Diskriminierung von Kohlenstoff‐ und Wasserstoffisotopen: Zusammenhänge mit dem Photosynthesemechanismus und den Standortbedingungen

Zusammenfassung1 Bei einer C 3 ‐ ( Pisum sativum) , einer C 4 ‐ ( Zea mays ) und einer CAM‐Pflanze ( Bryophyllum daigremontianum ) wurde nach Anzucht unter gleichen Bedingungen der δ 13 C‐ und der δD‐Wert in verschiedenen chemischen Fraktionen untersucht. Dabei ergab sich:a)  Beim D‐Gehalt der organischen Trockensubstanz zeigte sich eine klare Reihung: δD CAM <> δD C 4 > δD C 3 . b)  Die Wurzeln aller drei Pflanzenarten enthalten in der organischen Trockensubstanz relativ mehr 13 C und D als die Sprosse. c)  Hinsichtlich des 13 C‐Gehaltes ist bei den untersuchten Arten jeweils die Lipidfraktion verarmt (besonders beim lipidarmen Bryophyllum) , die wasserlösliche Fraktion dagegen angereichert (wieder besonders stark bei Bryophyllum). Die Werte für Cellulosenitrat stimmen in jedem Falle weitgehend mit denen für die gesamte organische Fraktion überein. d)  Der δD‐Wert ist bei der Lipidfraktion aller Arten weit negativer als der der gesamten organischen Trockensubstanz; am relativ geringsten ist die Differenz bei der CAM‐Art. Auch die Proteinfraktion von Pisum und Zea (bei Bryophyllum nicht analysiert) ist deuteriumärmer als die organische Trockensubstanz, die wasserlösliche Fraktion dagegen reicher. Der δD‐Wert des Cellulosenitrats stimmt wieder gut mit dem der organischen Trockensubstanz überein. Bei diesen Werten wurde der Isotopenaustausch während der Präparation berücksichtigt.2 Es wurden Hinweise dafür gegeben, daß die verschiedene Diskriminierung des 13 CO 2 bei der Photosynthese der Land‐ und Wasserpflanzen vorwiegend auf die Verwendung von freiem CO 2 einerseits bzw. von HCO 3 ‐andererseits (oder von einem Gemisch beider Verbindungen) zurückgeht. Der δ 13 C‐Wert kann daher (in Verbindung mit anderen Methoden) dazu benutzt werden, die Art der CO 2 ‐Quelle submerser Wasserpflanzen zu bestimmen. Außerdem kann mit seiner Hilfe die Verwertung von freiem CO 2 oder HCO 3 – bei der CO 2 ‐Fixierung von photolithotrophen oder chemolithotrophen Bakterien mit bisher unbekanntem Fixierungsmechanismus festgestellt werden. 3 Pflanzenarten mit potentieller Fähigkeit zur nächtlichen CO 2 ‐Fixierung wurden durch die Außenbedingungen, speziell die Dürrebelastung, verschieden stark in ihrer aktuellen Dunkelfixierung beeinflußt: Es gibt Arten (z.B. die untersuchten mexikanischen Crassulaceen), die auch bei relativ guter Wasserversorgung starr am CAM festhalten, und andere (z.B die heimischen Sedum ‐Arten), die erst unter Bedingungen, die im Labor, nicht aber an ihren natürlichen Standorten verwirklicht werden können, zum CAM übergehen. 4 Der Deuteriumgehalt des Gewebswassers und als Folge davon der organischen Trockensubstanz läßt sich in Verbindung bringen mit der Transpirationsrate und damit auch der Verweildauer des Wassers in einer Pflanze. Wasserpflanzen, speziell marine Algen, sind deshalb in ihrer organischen Trockensubstanz gegenüber dem Medium besonders an Deuterium verarmt, CAM‐Pflanzen dagegen besonders deuteriumreich; bei letzteren kann der δD‐Wert daher in Verbindung mit dem δ 13 C‐Wert dazu benutzt werden, CAM‐Pflanzen an trockenen Standorten von C 4 ‐Pflanzen zu unterscheiden. 5 Mit Hilfe des δ 13 C‐ und δD‐Wertes lassen sich nicht nur neue Taxa von C 4 ‐ und CAM‐Arten ermitteln, sondern auch ihr Anteil an der Flora klimatisch definierter Gebiete. Es zeigte sich u.a., daß alle untersuchten Gräser der Indischen, Ägyptisch‐Arabischen und SW‐Afrikanischen Wüste C 4 ‐Arten sind, während z. B. unter den mitteleuropäischen Euphorbien nur zwei eingeschleppte Arten nicht dem C 3 ‐ (sondern dem C 4 ‐) Typ angehören.