Project

nitrogen nutrition; ecophysiology; dark respiration; plant metabolism; isotope fractionation; carbon dioxide

Lead
Steigende Mengen an CO2 und reaktivem Stickstoff in der Umwelt werfen die Frage auf, wie Kohlenstoff- und Stickstoff- Kreislauf sich gegenseitig beeinflussen und welchen Einfluss wiederum sich verändernde Klimabedingungen auf diese Wechselwirkungen haben. Die Stickstoff-Aufnahme und -Allokation sind energie-intensive Prozesse für die Pflanze mit Auswirkungen auf den Energiestoffwechsel (Atmung). Mit diesem Projekt wollen wir einen Einblick gewinnen, wie sich die Art der N-Düngung und der Ort der N-Assimilation (Blatt, Wurzel) auf Energie- und Kohlenstoff-Haushalt der Pflanze auswirken.
Lay summary
Der N-Gehalt in Pflanzen beträgt nur 2-3 % (Trockenmasse), trotzdem muss bis ca. 25% der Pflanzen-verfügbaren Energie für die Aufnahme und Assimilation aufgewendet werden. Zudem müssen Redox-Equivalente und Kohlenstoff-Gerüste für die Assimilation von der Pflanze zur Verfügung gestellt werden. Die Energie dafür stammt entweder aus der Photosynthese oder aus der Dunkelatmung, während die C-Gerüste für die Bildung von Aminosäuren aus dem TCA-Zyklus entnommen werden. Durch die Messung natürlicher Isotopenverhältnisse (13C/12C, 15N/14N) können Stoffwechselvorgänge in Pflanzen untersucht werden. In diesem Projekt soll der Einfluss der N-Düngung auf die Dunkelatmung von Pflanzen quantifiziert werden. Dabei werden wir untersuchen, wie sich (a) die chemische Form des aufgenommenen Stickstoffs und (b) der Ort der Nitrat-Reduktion auf die Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse von veratmetem CO2 und respirativen Substraten, sowie neu-synthetisierten Aminosäuren und deren Konzentrationen in der Pflanze auswirken. Zudem soll (c) überprüft werden, ob (a) und (b) zusätzlich den Unterschied in der 13C/12C-Signatur zwischen autotrophen und heterotrophen Pflanzenteilen beeinflussen können. Mit der Messung der Aktivität der für die N-Aufnahme und Assimilation relevanten Enzyme wird versucht, die gemessenen Unterschiede im 13C/12C-Verhältnis der Pflanzen-Inhaltsstoffe und des veratmeten CO2 mit räumlich und zeitlich unterschiedlich aktiven Reaktionsfolgen in der Pflanze in Bezug zu setzen. Mit dieser Forschung werden wir einen Beitrag leisten, die Mechanismen der Koppelung von Reaktionen in Blatt und Wurzel bzw. deren Interaktion in den Pflanzen besser zu erkennen. Die Ergebnisse werden zu einem besseren Verständnis des C-Haushalts in Abhängigkeit der N-Düngung beitragen. Informationen dieser Art sind wichtig, um die Stoffkreisläufe in Pflanzen zu quantifizieren bzw. modellieren zu können und somit ihre Reaktion auf zukünftige Umweltänderungen besser vorhersagen zu können.

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Last update: 15.02.2015

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Plant respire continuously CO2 to gain energy, reducing equivalents and carbon skeletons for biosynthesis of natural compounds (e.g. amino acids). This dark respiration is reduced under light but is coupled with anaplerotic reactions replenishing lost carbon atoms. Nitrogen uptake and assimilation are very energy-intensive processes, costing up to 25 % of plant available energy despite a plant nitrogen content of only 1-2 % in bulk dry weight. Additionally, uptake and assimilation of N-containing inorganic ions are influencing the pH value of rhizosphere and root cells as well as the cation/anion balance considerably - effects that have to be regulated by a mechanism involving the enzymes Phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPc) and Malic enzyme (ME). These enzymes fix and release CO2 (HCO3-) in dependence of chemical type of nitrogen nutrition and site of N assimilation in plants (leaves/roots). The PEPc and ME activities are differently distributed between leaves and roots in dependence of NO3-/NH4+ nutrition. This different distribution of enzyme activities together with different carbon isotope signatures of air- and soil-air-CO2 should be mirrored in the 13C/12C ratio of respired CO2 from roots and leaves, but also in the 13C/12C of organic acids and related amino acids. We will grow plants under defined nitrogen nutrition (ammonium and nitrate) and environmental conditions. The amount and carbon isotopic signature of respired CO2 from soil and leaves will be measured as well as these of their respective (respirative) substrates. We will also grow plants changing the ratio leaf to root nitrate reduction to check if this influences (carbon) isotope fractionation of leaf and root respiration. These results together with the isotope ratios of respirative compounds (organic acid, amino acids, carbohydrates) will be related to the well-known phenomenon that autotrophic plant tissues are 13C-depleted relative to heterotrophic plant tissues.