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dc.contributor.advisor Polle, Andrea Prof. Dr. de
dc.contributor.author Luo, Zhibin de
dc.date.accessioned 2006-02-14T15:12:59Z de
dc.date.accessioned 2013-01-18T11:00:42Z de
dc.date.available 2013-01-30T23:50:10Z de
dc.date.issued 2006-02-14 de
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B16C-0 de
dc.description.abstract Die atmosphärische Kohlenstoffkonzentration (CO2) ist seit dem Beginn der Industrialisierung kontinuierlich gestiegen. Gleichzeitig hat die Deposition von Stickstoff ebenfalls zugenommen. Die Auswirkungen dieser Umwelteinflüsse auf die Holzqualität und die Verteilung von Kohlenstoff (C)- bzw. Stickstoff (N) in Kurzzeit- und Langzeit-Depots im Holz forstwirtschaftlich genutzter Bäume sind bisher noch nicht klar. Um diese Fragen näher zu beleuchten, wurden Klone der Pappelarten Populus × euramericana, Populus alba und Populus nigra unter ambienten Kohlenstoffkonzentrationen (≈ 370 ppm CO2) oder erhöhten Kohlenstoffkonzentrationen [CO2] (≈ 550 ppm CO2) in Mittelitalien angezogen. Dies fand unter Anwendung der Free-Air CO2 Anreicherungstechnologie (FACE) statt. Das FACE-Projekt war für sechs Jahre angesetzt. Nach drei Jahren wurde die Anpflanzung auf den Stock zurückgesetzt und nach dem Austrieb die Hälfte der Bäume zusätzlich mit Stickstoff gedüngt. In der vorliegenden Arbeit wurden diese Sekundärtriebe untersucht.Um die Holzqualität in Bezug auf die erhöhte CO2-Konzentration und Stickstoffdüngung zu charakterisieren, wurde Wachstum und Holzanatomie der drei Pappelklone untersucht. Die anatomischen Untersuchungen zeigten, daß die Kombination von erhöhtem Kohlendioxid und erhöhter Stickstoffdüngung zu einer einer Verringerung der Zellwände an der Querschnittsfläche in der Höhe 5-12 % in allen drei Klonen führten. Daraus können für die Zukunft negative Effekte auf die Holzqualität abgeleitet werden.Um die Kohlenstoffverteilung zwischen Kurzzeit- und Langzeitdepots im Holz unter erhöhtem CO2 und unter erhöhter Stickstoffdüngung zu quantifizieren, wurden in P. nigra die Kohlenstoffkonzentration und die Depotgröße bestimmt. Der Haupteffekt von erhöhtem CO2 und der zusätzlichen Stickstoffdüngung war eine Stimulierung der oberirdischen Biomasse um 30 %. Die relative C-Verteilung zwischen mobilen und immobilen Fraktionen wurde von der erhöhten Kohlendioxid- und Stickstoffkonzentration nicht signifikant beeinflusst.Um Sekundärmetabolite und die internen Stickstoffdepots unter erhöhtem CO2 und Stickstoffeinfluss näher zu charakterisieren, wurden kohlenstoffbürtige Produkte wie Phenole und Tannine, die Gesamtstickstoffkonzentration und ligningebundene Stickstoff bei P. nigra gemessen. Weder die erhöhte CO2-Konzentration noch die erhöhte Stickstoffzufuhr veränderten die Stickstoffverteilung zwischen ligningebundenem Stickstoff und anderen stickstoffhaltigen Verbindungen. In P. nigra existierte eine positive Korrelation zwischen der Proteinbiosynthese und der Produktion von Sekundärmetaboliten.Um einen Einblick in die molekularen Mechanismen zu gewinnen,, die für die Veränderungen der Eigenschaften des Holzes unter erhöhtem Kohlendioxidgehalt und erhöhter Stickstoffdüngung verantworlich sind, wurden Holzanatomie, Ligningehalt, Brennwert und chemische Holzzusammensetzung (mittels Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie, FTIR) analysiert und in Bezug zum Genexpressionprofil des sich differenzierenden Xylem gesetzt. Gemeinsam verursachen die CO2-Begasung und die Stickstoffdüngung eine erhöhte Ligninbildung; der Brennwert des Holzes wurde durch diese Behandlungen nicht beeinflusst. Die Transkriptionsanalyse mit Hilfe eines microarrays, der ca. 3 444 verschiedene Genfragmente der Pappel trug, ergab, dass nur wenige Transkripte durch die erhöhte CO2-Konzentration und/oder die vermehrte Stickstoffzugabe signifikant verändert waren. Dies beinhalte zwei Gene, die bei der Ligninbiosynthese eine Rolle spielen, d.h.eine Kaffeesäure-O-Methyltransferase 1 (COMT-1) und eine Ferulat-5-Hydroxylase (F5H). Daß erhöhtes CO2 in Kombination mit N-Düngung den Ligninstoffwechsel antreibt, wird auch durch die Ergebnisse der Klasonligninanalyse und der FTIR-Analyse gestützt.Auf der Basis dieser Ergebnisse kann vermutet werden, dass unter den für die Zukunft prognostizierten Klimabedingungen negative Auswirkungen auf die Holzqualität zu erwartet sind. Assimilierter Kohlenstoff kann vermehrt für das strukturelle Wachstum eingesetzt werden, insesondere wenn die für die Plantagenwirtschaft genutzten Flächen unter erhöhtem CO2 zusätzlich gedüngt werden. Das Abwehrvermögen in Form phenolischer Verbindngen war trotz vermehrten Wachstums unter diesen Bedingungen nicht vermindert. de
