Forstw. Cbk 112 (1993), 46-49
9 1993 Verlag Paul Parey, Hamburg und Berlin ,ssN oo~s-8oo3
Birke ( Betula pendula):
M 6 g l i c h e A k k l i m a t i s i e r u n g an Ozon-Stref~
Von MAn~I~x~ S. GONT~ARa~r-GoERG, R. MArYSSEK, TH. KELI.ER
Einleitung
Die Zelldifferenzierung und Organentwicklung entlang der Sprol~achse l~iuft ab innerhalb der genetischen Rahmenprogramme. WS.hrend der Ausbildung modifizieren mikroklimati- sche und edaphische Faktoren die Merkmalsausps (TmHh 1985); es kann eine Akklimatisierung an diese Faktoren stattfinden. Solche Akklimatisienmgen tassen die Pflanzen iortgesetzten Stref~ besser tolerieren. Findet auch eine Akklimatisierung an eine chronische Ozonbelastung start?
P f l a n z e n u n d M e t h o d e n
Vertopfte Birkenstecklinge (Betulapendula) eines 6rtlichen Mutterbaumes wurden vor dem Austreiben in die Freilandbegasungsanlage (20 Kammern, 5 pro Begasungskonzentration, 4 B{iume pro Kammer, gut gew~issert und ern~ihrt) eingesteUt und his zur Herbstverfiirbung verschiedenen Ozonkonzentrationen ausgesetzt. Das Ozon wurde aus reinem Sauerstoff hergestellt und kontinulerlicF~ der mi: Aktivkohle gefilter:en Luft zugegeben (Konzen:ratio- nen: Kontrolle < 0,003; 0,05; 0,075; 0,1 ~[ I-'). 5 zusatzIiche Pflanzen aus der Kontroll- behandlung wurden am 20. August in die 0,i ul l-'-Ozonbegasung eingestellt (= nachtrag- lich begaste Pflanzen). Die BlS.tter wurden numeriert, und aus den Zeitspannen bis zum Abschlufi des Blattflichenwachstums sowie dem Auftreten visueller Schadsymptome wurde die jeweilige Ozondosis (Konzentration x Zeit) pro Einzelblatt berechnet. An 55 ausge- wS.hlten BlS.ttern wurden mittels Lichtmikroskopie die stomatS.re Dichte (Anzahl Spalt6ff- nungen pro mm -~) und die Stiirkereaktion (mit JJK), mittels Tieftemperaturrasterelektronen- mikroskopie die LS.nge und der Offnungszustand der Schliet~zellen bestimmt. Gefrierquer- briiche wurden yon 2I BiS.ttern hergestellt (GONrHAaD'r-Go~aG et al. 1992; SCHZ~DEGGER et al. 1991).
E r g e b n i s s e
Die FILichen der BirkenblS.tter blieben reduziert, wenn die Ozondosis (Ozonkonzentra- tionx Zeitdauer der Btattentfaltung) mehr als 26 ul 1-1 h betrug (Abb. 1A, weitere mor- phologische Parameter s. GONTI-ta~nT-GoERG et al. 1993). Mit abnehmender Blattfl~iche (bei 0,1 ~1 1 -I Ozon auch reduzierte Zellgr61;e, Abb. 2: lange SLiulen) nahm die Spalt6ff- nungsdichte zu (Abb. 1B). Die Offnungsweite der Schlieflzel!en war in B1/ittern ohne oder mit geringen visuellen Schadsymptomen tinter Ozon zu verschiedenen Zeitpunkten enger als unter Filterlufi (Abb. 2, kurze Saulen). Die bis zur Auspriigung visueller Blattschad- symptome erforderliche Ozondosis (Abb. 3) nahm mit steigender Ozonkonzentration zu.
Unter Filterluft ausgebildete BlS.tter an nachtrS.glich begasten Kontroll-Bfiumen fielen
bei niedrigerer Ozondosis ab, als es bei unter Ozon ausdifferenzierten Bl~ittern der Fall war
(Abb. 3, schwarze S~iulen). Nachtrbiglich unter Ozon ausgebildete Bl~itter dieser B{iume
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Birke (Betula pendula): MSgliche Akklimatisierung an Ozon-Strefl 47
Abb. 1. Bla:tfl~iche (A) und Anzahl Spalt6ffnungen pro mm 2 (B) in Abh~in- gigkeit yon der Ozondosis (Konzentra- tionxZeit) w~.hrend des Blattwachs- turns. Btiitter an nachtriiglich begasten Kontroll-B~iumen (ausgefiillte Symbo- le) sind entweder unter Fiherluft oder unter Ozon ausgebildet
Fig. 1. Leaf area (A) and stomatal den- sity (B) in relation to the ozone dose (concentration x time) during leaf ex- tension growth. Leaves from transfer- red control trees (filled symbols) were either formed in filtered air or newly formed under ozone after the transfer
zeigten jedoch eine dosisabhiingig ert16hte Spalt6ffnungsdichte (Abb. IB, schwarzc Sym- bole), kleinere Schliet.~zellen und verengte Spalt6ffnLIn~weltcn (Abb. 2, 0,1"). Dic zur Auspr~.gung von Schadsymptomen n6tige Ozondosis (Abb. 3, 0,1", S~iulen mit Raster) war an diesen Bl~ittern gleich derjenigen der 0,05 ttl l-l-Begasung.
