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Doctoral Thesis
2019
Analyse von Wachstum und Qualität von Weizen unter ansteigender CO2 Konzentration als Folge des Klimawandels
Analyse von Wachstum und Qualität von Weizen unter ansteigender CO2 Konzentration als Folge des Klimawandels
Abstract (English)
The atmospheric CO2 concentration is expected to increase to 500–620 ppm in the future. Such an elevated atmospheric CO2 concentration (e[CO2]) increases grain yield, but can decrease tissue N concentrations by about 9% in wheat. This could endanger global food security. Moreover, in previous studies, a decrease of grain N concentration by e[CO2] has closely been associated with that of gluten proteins, indicating a decreased baking quality under e[CO2]. The mechanisms by which e[CO2] decreases N concentration are still unclear and FACE studies investigating CO2 x N interactions on the formation of grain yield and the quality of winter wheat are scarce.
The first main objective was the analysis of a decreased N concentration in the grain by e[CO2] in winter wheat based on a two-year FACE experiment with widely differing N levels (35 to 320 kg N ha-1) and different N forms (NO3- and NH4+). The focus was on key processes of grain N acquisition that are leaf NO3- assimilation, N remobilization and post-anthesis N uptake. The hypotheses were: e[CO2] inhibits leaf NO3- assimilation, e[CO2] decreases N remobilization (Nrem) by decreased N concentrations at anthesis and e[CO2] decreases post-anthesis N uptake (Nabs) by inhibition of leaf NO3- assimilation or acceleration of senescence. The second main objective was the simultaneous analysis of the e[CO2] effect on the grain proteome and baking quality with the hypothesis that e[CO2] reduces gluten proteins and thereby baking quality.
e[CO2] increased grain yield in all N levels by 10% to 17% mainly through enhanced grain number per m2 ground area. This was due to increased radiation use efficiency (chapter 2). These increases were smaller under N deficiency compared with high N supply. The reasons were a reduction of photosynthesis capacity by e[CO2] and a sink limitation concerning grain yield due to N deficiency during ear growth. The indication for the reduction of photosynthesis capacity was a decrease of leaf N concentration under e[CO2] regardless of green leaf area index under N deficiency. An indication for sink limitation of grain yield was the decrease of harvest index by e[CO2] because of a strong and small stimulation of stem and ear growth, respectively by e[CO2].
Grain N yield was increased by e[CO2] under all N levels (chapter 3). There was a strong linear relation between grain N yield and grain number that was unaffected by e[CO2]. In contrast with the hypotheses of an decreased Nrem and Nabs under e[CO2], e[CO2] resulted in an increase of Nrem, Nrem efficiency and Nabs, causing the increase of grain N yield. Nevertheless, e[CO2] slightly decreased grain N concentration (by 1 to 6%), whereby the smallest effect of 1% was found under N deficiency. This decrease was primarily related to a growth dilution effect due to an increased individual grain weight under e[CO2]. A further reason was a stronger increase of grain number than an increase of vegetative N yield at anthesis by e[CO2] and thereby a decrease of the ratio between the N source and the N sink.
Indication for an e[CO2] induced inhibition of leaf NO3- assimilation was not found as e[CO2] did not result in a decreased activity of leaf nitrate reductase under all N levels at both cool (17 °C) and warm (28 °C) temperatures (chapter 4). Furthermore, the e[CO2] induced stimulation of growth and N acquisition was not stronger under NH4+ compared with NO3- based N-fertilization.
Reduction of grain protein concentration by e[CO2] was associated with reduced albumin/globulin and gluten concentrations under all N levels (chapter 5). Under optimal N supply, the grain protein composition was changed by e[CO2] with altogether 19 decreased and 17 increased protein spots. 15 out of the 16 identified decreased proteins were globulins, whereas specific gluten proteins were not found to be affected by e[CO2]. Correspondingly, baking quality remained unaffected under e[CO2] under all N conditions.
In conclusion, grain N yields were increased by e[CO2] due to an increase of Nrem and Nabs with grain number being the driving force. Grain N concentrations were slightly reduced under e[CO2] with a growth dilution effect and a changed source to sink ratio as the underlying mechanisms. The reduction of the grain N concentration by e[CO2] was not specifically associated with a reduction of gluten proteins.
Abstract (German)
Die atmosphärische CO2-Konzentration wird in Zukunft voraussichtlich auf 500–620 ppm ansteigen. Während für Weizen Ertragssteigerungen erwartet werden, könnte unter einer solchen erhöhten atmosphärischen CO2-Konzentration (e[CO2]) die N-Konzentration im Gewebe um etwa 9 % abnehmen. Dies könnte die Ernährungssicherheit gefährden. In vorherigen Studien war die Reduktion der Korn-N-Konzentration eng mit der Reduktion von Gluten-Proteinen verbunden, was zudem eine verminderte Backqualität unter e[CO2] vermuten lässt. Die Mechanismen einer Reduktion der N-Konzentration sind unklar und die Anzahl an FACE-Versuchen mit Untersuchung von CO2 x N-Interaktionen auf die Bildung von Ertrag- und Qualität bei Winterweizen ist gering.
