Progress in phenological modelling on the basis of metabolomic approaches
Plant Physiology
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden erstmals, exemplarisch für die Süßkirsche („Summit“), die Länge der Para-, Endo- und Ökodormanz sowie der Beginn der ontogenetischen Entwicklung über 6 Jahre bestimmt. Die Länge dieser Phasen war bisher unbekannt, jedoch für eine physiologisch begründete Modellierung des Blühbeginns der Kirsche unerlässlich (mechanistische Modelle). Hierzu wurden im wöchentlichen Abstand von Oktober bis April Blütenknospen von der Bäumen entnommen, um Veränderungen verschiedener Parameter wie Frisch-, Trockenmasse, Wasser-, N- und C-Gehalt zu bestimmen („classic approach“). Zudem wurde eine Vielzahl von Metaboliten (Phytohormone, Zucker, Aminosäuren, Carotinoide etc.) untersucht, die als Marker für die Länge der Phasen dienen können („metabolomic approach“). Mit Hilfe klassischer Analysemethoden (u.a. Bestimmung des Wassergehalts in den Knospen, Experimente mit Zweigen unter kontrollierten Bedingungen) war es bereits möglich die Phasen der Dormanz zu unterteilen und den Beginn der ontogenetischen Entwicklung zu definieren. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Endodormanz von „Summit“ im Mittel am 30. November (334 DOY ± 7.6 d) gebrochen wurde, nachdem die Knospen 41 ± 2.9 CP („chill portion“) ab dem 1. September ausgesetzt waren. Dieser moderate Kälteanspruch von „Summit“ garantiert eine Freisetzung der Endorormanz auch unter wärmeren klimatischen Bedingungen (Klimawandel). Unter den Metaboliten waren der Abscisinsäure- (ABA) und der Saccharose (SUC)-Gehalt geeignete Marker, um diesen Status festzustellen. Die ABA-Gehalte erreichten mehrheitlich während der Endodormanz für 3-6 Wochen ihren höchsten Gehalt (im Mittel über 6 Jahre 5.65 μg g^-1 DW^-1) und nahmen sukzessive während der Ökodormanz und der ontogenetischen Entwicklung wieder ab. Der SUC-Gehalt zeigte einen deutlichen Anstiegt während der Endodormanz und erreichte einen konstanten Maximalwert während der Ökodormanz (im Mittel über 5 Jahre 21.0 mg g^-1 DW^-1), der jedoch von der Minimumtemperatur der Luft während der Endorormanz abhängig war (r=-0.90). Erst mit dem Beginn der ontogenetischen Entwicklung nahmen die Gehalte wieder ab. Die mittlere Länge der Endodormanz betrug 24 ± 3.4 Tage und ist damit relativ konstant. Die Ökodormanz dauerte 83 ± 20.7 Tage und zeigte eine deutlich höhere Variabilität, die sich ausschließlich aus dem Phasenende, d.h. dem Beginn der ontogenetischen Entwicklung ergibt. Während der Endo- und Ökodormanz wurden keine signifikanten Änderungen von Frisch-, Trockenmasse, Wasser-, N- und C-Gehalt festgestellt. Die ontogenetische Entwicklung der Knospen begann im Mittel am 21. Februar (52 DOY ± 20.7 d), d.h. 26 Tage bevor erste Veränderungen an den Knospen sichtbar wurden („swollen bud“, SB). Dieser Termin war durch einen kontinuierlichen Anstieg der mittleren Lufttemperatur über dem Gefrierpunkt und durch eine nachfolgende Zunahme des Wassergehalts in den Knospen von 53 % auf ca. 80 % zum Stadium „open cluster“ gekennzeichnet. Ein weiterer Beleg für den Beginn der ontogenetischen Entwicklung war die kontinuierliche Abnahme des Saccharose-Gehalts in den Knospen bis SB. Die täglichen Änderungsraten von Frisch-, Trockenmasse, Wasser- und N-Gehalt ab t1* konnten ebenfalls mit dem Anstieg der Lufttemperatur erklärt werden. Somit wurden in diesem Projekt erste Ansätze für eine mechanistische Modellierung phänologischer Stadien aufgezeigt, die weitergehender, systematischer Untersuchung bedürfen und vor allem mehrjährige Datensätze geeigneter Metabolite beinhalten müssen.
Publications
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(2014) Seasonal changes of physiological parameters in sweet cherry (Prunus avium L.) buds. Scientia Horticulturae 172: 183-190
Götz KP, Chmielewski FM, Homann T, Huschek G, Matzneller P, Rawel HM
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(2016) Performance of models for the beginning of sweet cherry blossom under current and changed climate conditions. Agricultural and Forest Meteorology 218–219: 85–91
Chmielewski FM, Götz KP
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(2017) Assessment of amino acids during winter rest and ontogenetic development in sweet cherry buds (Prunus avium L.) Scientia Horticulturae 222: 102–110
Götz KP, Chmielewski FM, Gödeke K, Wolf K, Jander E, Sievers S, Homann T, Huschek G, Rawel HM
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(2017) Climate change and spring frost damages for sweet cherries in Germany. Int J Biometeorol
Chmielewski FM, Götz KP, Weber KC, Moryson S
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(2017) Identification and Timing of Dormant and Ontogenetic Phase for Sweet Cherries in Northeast Germany for Modelling Purposes. J Hortic 4: 205
Chmielewski FM, Götz KP
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(2017) Identification of endodormancy release for cherries (Prunus avium L.) by absisic acid and sugrars. J Hortic 4: 210
Chmielewski FM, Götz KP, Homann T, Huschek G, Rawel HM
