traits and growth performance in aspen assemblages differing in genetic relatednessde
dc.typecumulativeThesisde
dc.title.translatedVariabilität physiologischer Parameter und Wachstum von Aspen mit unterschiedlicher genetischer Herkunftde
dc.contributor.refereeLeuschner, Christoph Prof. Dr.de
dc.date.examination2011-02-09de
dc.subject.dnb570 Biowissenschaften, Biologiede
dc.description.abstractengDue to the increasing demand for wood and renewable energy sources, short-rotation forestry with its reliance on highly productive Populus species is in the focus of current ecological research. In order to optimize biomass gain, Populus research has in recent decades mainly centred on productivity and related traits for poplar species which could be proven to be highyielding. Aspen (Populus tremula and Populus tremuloides), however, have for a long time been neglected, because their highest annual increment occurs later than for e.g. black poplar and balsam poplar and they therefore need longer rotation times. However, in this thesis we concentrated on aspen (P. tremula and P. tremuloides) as study objects because they cope better with drought on poor soils and have the lowest demand regarding habitat conditions when compared to other poplar species. These features make aspen a promising alternative for short-rotation forestry in the face of the future climate scenarios, which include increasing temperatures and decreasing summer precipitation. Therefore, we established a common-garden experiment in 2008 with closely related aspen full-sib families (P. tremula: 2-30% genetic distance) as study objects. In the subsequent year, we established a field experiment with more distantly related aspen collectives (P. tremula: 20-40% genetic distance) originating from Central Europe as well as two different aspen species (P. tremula with German origin and P. tremuloides with American background differing 77% in their genetic distance) as study objects. Hence, we worked with three aspen assemblages along a gradient of genetic relatedness. In both experiments we investigated more than 30 phenotypic traits with the aim 1) to identify from this pool of phenological, morphological and plant physiological traits, the best biomass predictors and controlling factors and 2) to reveal their contribution to successful plant growth for each study assemblage and 3) to determine their dependency on genetic constitution. The ultimate goal of this study was to use our results to provide advice for plant breeding and cultivation programmes in the context of short-rotation forestry. The results of the common-garden experiment showed that despite genetic distances of 2 to 30%, the aspen full-sib families had no significant differences in photosynthesis related traits, even though productivity differed up to twofold between the families. Growth rate was related to several morphological traits, most closely to leaf number and total leaf area. The start of bud burst correlated with the leaf number (early-starting families produced more leaves), and was significantly influenced by the genetic constitution. The more distantly related aspen collectives studied in the field experiment differed by more than 30% in productivity with a large genotype effect, while assimilation rate and most photosynthetic and water status traits showed a relatively small intraspecific variation with no significant influence on productivity. The timing of the beginning of net leaf loss (leaf abscission > leaf production) in early and mid-summer differed between the studied aspen collectives and resulted in different maximum leaf areas and ratios of leaves lost to leaves produced, which were identified as key factors controlling productivity. The comparison between the two aspen species showed a 20% higher productivity in American aspen than European aspen, which was nearly entirely caused by a larger mean leaf area of P. tremuloides, while mean assimilation rate and the length of the leafy period were of minor importance. Species-specific differences in the onset of leaf abscission in early autumn were identified as main determinants of the size of mean plant leaf area and thus of productivity. This study showed that most plant physiological parameters were not suitable for selection or breeding programmes due to their low phenotypic variation, but should not be neglected in growth experiments because their impact on productivity might increase under non-optimal habitat conditions. Therefore we conclude that selection for high-yielding aspen genotypes should focus on leaf phenology and total leaf area associated traits, because they are stable and have a great impact on yield irrespective of the variability in the plant material.de
dc.contributor.coRefereeKleinn, Christoph Prof. Dr.de
dc.contributor.thirdRefereeGansert, Dirk PD Dr.de
dc.subject.topicBiology (incl. Psychology)de
dc.subject.gerPappelde
dc.subject.gerPopulus tremulade
dc.subject.gerKurzumtriebsplantagende
dc.subject.gerWachstumsanalysede
dc.subject.gerPhysiologiede
dc.subject.gerPhotosynthesede
dc.subject.gerBlattphänologiede
dc.subject.gerGenetische Variabilitätde
dc.subject.engPoplarde
dc.subject.engPopulus tremulade
dc.subject.engShort-rotation plantationsde
dc.subject.enggrowth analysisde
dc.subject.engphysiologyde
dc.subject.engphotosynthesisde
dc.subject.engleaf phenologyde
dc.subject.enggenetic variationde
dc.subject.bk42.9de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-2897-1de
dc.identifier.purlwebdoc-2897de
dc.affiliation.instituteBiologische Fakultät inkl. Psychologiede
dc.subject.gokfullWde
dc.identifier.ppn661026639de


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