Investigating the ecology of partial and full myco-heterotrophy among Orchidaceae and Ericaceae using the stable isotope natural abundance analysis approach [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Katja Preiß, geb. Zimmer

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Investigating the ecology of partial and fullmyco-heterotrophy among Orchidaceae andEricaceae using the stable isotope naturalabundance analysis approachDISSERTATIONZur Erlangung des akademischen GradesDoktor der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)der Fakultät Biologie / Chemie / Geowissenschaftender Universität Bayreuthvorgelegt vonKatja Preiß, geb. Zimmergeboren am 30.12.1982 in LeisnigBayreuth, Juli 2009Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von April 2006 bis Juli 2009 unter der Leitungvon Prof. Dr. Gerhard Gebauer am Labor für Isotopen-Biogeochemie (BayCEER) derUniversität Bayreuth angefertigt.Die Untersuchungen für diese Dissertation wurden durch Mittel der DeutschenForschungsgemeinschaft gefördert und im Rahmen des Projektes DFG GE 565/7-1durchgeführt.Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Biologie / Chemie / Geowissenschaftender Universität Bayreuth genehmigten Dissertation zur Erlangung des Grades einesDoktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.).Tag der Einreichung: 27. Juli 2009Tag des Kolloquiums: 19. November 2009Erstgutachter: Prof. Dr. Gerhard GebauerZweitgutachter: Prof. Dr. Stephan ClemensContentsON THIS THESISZusammenfassung................................................................................................ 2Summary.............................................................................................................. 4Introduction ...............................................................
Publié le : jeudi 1 janvier 2009
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Investigating the ecology of partial and full
myco-heterotrophy among Orchidaceae and
Ericaceae using the stable isotope natural
abundance analysis approach
DISSERTATION
Zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
der Fakultät Biologie / Chemie / Geowissenschaften
der Universität Bayreuth
vorgelegt von
Katja Preiß, geb. Zimmer
geboren am 30.12.1982 in Leisnig
Bayreuth, Juli 2009Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von April 2006 bis Juli 2009 unter der Leitung
von Prof. Dr. Gerhard Gebauer am Labor für Isotopen-Biogeochemie (BayCEER) der
Universität Bayreuth angefertigt.
Die Untersuchungen für diese Dissertation wurden durch Mittel der Deutschen
Forschungsgemeinschaft gefördert und im Rahmen des Projektes DFG GE 565/7-1
durchgeführt.
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Biologie / Chemie / Geowissenschaften
der Universität Bayreuth genehmigten Dissertation zur Erlangung des Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.).
Tag der Einreichung: 27. Juli 2009
Tag des Kolloquiums: 19. November 2009
Erstgutachter: Prof. Dr. Gerhard Gebauer
Zweitgutachter: Prof. Dr. Stephan ClemensContents
ON THIS THESIS
Zusammenfassung................................................................................................ 2
Summary.............................................................................................................. 4
Introduction ........................................................................................................ 6
Objectives of this thesis .................................................................................... 13
Synopsis............................................................................................................ 14
Outlook............................................................................................................. 24
Record of contributions to this thesis ................................................................ 26
References ........................................................................................................ 28
CHAPTER 1
Improving estimates of nutrient gains by partial myco-heterotrophs
A methodological approach to improve estimates of nutrient gains by
partially myco-heterotrophic plants. Isot. Environ. Health Stud. 44: 393-401..... 37
CHAPTER 2
Full myco-heterotrophy in the ericaceous tribe Pyroleae
