Plant growth responses to winter climate change: from amongand within-species variation to plant-soil interactions

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Malyshev, Andrey V.:
Plant growth responses to winter climate change: from amongand within-species variation to plant-soil interactions.
Bayreuth , 2015 . - III, 191 S.
( Dissertation, 2015 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Winter climate change is a complex phenomenon, with snow depth, soil freezing dynamics, and variable air temperature all interacting to bring about differences in among- and within-species growth responses. The objective was to detect growth differences in the responses of species, ecotypes and plant functional groups to winter processes impacted by warmer temperatures. Therefore, experiments were carried out to simulate winter warming and to study its effects on cold acclimation and deacclimation, dormancy loss and frost tolerance. Amongspecies variation was then compared with within-species variation to determine if a species could be largely treated as a single response unit under different climatic extremes. Plant-soil interactions were also explored to gain a more complete understanding of factors directly impacting plant responses to winter warming. Three in situ experiments, simulating winter warming for different durations and at different amplitudes were conducted for this purpose. Two main questions were posed: (1) what generalities can be found among species- and ecotypespecific plant responses to winter warming simulated under different environmental conditions? (2) what is the role of within species variation in predicting plant responses to climate warming? Generalities were found among species (relating dormancy depth and its rate of decrease with the passing of winter), within species (latitudinal grass ecotypes showed similar north-south cold acclimation differences as previously shown in trees) and in plant-soil interactions (plant community composition played a major role in N uptake and leaching following prolonged warming and increased temperature variability). This shows that even with high ecotypic and species diversity, experimental biology can provide answers, which apply across species, functional types and experimental conditions. Across several tree species and grass ecotypes the sensitivity to changes in photoperiod was found to influence the effect of temperature on growth cessation and resumption. Photoperiod sensitivity is therefore an important characteristic of plants related to the ability to extend the growing season and resume growth during sudden midwinter warm spells. With respect to the novel comparison of within-species variation to among-species variation under stress, evidence was found against treating a species as a uniform unit, in terms of its climate change responses, across its distribution. Multiple implications and applications of 189 high within-species variation are possible. Firstly, the ability of food crop species and species declining in abundance to adapt to warmer temperatures may be improved with assisted migration of better-adapted ecotypes. Secondly, incorporation of within-species variation into models should enable more accurate projections of species distribution changes. Thirdly, preventing extinction and conserving biodiversity can be supplemented by increasing the ecotypic diversity of an area. This way, potentially undesirable side effects from species introductions can be bypassed. For future experiments, this means that the factors which contribute to development of ecotypes should be researched further. Additionally, plant communities with varying degrees of ecotypic and species diversity should be compared in terms of their resilience to climate change impacts.

Abstract in weiterer Sprache

Winterklimawandel ist ein komplexes Phänomen, wobei veränderte Schneetiefe, Bodenfrostdynamik und variable Lufttemperaturen miteinander interagieren und zu unterschiedlichen Wachstumsreaktionen führen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Unterschiede dieser Wachstumsreaktionen auf wärmere Wintertemperaturen in verschiedenen Arten, Ökotypen und funktionellen Pflanzengruppen herauszufinden. Hierfür wurden in Versuchen Wintererwärmung simuliert und die Auswirkung auf Kälteakklimatisierung, De- Akklimatisierung, Dormanzverlust und Frosttoleranz untersucht. Die Variationen zwischen den Arten und innerhalb der Arten wurde miteinander verglichen, um bestimmen zu können, ob eine Art weitgehend als einheitliche Reaktionseinheit unter unterschiedlichen Klimaextremen behandelt werden kann. Die Interaktionen von Pflanzen und Boden wurden ebenfalls untersucht, um ein besseres Verständnis der Faktoren, die die Reaktionen der Pflanzen auf Wintererwärmung beeinflussen, zu erhalten. Zu diesem Zweck wurden drei in situ Experimente durchgeführt, in denen Wintererwärmung in unterschiedlichen Zeiträumen und Amplituden simuliert wurde. Zwei zentrale Fragen wurden aufgestellt: (1) Welche allgemeingültigen Regeln können für pflanzenartund ökotypspezifische Reaktionen auf Wintererwärmung unter unterschiedlichen Umweltbedingungen abgeleitet werden? (2) welche Rolle spielen Variationen innerhalb der Arten bei der Vorhersage von Pflanzenreaktionen auf den Klimawandel? Solche allgemeingültigen Regeln konnten abgeleitet werden. So wurde im Vergleich der Arten untereinander eine enge Abhängigkeit zwischen der Dormanztiefe und dem Dormanzverlustrate zum Ende des Winters festgestellt. Innerhalb der Arten fanden sich für Grasökotypen ähnliche breitengradabhängige Unterschiede in der Kälteakklimatisierung, wie sie für Bäume bereits bekannt waren. Bezüglich der Pflanze-Boden-Interaktionen konnte nachgewiesen werden, dass die Zusammensetzung der Pflanzengemeinschaft eine entscheidende Rolle bei der Stickstoffaufnahme und -auswaschung nach längeren winterlichen Wärmephasen und erhöhter Temperaturvariabilität spielt. Diese Beispiele zeigen, dass trotz ökotypischer und zwischenartlicher Variabilität die experimentelle Ökologie Antworten geben kann, die generell über die einzelnen Arten, funktionelle Typen und Versuchsstandorte hinaus gelten. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass die Photoperiode ebenfalls eine wichtige Rolle für die Beendigung sowie für die Wiederaufnahme des Wachstums bei einigen 191 Baumarten und Grasökotypen spielt. Die Sensitivität der Pflanzen für die Tagelänge in Hinblick auf ihre Dormanz ist deshalb ein wichtiges Merkmal der Pflanzen in Bezug auf ihre Fähigkeit, bei plötzlich einsetzenden Wärmeperionden im Winter und frühere warme Temperatur in der Frühling die Vegetationsperiode zu verlängern. In Bezug auf den neuartigen Vergleich von innerartlicher und zwischenartlicher Variabilität unter Stress zeigen die Ergebnisse, dass die Behandlung einer Art als eine einheitliche Einheit über ihr gesamtes Verbreitungsgebiet in Bezug auf ihre Reaktionen gegenüber dem Klimawandel zu kurz greift. Aus der hohen innerartliche Variation ergeben sich mehrere Schlussfolgerungen und Anwendungen. Erstens, die Anpassungsfähigkeit von Nutzpflanzen oder rückläufigen Arten an wärmeren Temperaturen kann verbessert werden durch unterstützte Migration von besser angepassten Ökotypen. Zweitens, der Einbau von innerartlicher Variabilität in Artverbreitungsmodelle wird genauere Prognosen für zukünftige Arealveränderungen ermöglichen. Drittens, die Bemühungen zur Vermeidung des Aussterbens von Pflanzenarten und zum Erhalt einer hohen Biodiversität können durch eine Erhöhung der ökotypischen Vielfalt in einem Gebiet unterstützt werden. Auf diese Weise können potentiell unerwünschte Nebenwirkungen von Arteneinführungen vermieden werden. Die Entwicklung von Ökotypen und ihre Faktoren bedürfen darum weiterer wissenschaftlicher Untersuchungen. Darüber hinaus sollten Pflanzengemeinschaften mit unterschiedlicher Diversität der Arten und Ökotypen in ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber den Auswirkungen des Klimawandels verglichen werden.