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Carbon isotope fractionation during leaf and root respiration as a function of nitrogen nutrition

Applicant Werner Roland A.
Number 153545
Funding scheme Project funding
Research institution Institut für Agrarwissenschaften ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Other disciplines of Environmental Sciences
Start/End 01.02.2015 - 31.10.2018
Approved amount 258'410.00
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Keywords (6)

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

Lay Summary (German)

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.

Direct link to Lay Summary Last update: 15.02.2015

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Dr. Marco Lehmann, Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research WSL Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Dr. Sebastian Streb, Department of Biology, ETH Zürich Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Prof. J. Ghashghaie, Laboratoire d'Ecologie, Systématique et Evolution, Universite Paris-Sud France (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Exchange of personnel
Dr. Michael E Ruckle, Molecular Plant Breeding, Institute of Agricultural Sciences, ETH Zürich Switzerland (Europe)
- Publication
- Research Infrastructure
Prof. Franz Badeck, Consiglio per la Ricerca e la sperimentazione in Agricoltura, Genomics research Italy (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Prof. Robert Hänsch, Institute of Plant Biology, Technische Universität Braunschweig Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Exchange of personnel
Dr. Meike Hüdig, Plant Molecular Physiology and Biotechnology, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
German association for stable isotope research annual meeting 2017 Talk given at a conference The effect of nitrate and ammonium nutrition on carbon stable isotope fractionation during plant respiration 09.10.2017 Hannover, Germany Ghiasi Shiva; Siegwolf Rolf Theodor Walter; Werner Roland A.;
JESIUM 2016 “Joint European Stable Isotopes User Group Meeting” Poster Carbon isotope fractionation during leaf and root respiration as a function of nitrogen nutrition 05.09.2016 Gent, Belgium Werner Roland A.; Ghiasi Shiva; Siegwolf Rolf Theodor Walter;
Stable isotopes in forest ecosystem research. SIFER 2016 — International Doctoral Course on Stable Isotopes Individual talk Carbon isotope fractionation during leaf and root respiration as a function of nitrogen nutrition 25.04.2016 Nancy, France Ghiasi Shiva;
PhD symposium, Department of Systems Science, ETH Zürich Individual talk Carbon isotope fractionation during leaf and root respiration as a function of nitrogen nutrition 01.09.2015 Einsiedeln, Switzerland Ghiasi Shiva;


Associated projects

Number Title Start Funding scheme
132768 Carbon isotope fractionation during respiration: Mechanisms and environmental drivers 01.03.2011 Project funding

Abstract

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.
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