Bei begasten Bl~ittern mit ersten visuellen Schadsymptomen wurden mittels Tieftempe- raturrasteretektronenmikroskopie ,,nicht w~il]rige tropfenf6rmige Exsudate" (unetchable droplet-like exudates, sehr wahrscheinlich Zellwandmaterial) beobachtet (GON'r~f,~RDT- GO•RG et al. 1993). Zuerst traten die Exsudate an den Zeltw~inden der Mesophytlzellen fund um die Stomah6hlen auf der Blattunterseite (B!attoberseite ohne Stomata) auf und breiteten sich bis zu den Palisadenzellen aus. Schiiefllich kollabierten einzelne oder Gruppen yon Mesophyllzellen. Nach ihnen folgten die Epidermiszellen und als letzte die Spalt6ffnungen, nachdem sie sich bei kollabierten Nachbarzellen vor/ibergehend passiv welt ge6ffnet hatten.
Mit zunehmender Sch.:idigung der blesophyllzellen wurde weniger Assimilationsst~irke (Amylose) beobachtet, welche zudern nur his zu den Biindelscheiden abtransportiert wurde und dort wiederum als St~irke liegenblieb. Die verengten Schlie~zellen waren mit St~irke (Amylopektin) vollgepackt, und parallel dazu traten Arnylopektink6rner in den nicht assimilierenden Epidermiszellen auf. Unter Filterluft ausgebildete Bl~itter zeigten bei nachtr~iglicher Ozonbegasung stark reduzierte Assimilationsstiirke, aber keine der o b e n genannten St~irkemuster.
Diskussion
In voH ausgebildeten mesophytischen Bl~.ttern dringt Ozon durch die Spalt6ffnungen ein und zerf~illt rasch im Apoplast (LA~sK 1988), wo in der Folge wahrscheinlich Radikal- kettenreaktionen zur Zellschfidigung fiihren. Chronische, geringe Ozonkonzentrationen wirken schon w~ihrend der Blattdifferenzierung (Abb. I und 2, Dosisabhiingigkeit). Je
48 Madeleine S. Giinthardt-Goerg, R. Matyssek, Th. Keller
Abb. 2. blittlere Offnungsweite (kurze S/iulen, Mittelwerte signifikant verschieden) und mittlere Liinge (lange S~iulen, nut bei 0,1 ul 1-' Ozon signifikant verschieden yon der Kontrolle, t-Test) der Schlief~zellen unter verschiedenen Ozonkonzentrationen (Beispie] von Bl~.ttern gleichen Alters am 27. September 1989, Erntezeitpunkt 8.30 Uhr, 17,6 ~ 63 % relative Feuchte)
Signaturen (Abbildung 2 und 3): F = unter Filterlufb O~ = unter Ozon ausgebildete Bl~itter an nachtr~iglich mit Ozon (0,1") begasten Kontrollpflanzen. Visuelle Blattsymptome: [] gr6n; IZI ein- zelne bellgr/ine Punkte; ~ hellgr(ine Punkte auf der ganzen Biattfl~iche oder bronzefarbiges Blattgr6n oder winzige schwarze Punkte; ~ kleine Nekrosepunkte; I abgefallene Bl~itter
Fig. 2. Mean aperture (small bars, all significantly different from control) and mean length (long bars, different from control at 0.I ~11 -~, t-test) of guard cells under different ozone concentrations (harvest September 27, at 8.30 a.m., 17.6~ and 63 % relative humidity, leaves of same age)
Signatures (Figure 2 and 3): F = leaves formed in filtered air, 03 = leaves formed in ozonized air on control plants that had been transferred from filtered air to 0.1 !,1 1 -~ ozone (0.1") on August 20.
