Biosynthesis and emission of isoprenoids of boreal and tropical tree species in response to drought

Media type: E-Book

Title: Biosynthesis and emission of isoprenoids of boreal and tropical tree species in response to drought

Contributor: Daber, Lars Erik [Verfasser]; Werner, Christiane [Akademischer Betreuer]; Schnitzler, Jörg-Peter [Reviewer]; Williams, Jonathan [Reviewer]

Corporation: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Professur für Ökosystemphysiologie ; SFB 1537: ECOSENSE - Skalenübergreifende Quantifizierung von Ökosystemprozessen in ihrer räumlich-zeitlichen Dynamik mittels smarter autonomer Sensornetzwerke ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Fakultät für Umwelt und Natürliche Ressourcen

imprint: Freiburg: Universität, 2024

Extent: Online-Ressource

Language: English

DOI: 10.6094/UNIFR/243275

Identifier:

Keywords: Emission ; VOC ; Monoterpene ; GC-MS ; Fichte ; Dürrestress ; Regenwald ; Borealer Nadelwald ; Isoprenoide ; (local)doctoralThesis

Origination:

University thesis: Dissertation, Universität Freiburg, 2023

Footnote:

Description: Abstract: Isoprenoids represent the dominant compound class of biogenic volatile or-ganic compounds emitted by plants. Isoprene and monoterpenes have profound ef-fects on atmospheric chemistry and shape the chemical landscape of many ecosys-tems and plant-environmental interactions therein. The accuracy of global estimates of emission development in regard to a changing climate and increasing drought fre-quency is limited by our understanding of the fundamental processes driving emis-sion and biosynthesis of isoprenoids by plants under varying physiological conditions. Further, the effect of drought on compounds utilised for above- and below-ground plant-environmental signalling, such as chiral monoterpenes, is so far hard to assess. The mirrored conformation of the two enantiomers of chiral monoterpenes alters their biological activity but not their physical properties, complicating analytical dis-tinction, which is why they are often overlooked in environmental studies. Accordingly, the overarching scope of my thesis was to further our under-standing of the effects of drought on above- and below-ground emission and biosyn-thesis of isoprenoids. A specific focus lied on the investigation of emission pattern and biosynthetic dynamics of chiral monoterpenes. Within the framework of the un-precedented drought experiment in a tropical rainforest in the Biosphere 2 (during the Biosphere 2 Water and Life Dynamics campaign 2019), an automated leaf gas ex-change measurement system was set up to continuously monitor foliar fluxes of H2O, CO2 and volatile organic compounds. Stable isotope labelling experiments with posi-tion-specifically labelled pyruvate were performed before and during the drought to investigate changes in above- and, for the first time, below-ground carbon utilisation by four representative plant species from different plant functional types. The results of these experiments were explored in three explicit research studies (Study 1-3). Within these studies, I demonstrated that plant species of different plant functional groups vary in their metabolic responses to drought and disproportionally affect var-ious ecosystem fluxes. Diminishing atmospheric isoprene concentrations in response to drought were partially driven by the legume tree C. fairchildiana, which increasingly resorted to cytosolic pyruvate for isoprene emissions, as the supply of fresh photo-synthates available for biosynthesis declined. The findings from these studies were further developed and adapted to ana-lyse above- and below-ground chiral monoterpene emission and biosynthesis by iso-topically labelling Picea abies saplings during a severe drought climate chamber ex-periment (Study 4 and Study 5). In Study 4, I revealed that three distinct clusters of chiral monoterpenes are synthesised in needles of Picea abies by introducing multiple isotopic tracers (13CO2, 13C1-pyruvate, 13C2-pyruvate). Biosynthesis of chiral monoter-penes is supposed to originate from the same precursor pool but seems to be driven by different metabolic pathways. I conclude that biosynthesis of different groups of chiral monoterpenes is compartmented, either between different cell types or within cell compartments. De novo biosynthesis and emissions of chiral monoterpenes declined in drought-affected plants, even though storage pool size increased. I therefore argue in Study 5 that emission of chiral monoterpenes from storage compartments is not a solely passive process. Likely, release of monoterpenes by resin ducts and associated cells or transport mechanisms are disrupted by drought, leading to declining emis-sions. There was no de novo synthesis of chiral monoterpenes detected in roots, indi-cating that below-ground emissions might be supplied by precursors from above-ground tissue. Notably, chiral monoterpene composition was tissue-specific and drought only affected chiral composition in needles, but not in roots. In conclusion, this thesis provides evidence that drought unequally affects above- and below-ground emission and biosynthesis of isoprenoids and implies important findings for atmospheric model parametrisation and our understanding of the effects of a chang-ing climate on plant-environmental interactions

