Prozessbasiertes Modell zur Quantifizierung der Trockenstresswirkung auf den CO2- und H2O-Gasaustausch von Kulturpflanzenbeständen am Beispiel der Gerste (Hordeum vulgare L.)
Final Report Abstract
Modell basierte Prognosen zu den Auswirkungen des Klimawandels auf die Stoff- und Ertragsbildungsprozesse von Kulturpflanzen können die Ableitung von geeigneten Anpassungsstrategien in Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung unterstützen. Bei Simulationsstudien für die mittel- und ostdeutschen Bundesländer, aber auch für andere Regionen Deutschlands und Europas ist die prognostizierte Zunahme von Trockenstresssituationen besonders zu berücksichtigen. Das macht die Verbesserung der bisher noch unbefriedigenden Präzision der Simulation der Trockenstresswirkung unumgänglich. Ausgangspunkt war das im Rahmen von Vorarbeiten in der Arbeitsgruppe entwickelte Modell LEAFC3-N, das den gekoppelten CO2-, H2O- und Energieaustausch unter Einbeziehung von Stickstoffversorgung und Seneszenz beschreibt und bereits als Basismodell in Bestandesmodelle der Stoffbildung verschiedener Kulturpflanzenarten eingebunden wurde. Im Rahmen des Projektes wurde das Modell um den bisher ungenügend berücksichtigten Einfluss von Trockenstress erweitert. Als Modellpflanze wurde aus mehreren Gründen Sommergerste gewählt. Im Rahmen der biophysikalisch begründeten Modellformulierung wurde das Modell erweitert um (1.) die Einbindung des Blattwasserpotenzials als einer zentralen Zustandsgröße, die bei Trockenstress den stomatären Leitwert und die Raten von Carboxylierung und Elektronentransport beeinflusst, sowie (2.) die Limitierung der CO2-Aufnahme durch den Transportwiderstand im Mesophyll. Auf der Grundlage von Messungen des CO2- und H2O-Gasaustauschs unter definierten Trockenstressbedingungen wurden Daten zu den entsprechenden Charakteristiken erhoben sowie geeignete Funktionen formuliert, verifiziert, parametrisiert und in das Modell integriert. Das derart erweiterte Modell ist in der Lage, die Trockenstresswirkungen auf die Netto-Photosynthese und die Transpiration im Tagesverlauf einschließlich der durch Trockenstress bedingten Mittagsdepression richtig zu simulieren. An einem Pilotbeispiel wurde gezeigt, dass durch die Integration von LEAFC3-N in ein übergeordnetes Kulturpflanzenmodell prinzipiell auch die Folgewirkungen auf die Stoff- und Ertragsbildung zutreffend simuliert werden können. Im Rahmen eines Anschlussprojektes wird dieser Aspekt weiter ausgebaut.
Publications
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(2012): ProNet-CN model: a dynamic and multi-scale process network combining photosynthesis, primary carbon metabolism and effects of leaf nitrogen status. In: Kang M., Dumont Y., Guo Y. (eds.): 4th International Symposium on Plant Growth Modeling, Simulation, Visualization and Applications, 31st. Oct. – 3rd. Nov. 2012, Shanghai, China., Institute of Electrical and Electronics Engineers, 289-296
Müller J, Eschenröder A, Christen O, Junker B, Schreiber F
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(2013): LEAFC3-N photosynthesis, stomatal conductance, transpiration and energy balance model: Finite mesophyll conductance, drought stress, stomata ratio, optimized solution algorithms, and code. Ecol. Mod.
Müller J., Eschenröder A., Christen O.
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(2013): LEAFC3-N: modeling effects of drought stress on photosynthesis, stomatal conductance and transpiration. In: Sievänen R., Nikinmaa E., Godin C., Lintunen A., Nygren P. (eds.): Proceedings of the 7th International Conference on Functional–Structural Plant Models, 9-14 June 2013, Saariselkä, Finland, 112-114 (ISBN 978-951-651-408-9)
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(2013): Modelling effects of drought stress on CO2 and H2O gas exchange in barley leaves. Mitt. Ges. Pflanzenbauwiss. 25: 132-133
Bastet J., Müller J., Christen O.
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(2013): Multiscale Metabolic Modeling: Dynamic Flux Balance Analysis on a Whole-Plant Scale.Plant Physiology 163: 637-647
Grafahrend-Belau, E., Junker A., Eschenröder, A., Müller, J., Schreiber, F, Junker, B.H.
