Einfluß von Ozon und Trockenstreß auf Kulturpflanzen

Das vorliegende Forschungsvorhaben soll im Rahmen eines Projektpaketes durchgeführt werden, bei dem nationale und internationale Kooperationen in Form von Teilprojekten vorgesehen sind. Dabei soll anhand eines großen Begasungsversuches der kombinierte Einfluß von Ozon- und Trockenstreß auf Kulturpflanzen (Weizen, Buschbohne) analysiert werden. Der Forschungsschwerpunkt knüpft an Untersuchungsergebnisse des "European Open Top Chambers Programmes (EOTCP)" an, welches sich im Zuge von Begasungsexperimenten mit den Auswirkungen von singulärem Ozoneinfluß auf Kulturpflanzen beschäftigt hat. Dieser Luftschadstoff führt bei Kulturpflanzen zu Wachstumsverminderungen und folglich zu Ertragseinbußen. Allerdings sind singuläre Ursachen für Störungen nur in den seltensten Fallen zutreffend, vielmehr sind es Stressorenkomplexe, die am natürlichen Standort vorherrschen und auf den pflanzlichen Organismus wirken. Somit besteht ein dringlicher Forschungsbedarf, sogenannte "modifizierende" Faktoren, die das Reaktions- bzw. Streßverhalten einer Pflanze auf den primären Stressor Ozon beeinflussen, in zukünftige Untersuchungen miteinzubeziehen. Neben dem Faktor Trockenheit will man auch die Annahme prüfen, ob einzelne Entwicklungsstadien der Kulturpflanzen sich in ihrem Reaktionsverhalten in Hinblick auf Streßeinwirkung unterscheiden. Weiters sollen unterschiedliche Varietäten auf ihre Sensibilität bzw. Resistenz jenen Stressoren gegenüber untersucht werden. Im Rahmen des vorliegenden Teilprojektes werden Komponenten des antioxidativen Schutzsystems der pflanzlichen Zelle analysiert. Dazu zählen neben einigen Enzymen (Peroxidasen, Superoxiddismutase) die Antioxidantien Ascorbinsäure, Glutathion und a -Tocopherol. Die Bildung von toxischen Sauerstoffspezies innerhalb der pflanzlichen Zelle und deren Entgiftung durch das antioxidative Schutzsystem stellt ein natürliches Stoffwechselgeschehen dar. Zusätzliche Umweltstressoren, die auf den pflanzlichen Organismus Einfluß nehmen, verursachen eine vermehrte Entstehung von phytotoxischen Sauerstoffverbindungen. Aktive Reaktionen auf diesen oxidativen Streß können anhand von erhöhten Antioxidantiengehalten detektiert werden. Vor allem Änderungen im Redoxzustand von Ascorbinsäure und Glutathion spiegeln einflußnehmenden oxidativen Streß wider. Die oben angeführten Streßenzyme sollen auch im Rahmen einer internationalen Kooperation molekularbiologisch analysiert werden. Eine Untersuchung der Chloroplastenpigmente, ihrer Gehalte und Relationen zueinander, soll ebenfalls durchgeführt werden. Streßeinfluß verursacht eine Verminderung oder Zerstörung photosyntethisch aktiver Chloroplastenpigmente, Verschiebungen von Pigmentgehalten untereinander geben Hinweise auf vorherrschenden oxidativen Streß. Die Arbeitshypothese besteht darin, daß sich vor allem der Faktor Strahlung wesentlich auf bereits durch oxidativen Streß geschwächte Pflanzen auswirken könnte. In diesem Zusammenhang soll vor allem die Effizienz des Xanthophyllzyklus analysiert werden, dessen Aufgabe es ist, überschüssige Strahlungsenergie unschädlich zu machen. Zusammen mit Versuchsergebnissen aus kooperierenden Teilprojekten könnten die gewonnenen Daten grundlegende Kenntnisse über das Stoffwechsel- bzw. Photosynthesegeschehen bei Ozoneinfluß unter Trockenstreß liefern.

