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Plant species richness of permanent grasslands has often been found to be significantly associated with productivity. Concentrations of nutrients in biomass can give further insight into these productivity-plant species richness relationships, e.g. by reflecting land use or soil characteristics. However, the consistency of such relationships across different regions has rarely been taken into account, which might significantly compromise our potential for generalization. We recorded plant species richness and measured above-ground biomass and concentrations of nutrients in biomass in 295 grasslands in three regions in Germany that differ in soil and climatic conditions. Structural equation modelling revealed that nutrient concentrations were mostly indirectly associated with plant species richness via biomass production. However, negative associations between the concentrations of different nutrients and biomass and plant species richness differed considerably among regions. While in two regions, more than 40% of the variation in plant species richness could be attributed to variation in biomass, K, P. and to some degree also N concentrations, in the third region only 15% of the variation could be explained in this way. Generally, highest plant species richness was recorded in grasslands where N and P were co-limiting plant growth, in contrast to N or K (co-) limitation. But again, this pattern was not recorded in the third region. While for two regions land-use intensity and especially the application of fertilizers are suggested to be the main drivers causing the observed negative associations with productivity, in the third region the little variance accounted for, low species richness and weak relationships implied that former intensive grassland management, ongoing mineralization of peat and fluctuating water levels in fen grasslands have overruled effects of current land-use intensity and productivity. Finally, we conclude that regional replication is of major importance for studies seeking general insights into productivity-diversity relationships.
The expansion and intensification of soya bean agriculture in southeastern Amazonia can alter watershed hydrology and biogeochemistry by changing the land cover, water balance and nutrient inputs. Several new insights on the responses of watershed hydrology and biogeochemistry to deforestation in Mato Grosso have emerged from recent intensive field campaigns in this region. Because of reduced evapotranspiration, total water export increases threefold to fourfold in soya bean watersheds compared with forest. However, the deep and highly permeable soils on the broad plateaus on which much of the soya bean cultivation has expanded buffer small soya bean watersheds against increased stormflows. Concentrations of nitrate and phosphate do not differ between forest or soya bean watersheds because fixation of phosphorus fertilizer by iron and aluminium oxides and anion exchange of nitrate in deep soils restrict nutrient movement. Despite resistance to biogeochemical change, streams in soya bean watersheds have higher temperatures caused by impoundments and reduction of bordering riparian forest. In larger rivers, increased water flow, current velocities and sediment flux following deforestation can reshape stream morphology, suggesting that cumulative impacts of deforestation in small watersheds will occur at larger scales.
Es ist bekannt, dass Änderungen im Kohlenstoff- bzw. Stickstoffstaus der Pflanzen zu einer parallelen statt reziproken Änderung der kohlenstoff- und stickstoffhaltigen Primärmetabolite führen. Unter diesem Gesichtspunkt wurden in der vorliegenden Arbeit der Aminosäurestoffwechsel und der Sekundärstoffwechsel unter reduzierten Stickstoffbedingungen untersucht. Zur Beeinflussung des Stickstoffstoffwechsels wurden nitratmangelernährte Tabakwildtyppflanzen und Genotypen mit unterschiedlich stark reduzierter Nitratreduktase-Aktivität verwendet. Dieses experimentelle System erlaubt zusätzlich durch den Vergleich Nitrat defizienter Wildtyppflanzen mit Nitrat akkumulierenden NIA-Transformanten Prozesse zu identifizieren, die durch Nitrat gesteuert werden. Die Analysen der Primär- und Sekundärmetabolite wurde in allen Genotypen diurnal durchgeführt, um auch tageszeitlich abhängige Prozesse zu identifizieren. Die Analyse der absoluten Gehalte aller individuellen Aminosäuren enthüllte bei den meisten erstaunlich stabile diurnale Muster mit einem Anstieg während des Tages und einem Abfall in der Nacht in Wildtyppflanzen gewachsen mit ausreichend Nitrat. Dieses Ergebnis legt die Schlussfolgerung nahe, dass die Biosynthese der Aminosäuren koordiniert abläuft. In Pflanzen mit reduziertem Stickstoffstatus haben diese diurnalen Muster jedoch keinen Bestand. Die Kombination des erzeugten stickstoffbasierten Aminosäuredatensatz in Kombination mit einem bereits erzeugten Aminosäuredatensatz unter kohlenstofflimitierten Bedingungen von Matt et al. (2002) führte durch Hauptkomponentenanalyse (PCA) und Korrelationsanalyse zu dem Ergebnis, dass die Hypothese nach einer koordinierten Aminosäurebiosynthese nicht allgemeine Gültigkeit hat. Die PCA identifizierte Glutamin, Glutamat, Aspartat, Glycin, Pheny-lalanin und Threonin als Faktoren, die den Datensätzen ihre charakteristische Eigenschaft und deren Varianz verleihen. Die Korrelationsanalyse zeigte, dass die sehr guten Korrelationen der individuellen Aminosäuren untereinander in reduzierten Stickstoff- und Kohlenstoffbedingungen sich verschlechtern. Das Verhältnis einer einzelnen Aminosäure relativ zu den anderen führte zur Identifizierung einiger Aminosäuren, die individuelle Antworten auf Stickstoff- und/oder Kohlenstoffstatus zeigen, und/oder speziell auf Nitrat, Licht und/oder den E-nergiestatus der Thylakoidmembran. Glutamat beispielsweise verhält sich in den meisten Situationen stabil, Phenylalanin dagegen zeigt in jeder physiologischen Situation eine individuelle Antwort. Die Ergebnisse dieser Arbeit führen zu einer Erweiterung der Hypothese einer koordinierten Synthese der Aminosäuren dahingehend, dass diese nicht generell für alle Aminosäuren angenommen werden kann. Es gibt einige Aminosäuren deren, Anteile sich situationsbedingt anpassen. Die Reduktion des Stickstoffstatus in nitratmangelernährten Tabakwildtyppflanzen führte zu der, nach der „Carbon-Nutrient-Balance“ Hypothese erwarteten Verlagerung der kohlenstoffreichen Phenylpropanoide und des stickstoffreichen Nikotins. Die Erhöhung der Phenylpropanoidgehalte war nicht in der Nitrat akkumulierenden NIA-Transformante zu beobachten und somit konnte Nitrat als regulatorisches Element identifiziert werden. Ein Einfluss der Vorläufermetabolite konnte ausgeschlossen werden, da sowohl nitratmangelernährter Wildtyp als auch die Nitrat akkumulierende NIA-Transformante ähnliche Gehalte dieser aufwiesen. Genexpressionsanalysen über Mikroarray-Hybridisierung und quantitative RT-PCR zeigten, dass Nitrat durch noch nicht geklärte Mechanismen Einfluss auf die Expression einiger Gene nimmt, die dem Phenylpropanoidstoffwechsels zugeordnet sind. Aus der Arbeit hervorgegangene Veröffentlichungen: Christina Fritz, Natalia Palacios-Rojas, Regina Feil und Mark Stitt (2006) Regulation of Secondary Metabolism by the Carbon-Nitrogen Status in Tobacco: Nitrate Inhibits Large Sectors of Phenylpropanoid Metabolism. Plant Journal 46, 533 - 548 Christina Fritz, Petra Matt, Cathrin Müller, Regina Feil und Mark Stitt (2006) Impact of the Carbon-Nitrogen Status on the Amino Acid Profile in Tobacco Source Leaves. Plant, Cell and Environment 29 (11), 2009 - 2111