Analyse von Wurzel-Merkmalen zum Testen von Umweltfiltern und Nischen-Komplementarität in Grünland-Gesellschaften

 

 

Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Helge Bruelheide

Dr. Ute Jandt

Katharina Herz

(Uni Halle-Wittenberg)

Dr. Dierk Scheel

Sophie Dietz

(Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie, Halle)

Hintergrund

Die Zusammensetzung einer Pflanzengesellschaft kann durch Umweltfilter oder Nischen-Komplementarität erklärt werden. Beide Theorien widersprechen sich jedoch und es ist bis heute nicht vollkommen geklärt welche die Artzusammensetzung einer bestimmten Gesellschaft am besten erklären kann. Während der Forschungsfokus in den letzten Jahren vor allem auf überirdischen Pflanzenmerkmalen lag um die Zusammensetzung und Ökosystemfunktionen zu beschreiben, wurde den unterirdischen Merkmalen nur wenig Beachtung geschenkt. Das Projekt BE LOW soll die Lücke füllen und untersucht dazu funktionelle Merkmale (Traits) von 20 häufigen Graslandarten der deutschen Biodiversitäts-Exploratorien.  Außerdem werden an 10 der ausgewählten 20 Arten Wurzelexsudate im Gelände gemessen werden, was bisher nur für wenige Arten unter Laborbedingungen geschehen ist.

Unsere Ziele sind dabei:

  • die Performance einer neu etablierten Art anhand von ober- und unterirdischen Traits vorherzusagen und diese mit Vorhersagen von Vorkommenswahrscheinlichkeiten zu vergleichen
  • Wurzel- und Blatt-Traits von Graslandarten in den Exploratorien zu analysieren sowie deren Verhältnis zueinander und die Abhängigkeit von der lokalen Nachbarschaft
  • artspezifische Exudationsmuster zu finden, einschließlich des Gesamtspektrums organischer niedermolekularer Verbindungen, die von verschiedenen Arten exsudiert werden
  • zu analysieren wie Wurzelexsuatmuster and Traits sich mit der Verweilsdauer in der Pflanzengesellschaft verändern und auf Landnutzung reagieren

 

Hypothesen

1.    Das Überleben und die Performance der Phytometer kann von der statischen Vorkommenswahrscheinlickeit der Phytometer-Arten in einer spezifischen lokalen Nachbarschaft vorhergesagt werden.
2.    Community-weighted mean Traits und funktionelle Diversität der lokalen Nachbarschaft stehen in Relation zur Landnutzungsintensität.
3.    Es gibt einen Zusammenhang zwischen dem root und leaf economics spectrum. Insbesondere unterscheiden sich die Wurzel-Traits von Gräsern und Kräutern (3.1).
4.    Überleben und Performance der Phytometer können vom Grad der Ähnlichkeit bzw. Unähnlichkeit der Traits der lokalen Nachbarn vorhergesagt werden. Wir erwarten, dass in einem bestimmten Umweltbereich Traits der lokalen Nachbarn ähnlich zu denen der Phytometer sind und dabei die Performance maximal ist. Außerdem sinkt der der Grad an Ähnlichkeit von Pyhtometer und lokalen Nachbarn mit steigender Landnutzungsintensität, da mit eine Art steigendem Umweltfilter besser performen sollte je ähnlicher sie zu ihren Nachbarn ist (4.1).
5.    Wurzel-Traits und Exsudate sind plastisch und abhängig von der lokalen Nachbarschaft sowie der Landnutzung. Diese Beziehung wird sich über die Zeit verändern (5.1).
6.    Bestimmte Wurzel-Traits und Exsudate werden zu einer Änderung der Bodenmerkmal (C, N, Kationen, pH) führen.
7.    Die Zusammensetzung der Wurzel-Exsudate ist artspezifisch und Gräser unterscheiden sich von Kräutern. Wir erwarten dabei eine Deckung zwischen Wurzel-Traits und Exsudaten.

 

Methoden

Aus jedem Exploratorium wurden 18 EPs (6 Wiesen, 6 Weiden und 6 Mähweiden) für das Experiment ausgewählt. Im Mai 2014 wurden in jedem Plot 5 Blöcke eingerichtet, wobei jeder Block ein Individuum jeder Art enthält (insgesamt 5400 Phytometer). Pro Jahr (2014, 2015, 2016) wird ein Block pro Plot komplett geerntet.  Dabei wird der ganze Phytometer ausgegraben, Bodenproben genommen, die Wurzeln der Pyhtometer gewaschen und 5 Gräser und 5 Kräuter (Tabelle 1, grau hervorgehobene Arten) für die Exsudation vorbereitet. Nach der 2-stündigen Exsudation werden alle 20 Pflanzen separat gescannt und gewogen (Wurzeln, Stängel und Blätter getrennt). Die Blätter, Stängel und Wurzel werden dann getrocknet, nachdem etwas Wurzelmaterial in flüssigen Stickstoff eingefroren wurde. Die getrockneten Wurzeln werden dann im Labor in der Geobotanik Halle (Saale) auf ihren P, K, Mg, Ca, C und N Gehalt hin analysiert. Die Wurzel-Exsudate und Metabolite werden mittels UPLC-ESI-QTOF-MS und GC-EI-MS im Leibniz Institut für Pflanzenbiochemie Halle (Saale) untersucht. Neben der Feldarbeit werden Pflanzen der 20 Arten im Gewächshaus unter kontrollierten Bedingungen konkurrenzfrei kultiviert und ebenfalls auf Wurzel-Traits und Exsudate hin untersucht. Diese Daten werden als Vergleich für die im Feld erhobenen Daten dienen.

 

Liste der gepflanzten Arten

Arten in grau werden für die Exsudationsanalyse verwendet.

Kräuter

Gräser

Achillea millefolium agg.

Alopecurus pratensis

Bellis perennis

Anthoxanthum odoratum

Centaurea jacea

Arrhenatherum elatius

Galium mollugo agg.

Cynosurus cristatus

Galium verum

Dactylis glomerata

Plantago lanceolata

Festuca pratensis

Ranunculus acris

Helictotrichon pubescens

Ranunculus bulbosus

Lolium perenne

Rumex acetosa

Poa prantensis

Veronica chamaedrys

Poa trivialis

 

 

 

Pflanzschema. links: Plot-Struktur mit 5 enthaltenen Blöcken. rechts: Aufbau eines Blocks mit einem Individuum jeder Pflanzenart.

 

Vergangene Projektbeteiligung von Prof. Dr. Helge Bruelheide: BEDry, BERICH, RangeShift, ScalingUp

Vergangene Projektbeteiligung von Dr. Ute Jandt: BERICH, ScalingUp

 

 

Ausgraben der Phytometer (Foto S. Nahrstedt)
Helictotrichon pubescens (Foto S. Nahrstedt)
Waschen der Wurzeln (Foto S. Nahrstedt)
2-stündige Exsudationsphase (Foto S. Nahrstedt)

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