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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-593612
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.59361
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 7 Januar 2026 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Sergey Rosbakh |
| Tag der Prüfung: | 10 Oktober 2024 |
| Institutionen: | Biologie und Vorklinische Medizin > Institut für Pflanzenwissenschaften Biologie und Vorklinische Medizin > Institut für Pflanzenwissenschaften > Lehrstuhl für Ökologie und Naturschutzbiologie (Prof. Dr. Peter Poschlod) |
| Stichwörter / Keywords: | wild plant; pollen; temperature stress; climate change; seeds |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 580 Pflanzen (Botanik) |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 59361 |
Zusammenfassung (Englisch)
Research is increasingly focusing on understanding the impacts of climate change on seed plant reproduction. Despite the ongoing efforts, gaps and biases still remain as most studies focus on cultivated crops and model species like Arabidopsis thaliana, with limited research on wild plants. Furthermore, methodological gaps such as the lack of standardized protocols for developing in vitro ...
Zusammenfassung (Englisch)
Research is increasingly focusing on understanding the impacts of climate change on seed plant reproduction. Despite the ongoing efforts, gaps and biases still remain as most studies focus on cultivated crops and model species like Arabidopsis thaliana, with limited research on wild plants. Furthermore, methodological gaps such as the lack of standardized protocols for developing in vitro germination media for unstudied species or groups still exist.
The main aim of this thesis was to address these gaps by developing new methods for pollen research based on protocols in literature and investigate the impacts of temperature stress on plant sexual reproduction, with a particular emphasis on gametophytic performance in both wild and cultivated plants.
Chapter 1 introduces the research context of the thesis, highlighting existing gaps and biases in gametophytic studies. It provides a brief overview of the developmental stages of male (pollen) and female (ovule) gametophytes, the impacts of climate change-induced heat waves on gametophytic performance and the compensatory mechanisms they employ.
Chapter 2 is the methodological paper with a compendium of optimized in vitro pollen germination media (PGM) recipes from over 1800 articles published from 1926 to 2019. The compendium consists of 1572 PGM successfully used in 816 species from 412 genera and 114 families (monocots and dicots). Key components used include sucrose (89%), H3BO3 (77%), Ca2+ (59%), Mg2+ (44%), and K+ (39%). Notably, concentrations of sucrose, calcium, and magnesium varied significantly across categories, highlighting the need for group-specific considerations in PGM composition. I therefore identified general rules for creating PGM tailored to different species groups, considering factors such as research focus (wild vs. cultivated species), phylogenetic relatedness, pollen physiology, biochemistry, and stigma properties. The compendium serves as a valuable data resource for PGM and facilitates future pollen research endeavors.
Chapter 3 examines the patterns and drivers of pollen temperature tolerance (cold and heat) across diverse plant populations and species globally. To achieve this, I compiled a dataset spanning 1933 to 2020, comprising cardinal temperatures (minimum, optimal, and maximum) for pollen germination and tube growth in 198 plant species. I investigated pollen temperature limits (PTLs) by examining their correlation with the thermotolerance of vegetative tissues and assessing variability at the intra- and interspecific levels across the species with contrasting phylogeny, cultivation history, biology, and ecology. The findings revealed positive correlations between PTLs and thermotolerance in vegetative tissues. At the species level, PTLs ranged from 6.1 to 39.5 ⁰C, displaying significant differences among growth forms and cultivation histories. While there were variations in pollen cold tolerance among species populations, optimum and maximum temperatures remained stable. Phylogenetic analysis indicated family-level conservation in pollen cold tolerance, contrasting with the evolutionary independence of heat tolerance. Climate emerged as a significant driver of PTLs, with species at higher elevations and latitudes exhibiting enhanced tolerance. Cultivated species displayed narrower temperature tolerances, highlighting potential vulnerabilities to global warming. Overall, this study sheds light on the complex relationships among pollen temperature limits, plant traits, and environmental factors, providing essential insights into the impact of climate change on plant reproduction.
In chapter 4, the impacts of chronic heat stress (CHS) at moderate (35/30 °C) and severe (40/35 °C) levels, on gametophyte performance and subsequent seed quantity, quality, and germination in four wild Silene species (Silene coeli-rosa, Silene gallica, Silene laeta, and Silene noctiflora) were investigated. I measured six traits related to the male (anther length, pollen production, and size) and female (ovary length, ovule production, and size) gametophyte performance, along with leaf chlorophyll fluorescence. Seeds from treated plants were used to measure seed mass and production, while seed germination was evaluated in terms of germination percentage, speed, and synchrony. The results revealed that both CHS treatments had a negative impact on overall plant performance.
