Ethylen spielt eine bedeutsame Rolle in Bildungs- und Abbauprozessen troposphärischen Ozons. Zudem kommt Ethylen in der Wechselwirkung zwischen Biosphäre und Atmosphäre eine besondere Bedeutung zu. So kann es durch Bildung von Ozon indirekt zu einer Schädigung von pflanzen führen, andererseits wird unter Stressbedingungen, z.B. unter erhöhten ambienten Ozonkonzentrationen, Ethylen von Pflanzen abgegeben. Ethylen wird jedoch auch von anthropogenen Quellen emittiert. Ziel des Vorhabens ist die Untersuchung des biogenen und anthropogenen Anteils der Ethylenemission und -immission in einem unter Ozonstress stehendem Waldgebiet. Das Vorhaben wird im besonderen auf die Ethylenemission von Buchen eingehen. Mittels gaschromatographischer Online-Messung von Ethylen, Isopren sowie Acetylen sollen die Emissions- und Immissionsgänge im Tagesverlauf sowie während einer Vegetationsperiode erfasst werden. Isopren wird nur durch biogene Prozesse emittiert. Für Acetylen sind keine biogenen Quellen bekannt. Somit ist über die gleichzeitige Messung von Acetylen und Isopren eine Diskriminierung des biogenen Anteils der Ethylenemissionen und -immissionen möglich. Als weitere Absicherung des biogenen Ethylenanteils soll die in der Ethylenbiosynthese wichtige Ethylenvorstufe 1-Aminocyclopropan1-Carboxylsäure berücksichtigt werden.
Flüchtige organische Kohlenstoffverbindungen (sog. VOCs) beeinflussen die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre und damit das Klima. Emittiert werden diese durch menschliche Aktivitäten und der Biosphäre, der bei weitem größte Teil der Emissionen stammt von Pflanzen. In der Vergangenheit wurden vor allem Kohlenwasserstoffverbindungen, wie Methan oder Isoprenoide, detailliert untersucht. Biogene oxygenierte VOCs (sog. BOVOCs), wie Methanol, Acetaldehyd und Aceton, wurden hingegen kaum untersucht obwohl diese in signifikanten Mengen in der Atmosphäre vorkommen und deren geschätzte gemeinsame Quellenstärke sich ungefähr auf die Hälfte jener von Isopren, welches die globalen VOC-Emissionen dominiert, beläuft. Dementsprechend unsicher sind die globalen Budgets von Methanol, Acetaldehyd und Aceton, und insbesondere die Abschätzung ihrer biogenen Senken/Quellengrößen. Das übergeordnete Ziel des beantragten Projektes ist es daher das Verständnis über den Austausch von Methanol, Acetaldehyd und Aceton zwischen terrestrischen Ökosystemen und der Atmosphäre zu erhöhen und damit die Fähigkeit diese Prozesse zu simulieren zu verbessern. Dazu wird eine Studie die experimentelle Aspekte mit Simulationsstudien kombiniert für ein Grünlandökosystem im Stubaital (Österreich) durchgeführt. Im Detail werden dabei folgende Zielsetzungen verfolgt: (i) Quantifizierung der saisonalen Flüsse von Methanol, Acetaldehyd und Aceton. In der Vergangenheit wurden VOC-Austauschmessungen häufig im Rahmen von kurzen intensiven Kampagnen bzw. maximal über eine Vegetationsperiode durchgeführt was eine Analyse der interannuellen Variabilität nicht zulässt. Im Rahmen des beantragten Projektes ist daher geplant für zwei weitere Jahre BOVOC-Flussmessungen durchzuführen um so, unter Einbeziehung von zwei Jahren Daten aus einem Vorgängerprojekt, erstmals die interannuelle Variabilität dieser Flüsse untersuchen zu können. (ii) Quantifizierung der Beiträge der Vegetation und des Bodens zum gesamten BOVOC-Austausch. Dazu werden, sowohl im Labor wie im Freiland, BOVOC-Austauschmessungen an Blättern der vorkommenden Pflanzenarten, wie auch, unter Einsatz einer neuartigen nicht destruktiven Methode, vom/zum Boden durchgeführt. (iii) Hochskalierung der unter (ii) erhobenen Daten auf Ökosystemebene mittels eines prozess orientierten Modells und Vergleich der Modellsimulationen mit den unter (i) mit einer unabhängigen Methode erhobenen Ökosystemflüsse. Dieser Vergleich stellt den ultimativen Test unseres Prozessverständnisses über den Austausch zwischen Biosphäre und Atmosphäre dieser drei wichtigen BOVOCs dar.
Die Blätter der immergrünen Steineiche (Quercus ilex L.) produzieren und emittieren temperatur- und lichtabhängig Monoterpene. Der physiologische Vorteil der Monoterpenemission für die Steineiche und andere Baumarten wie z.B. die Birke (Betula pendula Roth) mit gleichen Emissionseigenschaften ist unklar. Es gibt aber Hinweise, dass Monoterpene, in ähnlicher Weise wie Isopren, zu einer Erhöhung der Wärmetoleranz führen können. Über die genaue Funktion dieser Monoterpenemission für die Pflanze wie auch über die ihr zugrundeliegende Regulation auf Gen- und Proteinebene ist gegenwärtig noch nichts bekannt. Im Rahmen von Vorarbeiten mit der Steineiche konnten die kinetischen Eigenschaften von Monoterpensynthasen charakterisiert und ihre Bedeutung für die Monoterpenemission gezeigt werden. Weiterhin konnte aus cDNA der Steineiche ein Gen einer funktionell in E. coli exprimierbaren Myrcensynthase isoliert werden. Ziel des Projekts ist die Funktionsanalyse der licht- und temperaturabhängigen Monoterpenemission von Bäumen und deren Regulation. Hierzu werden aufbauend auf Arbeiten mit der Steineiche Birken mit aus der Steineiche stammenden Monoterpensynthasen (z.B. Myrcensynthase) transformiert und die transgenen Linien für die Untersuchungen zur Funktion der Monoterpenbiosynthese und -emission, insbesondere in Abhängigkeit der Umweltfaktoren Temperatur und Licht genutzt.
Terpenes (=isoprenoids) are volatile organic compounds (VOCs) emitted by plants but their ecological functions are not fully understood. Poplars are strong isoprene emitters. In preceding studies we have constructed non-isoprene emitting poplars and started with their characterization. We have also constructed poplars expressing pinene synthase. We aim to study the role of isoprene and monoterpenes in herbivore and mycorrhizal interactions. In addition to wild type poplar plants (isoprene and non-monoterpene emitters) we will make use of transgenic poplar lines, that are either non-isoprene emitters or non-isoprene, but constitutive monoterpene emitters. The influence of the VOC emission on the interaction with herbivores and/or ectomycorrhizal fungi will be studied under laboratory, green house and open air conditions. Furthermore, it will be investigated how attack by herbivores affects the survival of ectomycorrhizal fungi or pathogenic fungi and vice versa, and how EM changes the VOC blend emitted by the plants and the performance of leaf feeding insects. Responses of the plant and the ectomycorrhiza will be studied on a molecular level. The results of these studies will provide important knowledge about poplar interaction and defense from herbivory.