Das erste Hauptziel dieser Arbeit war die Analyse der Reduktion der Korn-N-Konzentration unter e[CO2]-Bedingungen im Rahmen eines zweijährigen FACE-Versuchs mit variierenden N-Stufen (35–320 kg N ha-1) und verschiedenen N-Formen (NO3- und NH4+). Der Fokus lag auf Schlüsselprozesse der Korn-N-Aneignung, bei denen es sich um NO3--Assimilation, N-Remobilisierung und postanthetische N-Aufnahme handelt. Zugrundeliegende Hypothese waren: (i) e[CO2] hemmt die NO3--Assimilation, (ii) e[CO2] reduziert die N-Remobilisierung (Nrem) durch Reduktion der N-Konzentration im Wachstumsstadium der Anthese und (iii) e[CO2] reduziert die postanthetische N-Aufnahme (Nabs) durch Beschleunigung der Seneszenz oder Hemmung der NO3--Assimilation. Das zweite Hauptziel war die kombinierte Analyse der e[CO2]-Wirkung auf das Korn-Proteom und auf die Backqualität. Hier war die Hypothese, dass e[CO2] Gluten-Proteine beeinträchtigt und dadurch die Backqualität verringert.
e[CO2] steigerte den Kornertrag in allen N-Stufen um 10 – 17 %, was hauptsächlich auf der Steigerung der Kornzahl pro m2 Bodenfläche basierte. Dies war auf eine Zunahme der Strahlungsnutzungseffizienz zurückzuführen (Kapitel 2). Jedoch waren diese Steigerungen bei N-Mangel signifikant geringer. Die Gründe hierfür waren eine Reduktion der Photosynthesekapazität durch e[CO2] und eine Senken-Limitierung des Kornertrags durch N-Mangel während des Ährenwachstums. Die Reduktion der Photosynthesekapazität ließ sich auf die Reduktion der Blatt-N-Konzentration durch e[CO2] ungeachtet des grünen Blattflächenindexes bei N-Mangel zurückführen. Ein Hinweis für eine Senken-Limitierung des Kornertrags war die Reduktion des Ernteindex durch e[CO2] aufgrund einer starken Steigerung der Halm- aber einer geringfügigeren Steigerung der Ährenbiomasse durch e[CO2].
Der Korn-N-Ertrag wurde durch e[CO2] in allen N-Stufen gesteigert was auf Steigerungen der Nrem, Effizienz der Nrem und Nabs basierte (Kapitel 3). Dies widerlegt die Hypothesen einer Reduktion der Nrem und Nabs durch e[CO2]. Es gab eine starke lineare Beziehung zwischen dem Korn-N-Ertrag und der Kornzahl, die durch e[CO2] nicht beeinflusst wurde. Die Korn-N-Konzentration war in allen N-Stufen unter e[CO2] geringfügig reduziert (1–6 %), wobei diese bei N-Mangel lediglich um 1 % verringert war. Der Hauptgrund für diese Verminderung war ein Verdünnungseffekt durch eine Steigerung des Einzelkorngewichts durch e[CO2]. Ein weiterer Grund war eine stärkere Steigerung der Kornzahl als des vegetativen N-Ertrags zur Anthese durch e[CO2], was eine Reduktion der N-Quelle relativ zur N-Senke durch e[CO2] bedeutet.
Eine Reduktion der NO3--Assimilation durch e[CO2] konnte nicht festgestellt werden (Kapitel 4). Die Hinweise dafür sind: keine Hemmung der Blatt Nitratreduktase-Aktivität durch e[CO2] bei geringen (17 °C) und hohen (28 °C) Temperaturen und keine stärkere Steigerung von Wachstum und N-Aneignung durch e[CO2] bei NH4+ - verglichen mit NO3- betonter Düngung.
Die Reduktion der Korn-N-Konzentration durch e[CO2] war in allen N-Stufen mit einer geringfügigen Reduktion der Albumin/Globulin- und Gluten-Konzentration verbunden (Kapitel 5). Bei optimaler N-Versorgung ergab e[CO2] eine Veränderung des Korn-Proteoms mit insgesamt 19 reduzierten und 17 erhöhten Proteinspots. In 15 der 16 identifizierten verminderten Proteinspots wurden Globuline, aber keine Gluten-Proteine festgestellt. Entsprechend gab es in allen N-Stufen unter e[CO2] keine Verminderung der Backqualität.
Zusammengefasst, waren unter e[CO2] die Korn-N-Erträge aufgrund der Zunahme von Nrem und Nabs gesteigert. Die Kornzahl war hierfür die treibende Kraft. Die N-Konzentration war unter e[CO2] geringfügig reduziert und die zugrundeliegenden Mechanismen waren ein Verdünnungseffekt durch ein gesteigertes Einzelkorngewicht und eine Reduktion der N-Quelle relativ zur N-Senke. Die Reduktion der Korn-N-Konzentration durch e[CO2] war nicht spezifisch mit einer Reduktion von Gluten-Proteinen assoziiert.
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Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Crop Science
Examination date
2020-04-28
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Language
German
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Collections
Original object
Standardized keywords (GND)
BibTeX
@phdthesis{Dier2019,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6539},
author = {Dier, Markus},
title = {Analyse von Wachstum und Qualität von Weizen unter ansteigender CO2 Konzentration als Folge des Klimawandels},
year = {2019},
school = {Universität Hohenheim},
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