All male gametophyte traits, ovary size, and ovule production were significantly reduced in CHS treatments, resulting in fewer seeds, but seed mass remained unaffected. Although the final germination percentage showed weak significant differences in the severe treatment, heat stress did not negatively impact seed germination. Treated plants exhibited significantly faster germination, with no effect on germination synchrony. Climate change-induced heat waves can adversely affect seed reproduction in wild plant populations, potentially impacting their long-term survival.
In chapter 5, the adaptive and acclimation potential of six male (anther length, pollen production, and size) and female (ovary length, ovule production, and size) gametophytic traits in eleven distinct populations of wild Silene vulgaris across a temperature gradient in Europe were examined. First, plants were cultivated in a common garden to reveal pre-adaptation of gametophytic traits to the local conditions. Next, flowering plants were subjected to chronic heat stress (CHS) treatments (moderate [35/30 °C] and severe [40/35 °C]) to assess the acclimation potential of gametophytic traits. Results from the common garden showed no intraspecific variation in gametophytic traits across the temperature gradient, suggesting limited influence of these traits on sexual adaptation to local habitats. Plants from colder climates produced more seeds with higher mass than those from warm climates. Under both CHS treatments, female gametophytes showed a higher ability to acclimate than males, with moderate CHS leading to increased ovary size and ovule numbers and severe CHS reducing ovule numbers but increasing their size. All pollen traits decreased under both CHS, with severe stress causing more significant reductions, thus translating to low seed quality and quantity. Acclimation potential did not vary among populations across the temperature gradient under both CHS treatments, except for pollen size under severe CHS, which was larger in warmer climates than in colder regions. Overall, the lack of adaptation and acclimation mechanisms in gametophytic traits suggests potential reliance on alternative strategies like shifting flowering time and phenotypic plasticity to cope with climate change-induced heat waves.
Chapter 6 provides a synthesis of the key findings from the four main chapters. The main conclusion drawn is that climate change-induced heat waves can have significant and complex impacts on the reproductive processes, particularly pollen performance, of both wild and cultivated plants. To obtain more precise estimates of the impact of heat stress on seed production, it is crucial to conduct further research that includes a broader array of genotypes or species. Additionally, the chapter discusses potential areas for exploration in future studies within this field.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Die Forschung konzentriert sich zunehmend auf das Verständnis der Auswirkungen des Klimawandels auf die Reproduktion von Samenpflanzen. Trotz der laufenden Bemühungen gibt es nach wie vor Lücken und Verzerrungen, da sich die meisten Studien auf Kulturpflanzen und Modellarten wie Arabidopsis thaliana konzentrieren, während Wildpflanzen nur in begrenztem Umfang untersucht werden. Darüber hinaus ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Die Forschung konzentriert sich zunehmend auf das Verständnis der Auswirkungen des Klimawandels auf die Reproduktion von Samenpflanzen. Trotz der laufenden Bemühungen gibt es nach wie vor Lücken und Verzerrungen, da sich die meisten Studien auf Kulturpflanzen und Modellarten wie Arabidopsis thaliana konzentrieren, während Wildpflanzen nur in begrenztem Umfang untersucht werden. Darüber hinaus bestehen nach wie vor methodische Lücken wie das Fehlen standardisierter Protokolle für die Entwicklung von In-vitro-Keimungsmedien für noch nicht untersuchte Arten oder Gruppen.
Das Hauptziel dieser Arbeit war es, diese Lücken durch die Entwicklung neuer Methoden für die Pollenforschung auf der Grundlage von Protokollen in der Literatur zu schließen und die Auswirkungen von Temperaturstress auf die sexuelle Fortpflanzung von Pflanzen zu untersuchen, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der gametophytischen Leistung sowohl bei Wild- als auch bei Kulturpflanzen lag.
Kapitel 1 führt in den Forschungskontext der Arbeit ein und zeigt bestehende Lücken und Verzerrungen bei gametophytischen Studien auf. Es gibt einen kurzen Überblick über die Entwicklungsstadien der männlichen (Pollen) und weiblichen (Eizellen) Gametophyten, die Auswirkungen der durch den Klimawandel verursachten Hitzewellen auf die Leistung der Gametophyten und die von ihnen eingesetzten Kompensationsmechanismen.