Abstract: Die Molekülgruppe der Isoprenoide macht den größten Anteil biogener orga-nischer Verbindungen aus, die global von Pflanzen emittiert werden. Emissionen von Iso-pren und Monoterpenen haben tiefgreifende Auswirkungen auf die Atmosphä-renchemie und formen die chemische Landschaft vieler Ökosysteme sowie deren komplexe Interaktionen zwischen Pflanzen und anderen Organismen. Die Genauigkeit globaler Modelle zur Abschätzung der Effekte des Klimawandels auf biogene Emissio-nen von Isopren und Monoterpenen, ist hierbei durch unser Verständnis der funda-mentalen Prozesse beschränkt, die die Biosynthese und Emission durch Pflanzen un-ter variierenden physiologischen Zuständen steuern. Des Weiteren sind die Effekte von Dürreperioden auf über- und unterirdische Emissionen von Signalmolekülen, wie zum Beispiel chiralen Monoterpenen, weitgehend unerforscht. Die gespiegelte Kon-formation der zwei Enantiomere chiraler Monoterpene ändert zwar deren biologische Aktivität, nicht aber die physikalischen Eigenschaften. Dies erschwert die analytische Trennung der Enantiomere, weshalb sie in umweltwissenschaftlichen Studien oft nur zusammengefasst betrachtet werden. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war es daher unser Verständnis von regu-latorischen Prozessen zu erweitern, die die über- und unterirdische Emission und Bio-synthese von Isopren und teils chiralen Monoterpenen in Reaktion auf Trockenstress steuern. Im Zuge des groß angelegten Trockenstress Experimentes (während der „Bio-sphere 2 Water and Life Dynamics“ Kampagne 2019), wurde ein automatisiertes Gasaustausch-Messsystem in dem experimentellen Regenwald der Biosphere 2 (Arizona, USA) aufgebaut, um die Blattflüsse von H2O, CO2 und volatilen organischen Verbindungen zu überwachen. Vor und während der Dürre wurden stabile Isotopen-marker in Blätter und erstmals in Wurzeln von vier repräsentativen Pflanzenarten verschiedener funktioneller Gruppen eingebracht, um Änderungen in der Verwertung verschiedener Kohlenstoffquellen für primäre Stoffwechselwege und die Synthese von Isopren und Monoterpenen zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Experimente wur-den in drei verschiedenen wissenschaftlichen Arbeiten untersucht (Studie 1-3). Mit meinen Analysen konnte ich zeigen, dass sich die funktionellen Gruppen in ihrem Einfluss auf verschiedene Ökosystemflüsse, sowie ihren Stoffwechselreaktionen auf den Trockenstress stark unterschieden. Der Einbruch der atmosphärischen Isopren Konzentrationen unter zunehmender Trockenheit wurde unter anderem durch die Leguminose Clitoria fairchildiana beeinflusst. Die restlichen Emissionen von Isopren von C. fairchildiana wurden zunehmend von cytosolischen Kohlenstoffquellen ge-speist als die Photosyntheserate unter dem Trockenstress zurückging. Die Erkenntnisse aus diesen Studien dienten der Entwicklung weiterführender Isotopenmarker-Experimente, um die Zusammensetzung chiraler Monoterpene in den Emissionen und Speicherorganen von Nadeln und Wurzeln von Picea abies Jung-bäumen in einem Trockenstress Versuch in Klimakammern zu untersuchen (Studie 4 und Studie 5). In Studie 4 habe ich drei distinkte Gruppen innerhalb der emittierten, chiralen Monoterpene, durch das Einbringen verschiedener Isotopenmarker (13CO2, 13C1-Pyruvat, 13C2-Pyruvat), offengelegt. Diese Beobachtung war überraschend, da die Syn-these verschiedener Monoterpene prinzipiell auf das gleiche Vorprodukt (Geranylpy-rophosphat) zurückzuführen ist. Aus diesen Erkenntnissen schloss ich, dass die Syn-these verschiedener, chiraler Monoterpene höchstwahrscheinlich kompartimentiert ist, entweder zwischen den verschiedenen Zelltypen der Nadeln oder innerhalb ein-zelner Zellen. Die Emission chiraler Monoterpene und deren De-novo-Synthese wurde wäh-rend der extremen Trockenphase stark reduziert, obwohl sich die Konzentration der gespeicherten chiralen Monoterpene beinahe verdoppelte. Daher argumentiere ich in Studie 5, dass der Anteil der Emissionen aus Speicherorganen nicht ausschließlich passiv abläuft, sondern höchstwahrscheinlich regulative Prozesse die Freisetzung der volatilen Stoffe aus den Harzkanälen, oder andere Transportprozesse diese Emissio-nen beeinflussen und unter Trockenheit unterbrechen. Innerhalb der Wurzeln konnte keine De-novo-Synthese chiraler Monoterpene detektiert werden, was vermuten lässt, dass die unterirdische Synthese dieser Stoffe durch den Phloemtransport komplexe-rer Vorprodukte über den Stamm versorgt wird. Interessanterweise unterschied sich die Zusammensetzung der chiralen Monoterpene stark zwischen Nadeln und Wur-zeln. Mit zunehmender Trockenheit veränderte sich die chirale Zusammensetzung in den Emissionen und Speicherorganen von Nadeln, blieb jedoch unverändert in den Wurzeln, was vermutlich durch organspezifische Funktionen der chiralen Monoterpe-ne zu erklären ist. Die gesammelten Erkenntnisse dieser Arbeit liefern Nachweise dafür, dass sich Trockenheit unterschiedlich auf die über- und unterirdische Emission und Biosynthe-se von Isoprenoiden auswirkt. Die durchgeführten Studien implizieren wichtige Er-gebnisse für die Parametrisierung globaler Emissionsmodelle sowie für unser Ver-ständnis der Effekte des Klimawandels auf Interaktionen von Pflanzen mit ihrer Um-welt

Access State: Open Access

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