Macroscopical leaf symptomes: [] green; [] isolated light green dots; LT_I light green or bronze-green leaf colour, tiny black dots; ~ small necrotic spots; HI shed leaves
Abb. 3. Mittlere Ozondosis bis zum Auftreten visueller Symptome in Abh~.ngigkeit yon der Be- gasungskonzenrration
Fig. 3. Mean ozone dose causing the appearance of macroscopical leaf symptoms in relation to the fumigation with different ozone concentrations
langsamer die Bl~itter austreiben, desto h6her ist die Ozondosis w~ihrend der Differenzie- rung. Unter O z o n ausgebildete Bliitter sind in der Folge auf fortgesetzte O z o n b e h a n d t u n g weniger empfindlich, w~.hrend nachtr~.glich begaste Kontrolipflanzen baldigen Blattfall aufweisen (Abb.3). Man kann deshalb yon einer Akklimatisierung an O z o n sprechen, deren strukturelle Differenzierung .~hnlichkeit mit derjenigen unter Wasserstrei~ zeigt. Die Mechanismen der Blattdifferenzierung unter Ozonstret~ sind bislang unbekannt.
Eine Akklimatisierung kann sich auch in der Verengung der Stomata widerspiegeln:
Gasaustausch und somit auch die Schadstoffaufnahme sind verringert. Bei langsam fort- schreitender ScMdigung beginnen einzelne Mesophyllzellen zu kollabieren, w~ihrend die Spatt6ffnungen die CO2-Versorgung der verbleibenden Mesophyllzellen nicht timitieren.
Der Mesophyllkollaps verschlechtert die Bilanz aus Kohlenstoffgewinn pro Wasserver- brauch (MA~cSS~K et ai. 1991). Die St~.rkeverteilung zwischen Spalt6ffnungen, Mesophyll-
Birke (Betula pendula)." M6gliche Akktimatisierung an Ozon-Strefl
49 zellen und Transportbahnen ver~.ndert sich. Die St~irkeansammlung in den Spalt6ffnungen k6nnte ein Anzeichen der Verengung sein. Die entlang der kleinen Blattnerven angeh~.ufte St~irke steht vielleicht m k der veriinderten Assimilatverteilung in der ganzen Pflanze im Zusammenhang (reduziertes Wurzel/Sprot~verh~ilmis, MA~SSEK et al. 1992).Eine Akktimatisierung in h6heren Lagen geschieht m6glicherweise nicht n u r an die Temperatur und den Wasserstrefl, sondern auch an die kontinuierlich erh6hte O z o n k o n - zentration. Es ist zu priifen, welchen Einfluf~ das O z o n auf die H o r m o n e oder , h o r m o n -
~ihnliche Metaboliren" hat, die in den Prozessen der Blattdifferenzierung, Spak6ffnungs- regulation und Kohlenstoffverteilung mitwirken.
Z u s a m m e n f a s s u n g
Durch Ozonbegasung in einem Birkenklon hervorgerufene filnderungen der Blartfl~iche, der stomat~.- ren Dichte, der L~nge und des Offnungszustandes der Stomata sowie der St~/.rkeverteilung werden vorgestellt und hinsichtlich einer m6glichen Akklimatisierung an Ozon diskutiert.
S u m m a r y
Birch (Betula penduta): possible acclimatization to ozone-stress
Leaf area change, stomatal densiw length and width of theguard cells, and starch distribution in one birch clone exposed to ozone are presented and discussed with regard to posdble acclimation to ozone,
L i t e r a t u r
GONTHARDT-GoERG, MADELEtNE S.; MarYSSEK, R.; SCHEIDEGGER, C.; KELLER, T., 1993: Differenti- ation and structural decline in the leaves and bark of birch
(Betula pendula)
under low ozone concentrations. Trees 7, 104-114.LArSK, A.; KULL, O.; MOLDAU, H., 1989: Ozone concentration in intercellular spaces is close to zero.
Plant physiol. 90, 1163-1167.
MATYSSEK, R.; GO:crttARDT-GOERG, MADELEINE S.; KELLER, T.; SCHEIDEGGER, C., 1991: Impair- ment of gas exchange and structure in birch leaves
(Betuta penduta)
caused by low ozone concentrations. Trees 5, 5-13.MATXSSEK, R.; GOa'TttAROT-GOERG, MADELEINE S.; SAURER, M.; KELLER, T., 1992: Seasonal growth, Ib ~ C in leaves and stem, and phloem structure of birch
(8etula pendula)
under low ozone concentrations. Trees 6, 69-76.SC*~EtDEGGER, C.; GONTHARDT-GOERG, MADELErNE S.; MATXSSEK, R.; HATVANh P., 1991: Low- temperature scanning electron microscopy of birch leaves after exposure to ozone. J. Microsc.
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