Kapitel 2 ist die methodische Abhandlung mit einem Kompendium optimierter In-vitro-Pollenkeimungsmedien (PGM) aus über 1800 Artikeln, die zwischen 1926 und 2019 veröffentlicht wurden. Das Kompendium besteht aus 1572 PGM, die erfolgreich bei 816 Arten aus 412 Gattungen und 114 Familien (Monokotyledonen und Dikotyledonen) verwendet wurden. Die wichtigsten verwendeten Komponenten sind Saccharose (89 %), H3BO3 (77 %), Ca2+ (59 %), Mg2+ (44 %) und K+ (39 %). Bemerkenswert ist, dass die Konzentrationen von Saccharose, Kalzium und Magnesium in den verschiedenen Kategorien erheblich variierten, was die Notwendigkeit gruppenspezifischer Überlegungen bei der Zusammensetzung von PGM verdeutlicht. Ich habe daher allgemeine Regeln für die Erstellung von PGM aufgestellt, die auf verschiedene Artengruppen zugeschnitten sind, wobei Faktoren wie Forschungsschwerpunkt (Wildarten vs. kultivierte Arten), phylogenetische Verwandtschaft, Pollenphysiologie, Biochemie und Stigmaeigenschaften berücksichtigt wurden. Das Kompendium dient als wertvolle Datenquelle für PGM und erleichtert künftige Pollenforschungsbemühungen.
In Kapitel 3 werden die Muster und Triebkräfte der Pollen-Temperaturtoleranz (Kälte und Hitze) bei verschiedenen Pflanzenpopulationen und -arten weltweit untersucht. Zu diesem Zweck habe ich einen Datensatz für den Zeitraum von 1933 bis 2020 zusammengestellt, der die Kardinaltemperaturen (Minimum, Optimum und Maximum) für die Keimung und das Wachstum der Pollenschläuche von 198 Pflanzenarten umfasst. Ich untersuchte die Pollen-Temperaturgrenzwerte (PTLs), indem ich ihre Korrelation mit der Thermotoleranz der vegetativen Gewebe untersuchte und die Variabilität auf intra- und interspezifischer Ebene bei Arten mit unterschiedlicher Phylogenie, Kultivierungsgeschichte, Biologie und Ökologie bewertete. Die Ergebnisse zeigten positive Korrelationen zwischen den PTLs und der Thermotoleranz in vegetativem Gewebe. Auf Artebene reichten die PTLs von 6,1 bis 39,5 ⁰C und wiesen signifikante Unterschiede zwischen den Wachstumsformen und der Anbaugeschichte auf. Während die Kältetoleranz der Pollen zwischen den Artenpopulationen variierte, blieben die optimalen und maximalen Temperaturen stabil. Phylogenetische Analysen zeigten, dass die Kältetoleranz der Pollen auf Familienebene erhalten bleibt, während die Hitzetoleranz evolutionär unabhängig ist. Das Klima erwies sich als eine wichtige Triebkraft für die PTLs, wobei Arten in höheren Lagen und Breitengraden eine erhöhte Toleranz aufwiesen. Kultivierte Arten wiesen eine geringere Temperaturtoleranz auf, was auf eine mögliche Anfälligkeit gegenüber der globalen Erwärmung hinweist. Insgesamt wirft diese Studie ein Licht auf die komplexen Beziehungen zwischen Pollen-Temperaturgrenzen, Pflanzenmerkmalen und Umweltfaktoren und liefert wichtige Erkenntnisse über die Auswirkungen des Klimawandels auf die Pflanzenreproduktion.
In Kapitel 4 wurden die Auswirkungen von chronischem Hitzestress (CHS) bei moderaten (35/30 °C) und strengen (40/35 °C) Werten auf die Leistung der Gametophyten und die anschließende Samenmenge, -qualität und -keimung bei vier wilden Silene-Arten (Silene coeli-rosa, Silene gallica, Silene laeta und Silene noctiflora) untersucht. Ich habe sechs Merkmale gemessen, die mit der Leistung der männlichen (Antherenlänge, Pollenproduktion und Größe) und weiblichen (Ovarienlänge, Eizellenproduktion und Größe) Gametophyten zusammenhängen, sowie die Chlorophyllfluoreszenz der Blätter. Die Samen der behandelten Pflanzen wurden zur Messung der Samenmasse und -produktion verwendet, während die Keimung der Samen im Hinblick auf den Prozentsatz der Keimung, die Geschwindigkeit und die Synchronität bewertet wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass beide CHS-Behandlungen einen negativen Einfluss auf die Gesamtleistung der Pflanzen hatten.