dc.format.mimetype application/pdf de
dc.language.iso eng de
dc.rights.uri http://webdoc.sub.gwdg.de/diss/copyr_diss.html de
dc.title Wood Quality, Carbon and Nitrogen Partitioning, and Gene Expression Profiling in <i>Populus</i> Exposed to Free Air CO<sub>2</sub> Enrichment (FACE) and N-fertilization de
dc.type doctoralThesis de
dc.title.translated Auswirkungen von CO<sub>2</sub>-angereicherter Luft im Freiland (FACE) und zusätzlicher Stickstoffdüngung auf die Holzqualität, Kohlenstoff- und Stickstoffverteilung, sowiedie Genexpression bei Pappeln de
dc.contributor.referee Polle, Andrea Prof. Dr. de
dc.date.examination 2005-12-19 de
dc.subject.dnb 580 Pflanzen (Botanik) de
dc.description.abstracteng Atmospheric CO2 concentrations ([CO2]) are continuously rising since the beginning of the industrialization. At the same time, N-deposition is also increasing. The influences of elevated CO2 and fertilization on the physiology and development of forest trees have been intensively studied. However, the effects of these environmental factors on wood quality, carbon and nitrogen allocation to long- and short-term C-N pools in wood of forest trees are not clear yet. To shed light on these questions, Populus × euramericana, P. alba, and P. nigra clones were grown in ambient air (about 370 ppm CO2) and in air with elevated [CO2] (about 550 ppm CO2) using Free-Air CO2 Enrichment (FACE) technology in central Italy. FACE was maintained for five years. After three growing seasons, the plantation was coppiced and one half of each experimental plot was fertilized with nitrogen. In secondary sprouts, this investigation was carried out.To characterise wood quality in response to elevated CO2 and N-fertilization, growth and wood anatomy of the three poplar clones were investigated. In the three poplar genotypes, most of anatomical traits showed no uniform response pattern to elevated CO2 or N-fertilization. In P. × euramericana, N-fertilization resulted in significant reductions in fiber lengths. In all three genotypes, N-fertilization caused significant decreases in cell wall thickness. In P. × euramericana and P. alba, elevated CO2 also caused decreases in wall thickness, but less pronounced than nitrogen. In P. nigra and P. × euramericana, elevated CO2 induced increases in vessel diameters. The combination of elevated CO2 and N-fertilization resulted in overall losses in cell wall area of 5 12% in all three clones suggesting that in future climate scenarios, the negative effects on wood quality may be anticipated.To quantify carbon allocation between short- and long-term pools in wood in response to elevated CO2 and N-fertilization, in P. nigra, carbon concentrations and stocks were quantified. Although elevated CO2, N-fertilization and season had significant tissue-specific effects on carbon partitioning to the fractions of structural carbon, soluble sugars and starch as well as to residual soluble carbon, the overall magnitude of these shifts was small. The major effect of elevated CO2 and N-fertilization was on biomass production, resulting in about 30% increases in above ground stocks of cell wall mass. Relative C-partitioning between mobile and immobile C-pools was not significantly affected by elevated CO2 or N-fertilization. These data demonstrate high metabolic flexibility of P. nigra to maintain C-homeostasis under changing environmental conditions.To characterise secondary metabolites and internal N-pools responding to elevated CO2 and N-fertilization, carbon-based secondary compounds, concentrations of total N and Klason lignin-bound N were measured in P. nigra. Elevated CO2 had no influence on lignin, cell wall-bound phenolics and soluble condensed tannins. Higher N-supply slightly but markedly stimulated formation of carbon-based secondary compounds. Elevated CO2 decreased internal N-pools in wood, but external N-supply increased the internal N-pools. In wood, 17 26% of N was bound to Klason lignin forming a resistant N-fraction. Neither elevated CO2 nor higher N-supply altered N-partitioning between lignin-bound