Eco- and stress physiology

The influence of ozone and UV-B on the antioxidative system of spruce (Picea abies L.) under natural and controlled conditions

Erhöhte Ozonkonzentrationen und erhöhte UV-B Strahlung gelten als Auslöser für die verstärkte Bildung von Sauerstoffradikalen und damit als Ursache für oxidativen Streß. Um den Einfluß von Ozon und UV-B auf das antioxidative System von Fichten (Picea abies L.) zu bestimmen, wurden Freilanduntersuchungen Experimenten unter kontrollierten Bedingungen gegenüber gestellt. Die Reaktionen des antioxidativen Systems von verschiedenen Klonfichten und Bäumen des natürlichen Bestands auf natürliche Streßbedingungen wurden längs eines Höhengradienten (800 m - 1750 m ü. NN) am Wank untersucht und mit den Effekten einer erhöhten Ozonkonzentration in Kombination mit einer moderaten UV-B Applikation verglichen (die einfache Ozonkonzentration und die Klimabedingungen des Kammerversuchs entsprachen den an der Wank Mittelstation aufgezeichneten Werten). Eine mögliche induktive Wirkung einer kurzzeitigen UV-B Bestrahlung auf das antioxidative System, die Superoxid-dismutase-Aktivität und das Wachstum von Fichtenkeimlingen wurde in einem Keimlings-versuch untersucht. Dazu wurden 10 Wochen alte Keimlinge 0 - 4 h einer UV-B Strahlung von 6,3 MED h-1 ausgesetzt. Die klimatischen und edaphischen Bedingungen in der Hochlage bewirkten im Vergleich zur Tallage eine Streßreaktion der Klone, die sich in einer Reduktion des Frischgewicht/Trockengewicht Verhältnisses, einer Abnahme des Gesamtproteingehaltes und einer drastischen Verminderung der Chlorophyll- und Carotinoidgehalte der Nadeln verdeutlichte. Trotz dieser eindeutigen Streßsymptome veränderten sich die Malondialdehydgehalte nicht. Daher erwies sich der Malondialdehydgehalt der ein Maß für Lipidoxidationen ist, als unzureichender Streß-parameter. Weiterhin war in den Nadeln das Ascorbat Redox Verhältnis auf 70% abgesunken und die Superoxiddismutase-Aktivität in der Hochlage im Vergleich zur des antioxidativen Systems an die Umweltbedingungen der Hochlage. Die Unterschiede in den Reaktionen des antioxidativen Systems verschiedener Klone auf die natürlichen Streßbedingungen in der Hochlage waren insgesamt nur geringfügig. Der Klon C 5/1/16 mit dem Vitalitätsmerkmal „gut" besaß einen signifikant höheren Glutathiongehalt als die Klone C 5/1/16 und C 4/4/8 mit den Vitalitätsmerkmalen „schlecht" und „mittel". Da die Bäume des natürlichen Bestandes in der Hochlage einen vergleichbar hohen Glutathiongehalt aufwiesen wie der vitalste Klon, scheinen erhöhte Glutathiongehalte ein Indikator für die Adaptation an Höhenstreß zu sein. Durch die kurzzeitige UV-B Bestrahlung von Keimlingen nahm der Gehalt an Glutathion in den Primärnadeln ab, während andere Komponenten des antioxidativen Systems unbeeinflußt waren. Daraus läßt sich schließen, daß der Glutathion-gehalt sehr empfindlich auf Veränderung der Umwelt reagiert. Eine Erhöhung der Ozonkonzentration in Kammerversuchen bewirkte eine Induktion des antioxidativen Systems der Fichten. Dies resultierte in erhöhten Ascorbat- und Glutathion-gehalten. Eine Kombination von erhöhtem Ozon und moderater UV-B Strahlung schwächte diese Induktion leicht ab. Die Superoxiddismutase-Aktivität wurde durch eine Erhöhung der Ozonkonzentration nicht verändert; jedoch bewirkte die UV-B Applikation eine signifikante Erhöhung der Superoxiddismutase-Aktivität um 43%. Eine gelelektrophoretische Trennung der Isoenzyme zeigte, daß das Isoenzymmuster bei den verschiedenen Behandlungs-varianten nicht verändert war. Von den 3 aufgetrennten Isoenzymen konnten die chloroplastidäre SOD I und die cytosolische SOD II identifiziert werden. Eine kurzfristige UV-B Bestrahlung hatte weder einen induktiven noch einen destruktiven Effekt auf das antioxidative System und das Wachstum von Fichtenkeimlingen. In den Primär-nadeln der Keimlinge wurden erhöhte Chlorophyll- und Carotinoidgehalte bestimmt, die Ascorbatgehalte und die Superoxiddismutase-Aktivität waren gegenüber den Kontrollen nicht verändert. Die Erhöhung der Superoxiddismutase-Aktivität durch die Applikation von UV-B bei dem Expositionsversuch scheint daher auf eine längerfristige Adaptation zurückzuführen zu sein. Bei Freilanduntersuchungen wurden Schadsymptome und Streßreaktionen an Nadeln der Bäume in der Hochlage beobachtet. Jedoch zeigten Versuche in Expositionskammern, daß das antioxidativen Systems auf erhöhtes Ozon und moderates UV-B mit einer Induktion reagierte. Ein induktiver UV-B Kurzzeiteffekt auf das antioxidativen Systems konnte ausgeschlossen werden. Im Freiland waren andere Schad- und Streßsymptome aufgetreten, als unter kontrollierten Bedingungen. Diese Ergebnisse lassen den Schluß zu, daß die Belastung des antioxidativen Systems, wie sie in der Hochlage beobachtet wurden, nicht allein durch eine Erhöhung der Ozonkonzentration und der UV-B Strahlung ausgelöst sein können. Weitere Umweltfaktoren wie niedrige Temperaturen und geringe Niederschläge sollten daher bei zukünftigen Untersuchungen ebenfalls berücksichtigt werden.

This thesis resulted in the following publications:

Polle A, Baumbusch LO, Oschinski C, Eiblmeier M, Kuhlenkamp V, Vollrath B, Scholz, F and Rennenberg H (1999) Growth and protection against oxidative stress in young clones and mature spruce trees (Picea abies L.) at high altitudes. Oecologia 121(2):149. doi.org/10.1007/s004420050916.

Baumbusch LO, Eiblmeier M, Schnitzler J-P, Heller W, Sandermann H Jr and Polle A (1998) Interactive effects of ozone and low UV-B radiation on antioxidants in spruce (Picea abies) and pine (Pinus sylvestris) needles. Physiologia Plantarum 104(2):248. doi.org/10.1034/j.1399-3054.1998.1040213.x.

Baumbusch, LO (1996) Der Einfluss von Ozon und UV-B auf auf das anitoxidative System der Fichte (Picea abies L.) im Freiland und unter kontrollierten Bedingungen. Diploma thesis published at the Faculty of Biology, Albert-Ludwigs-University Freiburg, Germany.

Popular scientific publications

Liebers A and Baumbusch LO (2005) Tulpenrausch. Ka Gö Verlag, Heidelberg, (children fiction). ISBN 3-938440-01-5.