Isotopic evidence of full and partial myco-heterotrophy in the plant tribe
Pyroleae (Ericaceae). New Phytol. 182: 719-726 ............................................... 53
CHAPTER 3
The nutritional mode of Corallorhiza trifida
CHAPTER 3.1 The ectomycorrhizal specialist orchid Corallorhiza trifida is a
partial myco-heterotroph. New Phytol. 178: 395-400......................................... 73
CHAPTER 3.2 The chlorophyll-containing orchid Corallorhiza trifida derives
little carbon through photosynhtesis. New Phytol. 183: 358-364........................ 87
CHAPTER 4
Confirming a new nutritinal mode in green orchids
Is it better to give than to receive? A stable isotope perspective on orchid-
fungal carbon transport in the green orchid species Goodyera repens and
Goodyera oblongifolia. New Phytol. 182: 8-11................................................. 105CHAPTER 5
Constraints to nutritional modes in orchids
C and N stable isotope signatures reveal constraints to nutritional modes in
orchids from the Mediterranean and Macaronesia. Submitted to J. Ecol. ......... 117
CHAPTER 6
The major determinant for the degree of myco-heterotrophy
Irradiance governs exploitation of fungi: Fine-tuning of carbon gain by
partially myco-heterotrophic orchids. Submitted to Proc. R. Soc. Lond. B ....... 149
ACKNOWLEGEMENTS ..............................................................................................161
LIST OF FURTHER PUBLICATIONS ...........................................................................163ON THIS THESISZusammenfassung ON THIS THESIS2
Zusammenfassung
Zur Gruppe der nicht-photosynthetischen (chlorophylllosen) Pflanzen zählen etwa 4100
Arten, die direkt auf autotrophen Pflanzen parasitieren und mehr als 400 Arten, die
organische Nährstoffe von Wurzelpilzen beziehen und daher als mykoheterotroph
bezeichnet werden. Etwa ein Viertel aller mykoheterotrophen Arten gehört zur Familie
der Orchidaceen. Alle Orchideen sind während ihrer juvenilen, unterirdischen Phase
mykoheterotroph; die meisten Arten entwickeln im adulten Stadium jedoch grüne
Blätter. Eine ähnliche Situation ist im Tribus Pyroleae (Ericaceae) anzutreffen. Pyroleen
sind zumeist photosynthetisch aktive Arten, die, ebenso wie Orchideen, winzige Samen
ohne Endosperm produzieren und daher in ihrer frühen Entwicklungsphase auf
Nährstoffzufuhr von Pilzpartnern angewiesen sind. Analysen der natürlichen
Isotopensignatur einiger grüner und somit scheinbar autotropher Orchideen und
Pyroleen zeigten kürzlich, dass diese Pflanzen, zusätzlich zum Kohlenstoffgewinn
durch Photosynthese und zur Stickstoffassimilation, organische Kohlenstoff- und
Stickstoffverbindungen von Wurzelpilzen beziehen. Pflanzen, die diese Mischform der
Ernährung aufweisen, werden als partiell mykoheterotroph bezeichnet.
Die komplexe und faszinierende Ökologie partiell und vollständig
mykoheterotropher Pflanzen zu verstehen, ist die Grundlage, um diese zumeist
gefährdeten Arten und ihre Habitate erfolgreich schützen zu können. Analysen der
natürlichen Isotopenhäufigkeit und die genetische Identifikation von Mykorrhiza-Pilzen
sind moderne Techniken, die ohne experimentelle Störung Einblick in pflanzliche
Ernährungsweisen unter natürlichen Bedingungen geben können. Basierend auf diesen
Methoden, sowie auf der Bestimmung von Chlorophyll-Gehalten, der Messung von
13Lichtverfügbarkeit und einem in situ C-Markierungs-Experiment, liefert die
vorliegende Arbeit neue, fundamentale Kenntnisse über die Nährstoffaufnahme
zahlreicher Orchideen und Ericaceen.
Im ersten Kapitel wird ein verbesserter methodischer Ansatz präsentiert, der Meta-
Analysen und eine genauere quantitative Abschätzung der Nährstoffgewinne vom Pilz
bei partiell mykoheterotrophen Pflanzen ermöglicht. Unter Anwendung dieser neuen
Methode wurde die umstrittene oder zumeist noch völlig unbekannte Ernährungsweise
zahlreicher Pflanzenarten untersucht. So konnte unter anderem gezeigt werden, dass
innerhalb der Tribus Pyroleae auch eine vollständig mykoheterotrophe Art (Pyrola
aphylla) vorkommt und dass die auf Ektomykorrhiza-Pilze spezialisierte Orchidee
Corallorhiza trifida (von der man glaubte, sie sei vollständig vom Pilzpartner abhängig)
zur Photosynthese befähigt ist.

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