Carbon and water dynamics during combined heat, drought and elevated atmospheric $CO_{2}$ in $\textit{Pinus halepensis}$ seedlings

Bäume müssen auf ungünstige Umwelteinflüsse mit Kompromissen reagieren. So werden Kohlenstoffaufnahme und Wachstum durch ihren Wasserhaushalt und ihre Wärmedosis begrenzt. Diese Umweltstressoren nehmen an Häufigkeit und Intensität zu und greifen daher stark in grundlegende Pflanzenprozesse ein, indem sie die Verfügbarkeit von Bodenwasser verringern und den Wasserbedarf der Atmosphäre durch einen Temperaturanstieg erhöhen. Der Anstieg der atmosphärischen Kohlendioxidkonzentration ist die Ursache dieser Veränderungen, aber zusätzlich wird auch darüber diskutiert, dass ein hoher $CO_{2}$-Gehalt den physiologischen Stress der Pflanzen durch Sättigung der Photosynthese, Steigerung der Biomasseakkumulation, Verringerung der Photorespiration und Reduzierung der Wasserverluste durch Optimierung der Spaltöffnungen mildern könnte. ... mehr Man geht davon aus, dass semiaride Regionen besonders anfällig für klimatische Veränderungen sind, aber gleichzeitig könnten sie auch stark auf hohe $CO_{2}$ Konzentrationen reagieren, da die Pflanzen bereits stark Ressourcen limitiert wachsen. Diese Arbeit soll Licht in die weniger beachteten multiplen Stress-$CO_{2}$-Wechselwirkungen von $\textit{Pinus halepensis}$-Sämlingen bringen. Im Folgenden wurde in kontrollierten Gewächshausexperimenten eine Kombination aus Trockenheit und Hitzewellen in Verbindung mit hohen $CO_{2}$ Konzentrationen untersucht. Wachstumskammern ermöglichten eine Trennung von Spross und Wurzel der Pinien Setzlinge. Pflanzenphysiologische Parameter, Gasaustausch, Primärmetaboliten, Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen, Wachstum und Mortalität wurden analysiert und kritisch diskutiert. Schließlich konnten folgende Forschungsfragen beantwortet werden: 1.) Wie verändern sich Gasaustausch, Kohlenstoffallokation und Regeneration der Setzlinge nach wiederholten isolierten Hitze- oder Dürreperioden oder einer Kombination aus Beidem (Kapitel 2 und 3)? 2.) Welchen Einfluss hat sehr hohes atmosphärisches [$CO_{2}$] auf Hitzestressreaktionen und die Kohlenstoffbilanz von trockenheitsakklimatisierten gegenüber gut bewässerten $\textit{P. halepensis}$-Setzlingen (Kapitel 4)? Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass selbst eine sehr trockenheitstolerante Kiefernart schnell an ihre Grenzen stößt, wenn sie höheren Maximaltemperaturen ausgesetzt ist, und dass Trockenheit zusammen mit Hitzewellen ihre Stresswirkung unverhältnismäßig verstärkt. Selbst Effekte, die durch sehr hohe $CO_{2}$-Konzentrationen hervorgerufen werden, werden durch Hitzetrockenstress schnell überdeckt, obwohl sie möglicherweise den individuellen Wasserverbrauch der Bäume entlang eines Temperaturgradienten verringern. Unter zukünftigen Bedingungen mit häufigeren Hitzewellen wird dies möglicherweise dazu führen, dass Bäume immer häufiger zu Netto-$CO_{2}$-Quellen werden.

Trees must face trade-offs responding to unfavorable environments. Thus, carbon assimilation and growth are limited by the tree’s water balance and heat dosage. These environmental stressors increase in frequency and intensity and therefore, intervene strongly in fundamental plant processes by reducing the availability of soil water and by increasing atmospheric water demand through a rise in temperature. The increase in atmospheric carbon dioxide concentration is the cause of these changes, but in addition, it is also discussed that $CO_{2}$ may alleviate physiological stress in plants by saturating photosynthesis, increasing biomass accumulation, reducing photorespiration, and reducing water losses by optimizing stomata. ... mehrSemi-arid regions are thought to be especially vulnerable, but also responsive to these changes, as plants are already performing at a highly optimized and resource limited threshold. This Thesis is intended to shed light on the less considered multiple stress-$CO_{2}$ interactions of $\textit{Pinus halepensis}$ seedlings. In the following, a combination of drought and heat waves in combination with high $CO_{2}$ concentrations was investigated in controlled greenhouse experiments. Growth chambers allowed the differentiation of shoot and root of the pine seedlings. Plant physiological parameters, gas exchange, primary metabolites, volatile organic compound emission, growth and mortality have been analyzed and critically discussed. Finally, the following research questions could be answered: 1) How do gas exchange, carbon allocation and regeneration of tree seedlings change after repeated isolated periods of heat or drought or a combination of both (Chapters 2 and 3)? 2.) What is the potential of very high atmospheric [$CO_{2}$] to influence heat stress responses and the carbon balance of drought-acclimatized versus well-watered $\textit{P. halepensis}$ seedlings (Chapter 4)? In summary, it could be shown that even a highly drought tolerant pine species quickly reaches its limits when exposed to higher maximum temperatures and that drought together with heatwaves disproportionately increase their stress effect. Even effects that are caused by very high $CO_{2}$ concentrations are quickly masked by heat-drought stress, although they possibly reduce the individual water consumption of trees along a temperature gradient. Under future conditions with higher frequencies of heatwaves, this will possibly lead to trees becoming net sources of $CO_{2}$ more often.