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Genotypic variation in drought response of silver birch (Betula pendula Roth)

Genotypische Variation der Trockenstress-Antwort der Hängebirke (Betula pendula Roth)

by Stella Aspelmeier
Doctoral thesis
Date of Examination:2001-10-30
Date of issue:2002-01-16
Advisor:Prof. Dr. Christoph Leuschner
Referee:Prof. Dr. Michael Runge
crossref-logoPersistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-1283

 

 

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Name:aspelmeier.pdf
Size:776.Kb
Format:PDF
Description:Dissertation
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Abstract

English

Young trees of four clones of Betula pendula from origins with different amounts of precipitation were subjected to prolonged drought periods in two subsequent summers. The aims of this study were: (1) to investigate the drought response of silver birch in a multi-level approach and to elucidate the basis of the particularly wide physiological amplitude of this species and (2) to analyse variation in drought responses of different genotypes in order to identify potential genotypic differences with regard to their adaptability to drought. Responses of different physiological, biochemical, and morphological parameters to water shortage were regularly analysed: CO2 and H2O gas exchange were investigated under ambient and elevated CO2 concentration; leaf water status and osmotic adjustment were analysed with the pressure-chamber technique and pressure volume curves; leaves were analysed for chlorophyll and nitrogen content, and carbon isotopic composition; at the end of each drought period, trees were completely harvested and above- and belowground masses and areas determined.The following results were obtained: (1) Reduction of stomatal conductance was the first and most plastic response of silver birch to water shortage, thus effectively maintaining predawn leaf water potentials; non-stomatal limitations of photosynthesis were not detected. (2) Silver birch appeared to be capable of osmotic adjustment, which was mainly used during the phase of establishment. (3) Marked responses of total leaf area and the especially plastic phenology of this species have to be classified as adaptations to drought. (4) Both within-organ and between-organ allocation of biomass responded to drought. (5) Genotypes from drier locations displayed higher degrees of osmotic adjustment than those from origins with better water supply. (6) Genotypes from drier locations reached higher stomatal conductances under both well watered and drought stressed conditions. (7) Paticularly one genotype from a stand prone to summer drought displayed a more prodigal water use strategy than the genotypes from origins with higher precipitation. This strategy in combination with effective mechanisms of both drought avoidance and tolerance is classified as highly competitive and adapted to habitats with edaphic summer droughts.In conclusion, all genotypes responded to water shortage by marked mechanisms of drought avoidance on all levels of plant performance; The extent of response, however, appeared to be partly affected by adaptations to places of origin, with the genotypes from drier locations displaying a tendency for more prodigal water use strategies.
Keywords: Betula pendula; drought; phenotypic plasticity

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Jungbäume aus vier Klonen von Betula pendula von Standorten mit unterschiedlichen Niederschlagsmengen wurden in zwei aufeinanderfolgenden Sommern langen Trockenperioden ausgesetzt. Die Ziele dieser Untersuchung waren (1), die Trockenstress-Antwort der Hängebirke auf verschiedenen Ebenen zu untersuchen und so die Basis der weiten physioligischen Amplitude dieser Art zu erfassen, und (2), potentielle genotypische Unterschiede hinsichtlich der Angepasstheit an Trockenstress zu erfassen. Reaktionen verschiedener physiologischer, biochemischer und morphologischer Parameter auf Wassermangel wurden regelmässig untersucht: Der CO2 und H2O-Gaswechsel wurde unter erhöhten und normalen CO2-Gehalten analysiert; der Blattwasserzustand und osmotische Anpassungen wurden mit der Druckkammer Technik und Druck-Volumen-Kurven untersucht; die Chlorophyll- und Stickstoffgehalte der Blätter sowie ihre Kohlenstoffisotopen-Zusammensetzung wurden analysiert; am Ende jeder Trockenperiode wurden Bäume komplett geerntet und ihre ober- und unterirdischen Massen und Flächen bestimmt.Die folgenden Ergebnisse wurden gefunden: (1) Die erste und plastischste Reaktion auf Trockenheit war die Reduktion der stomatären Leitfähigkeit, wodurch ein Absinken der Predawn-Blattwasserpotentiale verhindert wurde; es kam nicht zu nicht-stomatären Limitierungen der Photosynthese. (2) Die Hängebirke scheint fähig zur osmotischen Anpassung zu sein; diese wurde hauptsächlich in der Phase der Etablierung eingesetzt. (3) Deutliche Reaktionen der Gesamt-Blattfläche und die auffällig plastische Phenologie dieser Art müssen als Anpassungen and Trockenheit gewertet werden. (4) Allokationsmuster reagierten sowohl innerhalb, als auch zwischen Organen auf den Trockenstress. (5) Genotypen von trockeneren Standorten zeigten grössere osmotische Anpassungen als solche regenreicherer Herkunft. (6) Genotypen trockenerer Standorte erreichten sowohl gut gewässert, als auch unter Trockenstress die höchsten Blattleitfähigkeiten. (7) Besonders ein Genotyp von einem für Sommerdürren anfälligen Standort zeigte eine verschwenderischere Wassernutzungs-Strategie als die Genotypen von regenreicheren Standorten. Im Zusammenhang mit den effektiven Mechanismen der Stress-Vermeidung und -Toleranz ist diese Strategie sehr konkurrenzstark und an Standorte mit edaphischer Sommertrockenheit angepasst.Zusammenfassend reagierten alle Genotypen mit deutlichen Mechanismen der Stress-Vermeidung auf allen Ebenen auf die Tockenperioden. Das Ausmass dieser Reaktionen schien jedoch zum Teil von Anpassungen and die Herkunftsorte der Klone geprägt zu sein. So zeigten die Genotypen von trockeneren Standorten die Tendenz zu einem verschwenderischerem Umgang mit Wasser.
Schlagwörter: Betula pendula; Trockenstress; Phenotypische Plastizität
 

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