Alle Merkmale der männlichen Gametophyten, die Größe der Fruchtknoten und die Produktion der Samenanlagen waren bei den CHS-Behandlungen signifikant reduziert, was zu einer geringeren Anzahl von Samen führte, die Samenmasse blieb jedoch unverändert. Obwohl der Prozentsatz der endgültigen Keimung bei den schweren Behandlungen schwache signifikante Unterschiede aufwies, wirkte sich der Hitzestress nicht negativ auf die Keimung der Samen aus. Die behandelten Pflanzen keimten deutlich schneller, ohne dass dies Auswirkungen auf die Keimsynchronität hatte. Durch den Klimawandel verursachte Hitzewellen können die Samenreproduktion in Wildpflanzenpopulationen beeinträchtigen und sich möglicherweise auf ihr langfristiges Überleben auswirken.
In Kapitel 5 wurde das Anpassungs- und Akklimatisierungspotenzial von sechs männlichen (Antherenlänge, Pollenproduktion und Größe) und weiblichen (Fruchtknotenlänge, Eizellenproduktion und Größe) gametophytischen Merkmalen in elf verschiedenen Populationen der wilden Silene vulgaris über einen Temperaturgradienten in Europa untersucht. Zunächst wurden die Pflanzen in einem Gemeinschaftsgarten kultiviert, um eine Voranpassung der gametophytischen Merkmale an die lokalen Bedingungen zu ermitteln. Anschließend wurden die blühenden Pflanzen chronischem Hitzestress (mäßig [35/30 °C] und stark [40/35 °C]) ausgesetzt, um das Akklimatisierungspotenzial der gametophytischen Merkmale zu bewerten. Die Ergebnisse aus dem Gemeinschaftsgarten zeigten keine intraspezifischen Unterschiede bei den gametophytischen Merkmalen über den Temperaturgradienten hinweg, was auf einen begrenzten Einfluss dieser Merkmale auf die sexuelle Anpassung an lokale Lebensräume schließen lässt. Pflanzen aus kälteren Klimazonen produzierten mehr Samen mit höherer Masse als solche aus warmen Klimazonen. Unter beiden CHS-Behandlungen zeigten die weiblichen Gametophyten eine höhere Anpassungsfähigkeit als die männlichen, wobei mäßiger CHS zu einer erhöhten Größe der Fruchtknoten und Anzahl der Samenanlagen führte und starker CHS die Anzahl der Samenanlagen verringerte, aber ihre Größe erhöhte. Alle Polleneigenschaften nahmen unter beiden CHS ab, wobei schwerer Stress zu einer stärkeren Abnahme führte, was sich in geringerer Samenqualität und -menge niederschlug. Das Akklimatisierungspotenzial variierte unter beiden CHS-Behandlungen nicht zwischen den Populationen über den Temperaturgradienten hinweg, mit Ausnahme der Pollengröße unter schwerem CHS, die in wärmeren Klimazonen größer war als in kälteren Regionen. Insgesamt deutet das Fehlen von Anpassungs- und Akklimatisierungsmechanismen bei gametophytischen Merkmalen darauf hin, dass die Pflanzen möglicherweise auf alternative Strategien wie die Verschiebung der Blütezeit und phänotypische Plastizität angewiesen sind, um mit den durch den Klimawandel verursachten Hitzewellen fertig zu werden.
Kapitel 6 enthält eine Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse aus den vier Hauptkapiteln. Die wichtigste Schlussfolgerung ist, dass durch den Klimawandel verursachte Hitzewellen erhebliche und komplexe Auswirkungen auf die Fortpflanzungsprozesse, insbesondere die Pollenleistung, sowohl von Wild- als auch von Kulturpflanzen haben können. Um genauere Schätzungen der Auswirkungen von Hitzestress auf die Samenproduktion zu erhalten, ist es wichtig, weitere Untersuchungen durchzuführen, die eine breitere Palette von Genotypen oder Arten einschließen. Darüber hinaus werden in diesem Kapitel mögliche Bereiche für künftige Studien auf diesem Gebiet erörtert.
Metadaten zuletzt geändert: 07 Jan 2026 08:15
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