N and other N-containing compounds. Positive correlations existed between the biosynthesis of proteins and secondary compounds in P. nigra. These data imply that the growth and defense of forest trees are well orchestrated.To elucidate the molecular mechanism causing changes in wood properties in response to elevated CO2 and N-fertilization, wood anatomy, Klason lignin, calorific value, Fourier transform infrared (FT-IR) spectra of wood were analysed and gene expression profiling in the differentiating xylem was performed in P. × euramericana. Elevated CO2 significantly stimulated the annual ring width in the second year after coppicing. However, elevated CO2 significantly decreased the cell wall, ray parenchyma and vessel lumen fractions, which was mainly due to a significant increase in the fraction of fiber lumina and decreased thickness of fiber walls. Higher N-supply also significantly decreased the cell wall fraction which was due to a marked decrease in the thickness of fiber walls and increases in fiber lumen fraction and fiber lumen diameter. Elevated CO2 and N-fertilization together stimulated lignin formation. This was also confirmed by mapping of lignin distribution and FT-IR spectra in wood. The calorific value of wood was unaffected by elevated CO2 or N-fertilization, whereas N-fertilization significantly enhanced the energy potential of the plantation by 16 69% due to the stimulation of aboveground biomass.Gene expression profiling revealed that only few transcripts were markedly affected by elevated CO2 and/or N-fertilization. Under most conditions, only one transcript was significantly affected on the array containing 3 444 expressed sequence tags (ESTs). When comparing the effect of N-fertilization on gene expression under elevated CO2, 15 transcripts were significantly up-regulated, including two genes, caffeic acid-3-O-methyltransferase 1 (COMT-1) and ferulate-5-hydroxylase (F5H), which are tightly linked to lignin biosynthesis. This observation corresponds well to the findings in Klason lignin analysis, mapping of lignin distribution and FT-IR spectra. Among the 15 transcripts, the enhanced expression of a tubulin gene associated with the cytoskeleton may be related to the altered anatomical properties (diameters of fiber and vessel lumen) in the developing xylem of P. × euramericana under these conditions.Based on the above results, it is concluded that in future climate scenario, the negative effects on wood quality may be anticipated. However, non-structural carbon compounds can be utilized more rapidly for structural growth under elevated atmospheric CO2 in fertilized agro-forestry systems. The growth and defense of forest trees were homeostatically balanced even if increases in atmospheric [CO2] were accompanied by increased N availability. de
dc.contributor.coReferee Militz, Holger Prof. Dr. de
dc.subject.topic Forest Sciences and Forest Ecology de
dc.subject.ger Holzwirtschaft de
dc.subject.ger Biomasse de
dc.subject.ger Brennwert de
dc.subject.ger Klimaveränderung de
dc.subject.ger erhöhter CO<sub>2</sub>-Gehalt de
dc.subject.ger FT-IR de
dc.subject.ger Genexpression de
dc.subject.ger Lignin de
dc.subject.ger Stickstoffdüngung de
dc.subject.ger lösliche Proteine de
dc.subject.ger Phenole de
dc.subject.ger Zucker de
dc.subject.ger Stärke de
dc.subject.ger Tannine de
dc.subject.ger Holzanatomie de
dc.subject.ger Holzeigenschaften de
dc.subject.ger Pappel de
dc.subject.eng Agroforestry de
dc.subject.eng Biomass de
dc.subject.eng Calorific value de
dc.subject.eng Carbon sequestration de
dc.subject.eng Climate change de
dc.subject.eng Elevated CO<sub>2</sub> de
dc.subject.eng FT-IR de
dc.subject.eng Gene expression de
dc.subject.eng Lignin de
dc.subject.eng N-fertilization de
dc.subject.eng Phenolics de
dc.subject.eng Soluble proteins de
dc.subject.eng Starch de
dc.subject.eng Sugar de
dc.subject.eng Tannins de
dc.subject.eng Wood anatomy de
dc.subject.eng Wood properties de
dc.subject.eng <i>Populus</i> de
dc.subject.bk 48.99 de
dc.identifier.urn urn:nbn:de:gbv:7-webdoc-659-9 de
dc.identifier.purl webdoc-659 de
dc.affiliation.institute Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie de
dc.subject.gokfull YQE 000: Physiologie {Forstbotanik} de
dc.subject.gokfull YQO 000: Ökologie {Forstbotanik} de
dc.identifier.ppn 51293021X de

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