Ziel des Projekts war, Informationen über Kombinationswirkungen von natürlichem und anthropogenem Stress zu erhalten. Als Stressfaktoren kamen Trockenheit und Ozoneinwirkung zur Anwendung, da beide auch unter natürlichen Bedingungen oft gemeinsam vorkommen. Als Testpflanzen wurden zwei Weizensorten gewählt, von denen Triticum durum cv. Extradur auf Grund der Herkunft (Mediterran) trockentoleranter als Triticum aestivum cv. Nandu sein müsste. Außerdem gilt "Extradur" als ozonresistent, wogegen "Nandu" gegenüber dieser Luftverunreinigung empfindlich ist. Die negative Wirkungen des Schadstoffes Ozon auf die Vegetation liegen bereits hinreichend dokumentiert vor, allerdings sind Ozoneinwirkungen in Kombination mit zusätzlichen Einflussgrößen bisher noch unzureichend erforscht. In diesem Projekt sollte insbesondere anhand von biochemischen Analysen geprüft werden, wie der Faktor Trockenheit die Stressreaktionen auf Ozon in pflanzlichen Zellen modifizieren kann. Die Überlegung bestand darin, dass eine resistente Sorte oxidativen Stress, und Trockenstress ist ein solcher, mit einem leistungsfähigen stressphysiologischen Schutzsystem begegnen kann. Wirkt nun ein weiterer oxidativer Stress, wie Ozon, ein, müsste dadurch das Schutzsystem zusätzlich aktiviert werden. Die empfindliche Sorte müsste stärker reagieren, um sich zu schützen, oder das System bricht zusammen. Als Stressindikatoren dienten Komponenten des antioxidativen Schutzsystems. Physiologische Untersuchungen wie Gasaustausch oder Wasserpotential wurden zur besseren Interpretation begleitend durchgeführt. Der Versuchsablauf (Ozonbegasung, Trockenstress-Applikation) erfolgte in Kooperation mit dem Österreichischen Forschungszentrum Seibersdorf und wurde wirklichkeitsnah in Open-Top-Chambers während zwei Vegetationsperioden durchgeführt. Die Untersuchungen über die Wechselwirkungen von Ozon und Trockenstress auf Weizen ergaben, dass Ozon in der gewählten Konzentration und Zeit keinen deutlichen Effekt auf die untersuchten biochemischen Komponenten zeigte, allerdings konnten eine Ertragsverminderung durch Ozoneinfluss beobachtet werden. Jedoch hat der Faktor Trockenheit einen signifikanten Einfluss auf das Schutzsystem der Pflanzen, denn Trockenstress bewirkte in beiden Weizensorten eine erhöhte Notwendigkeit an Schutzsystemen (Antioxidantien: z.B. Glutathion, Tocopherol und entgiftende Enzyme). Die sensitive und die resistente Sorte reagierten gegenüber Stresseinwirkung ähnlich, allerdings mit der Abweichung, dass bei der resistenten Sorte Extradur die Stressantwort schneller erfolgte. Das Entwicklungsstadium der Weizenpflanzen wirkte sich so aus, dass ein Seneszenzzustand (bei Ährenreife) zu atypischen Verschiebungen in physiologischen und biochemischen Reaktionen führt, welche bislang im einzelnen nicht interpretierbar sind. Die stärkste Veränderung jedoch bewirkte mangelnde Wasserversorgung im antioxidativen Schutzsystem der Wurzeln: Bei beiden Weizensorten verursachte Trockenstress in den Wurzeln eine Reduktion im Antioxidantengehalt und eine verminderte Enzymaktivität. Die Untersuchungen zeigen deutlich, dass sich grüne Pflanzenteile sehr gut gegen Trockenstress schützen können, da sie die Kapazität der Schutzsysteme erhöhen. Ozon hingegen wirkt nur modulierend. Wurzeln hingegen sind von der Versorgung durch die Blätter abhängig. Bei Trockenstress werden die Wurzeln von den Blättern unterversorgt und leiden demzufolge besonders unter Stresseinfluss. Um Fehlinterpretationen zu vermeiden, sollten bei stressphysiologischen Untersuchungen an Pflanzen neben den Blattteilen auch immer die Wurzeln einbezogen werden, denn in vielen Fällen ist die Ertragsminderung nicht mit physiologischen Reaktionen von oberirdischen Organen, wie Photosynthese, Schutzsystemreaktion u.a. in Einklang zu bringen, sondern stellen eine Reaktion der Wurzeln dar. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen sind auch insofern für die Praxis von Bedeutung, als dass viele divergierende Ergebnisse in Labor und Freiland nun leichter interpretiert werden können.