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Influence of elevated CO2 concentration on salt and drought resistance mechanisms of the C4 xero-halophyt Atriplex nummularia.

Mira L. Sulzbacher (2013)

Bachelorthesis vom 29.08.2013

 

Influence of elevated CO2 concentration on salt and drought resistance mechanisms of the C4 xero-halophyt Atriplex nummularia.


Auswirkung von erhöhtem CO2 auf die Salz- und Trockenresistenz der C4 Xero-Halophyte Atriplex nummularia.

 

Abstract

To combat the problem of world hunger in times of climate change, it is necessary to know the effects of climate change on crop plants, so that alternative plants can possibly be cultivated in future.

In the course of climate change, plants will be exposed to increased salt and drought stress. Their main effects on plant growth (osmotic effects and reduction of the CO2-gas ex-change) can be ameliorated by elevated CO2 in C3-plants. In C4 plants however, the CO2 effect is less obvious. Against this background, this study examined the influence of elevated CO2 concentration on the salt and drought resistance of Atriplex nummularia, a C4-xero-halophyte which is used as a fodder plant. Under ambient and elevated CO2 salt stress (0, 100, 300, 500, 750 mM NaCl) and drought stress (limited irigation) were applied, respectively. Gas exchange was analyzed with the Junior PAM and the LI-COR 6400. Furthermore the chlorophyll content was measured with the SPAD and the water potential of the top of the shoot was measured with the scholander bomb.

It was determined that there is an optimum for salt resistance of A. nummularia at 300 mM NaCl and, when measured, at 100 mM NaCl. High salinity led to a more severe water defi-ciency than drought, which could be recognized by a very low water potential and led to a higher water use efficiency (WUE). The photosynthetic rate decreased, but the respiration rate increased because more energy was needed for salt resistance mechanisms. The 750 mM NaCl-plants needed clearly more than four electrons per fixed CO2-molecule. The photoinhibition of these plants is high due to the nearly closed stomata. Elevated atmospheric CO2 had no significant effect on plant growth or other harvest parameters except the LMA, which was lower. However there were significantly positive effects on many photo-synthesis parameters, especially on WUE, ETR/A and photoinhibition. Regarding these parameters, stressed plants that were grown under elevated CO2 show a better performance than those grown under ambient CO2.

In conclusion, elevated atmospheric CO2 has a slightly positive effect on salt resistance of Atriplex nummularia. The plant is suitable for being cultivated on saline soils today and in future and can contribute to combat the problem of world hunger due to its high fodder potential.

Kurzfassung

Um das Problem des Welthungers auch in Zeiten des Klimawandels bekämpfen zu können, ist es notwendig die Auswirkungen der Klimaveränderung auf die Nahrungspflanzen zu kennen, um gegebenenfalls zukünftig alternative Pflanzen anzubauen.

Im Zuge des Klimawandels werden Pflanzen einem vermehrten Salz- und Trockenstress ausgesetzt sein. Deren Haupteffekte auf das Pflanzenwachstum (osmotische Effekte und Reduktion des CO2-Gaswechsels) können bei C3-Pflanzen durch erhöhtes CO2 abgemildert werden. Für C4-Pflanzen ist der CO2-Effekt jedoch weniger eindeutig. Vor diesem Hinter-grund wurde in dieser Studie der Einfluß von erhöhter CO2-Konzentration auf die Salz- und Trockenresistenz der C4-Pflanze Atriplex nummularia, einer Xero-Halophyte, die als Futtermittel genutzt wird, untersucht. Jeweils unter atmosphärischem und erhöhtem CO2 wurde Salzstress (100, 300, 500, 750 mM NaCl) und Trockenstress (eingeschränktes Gießen) appliziert. Untersucht wurde der Gaswechsel mit dem Junior-PAM und dem LI-COR 6400. Außerdem wurden der Chlorophyllgehalt der Blätter mit dem SPAD und das Wasserpotential der Sprossspitze mit der Scholander-Bombe gemessen.

Festgestellt wurde, dass es für die Salzresistenz von A. nummularia eine Optimumskurve bei 300 mM NaCl- und, wenn gemessen, 100 mM NaCl gibt. Hohe Salzgehalte in Böden und Nährlösung führten zu stärkerem Wassermangel als Trockenheit, was vor allem an einem niedrigeren Wasserpotential erkennbar war und zu einer verbesserten Wassernutzungseffizienz (WUE) führte. Die Photosyntheserate sank, dafür stieg die Respirationsrate an, da mehr Energie für Salzresistenzmechanismen gebraucht wurde. Bei den 750 mM NaCl-Ansätzen wurden deutlich mehr als 4 Elektronen pro fixiertem CO2 benötigt. Die Photoinhibition dieser Pflanzen war durch die weitestgehend verschlossenen Stomata groß. Eine Erhöhung des CO2-Gehalts in der Luft sorgte für keinen signifikanten Effekt auf das Wachstum der Pflanzen und andere erfasste Ernteparameter, außer auf die LMA, welche geringer wurde. Allerdings gab es einen signifikanten positiven Einfluss auf viele Photosyntheseparameter und besonders auf WUE, ETR/A-Rate und Photoinhibition. Hier brach-ten die unter erhöhtem CO2 gewachsenen Pflanzen, welche Salz oder Trockenheit ausgesetzt waren, in der Regel mehr Leistung als die unter atmosphärischem.

Erhöhter CO2-Gehalt in der Luft wirkt sich also geringfügig positiv auf die Salzresistenz von A. nummularia aus. Die Pflanze ist auch in Zukunft für saline Standorte geeignet und kann mit ihrem Futterpotential einen Beitrag zur Bekämpfung des Welthungers leisten.