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Beneficial effects and intraspecific variation of silicon in wild dicots

Title data

Klotz, Marius:
Beneficial effects and intraspecific variation of silicon in wild dicots.
Bayreuth , 2023 . - 126 p.
( Doctoral thesis, 2023 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007378

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Project financing: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Abstract in another language

Silicon (Si) is a major constituent of the earth’s crust and can be found in almost all plant species. Plants take up Si from the soil solution as mono-silicic acid, which accumulates forming amorphous Si deposits in plant organs, especially in leaves. Si is a non-essential, but beneficial element for plants and Si accumulation can improve growth, herbivory defence and leaf nutrient status in crops and wild grasses. Furthermore, plant-available soil Si concentrations, herbivory damage and soil moisture influence tissue Si concentrations, potentially modulating the beneficial effects of Si on plants.
Tropical forests and temperate grasslands show large spatial and/or temporal variation in plant-available soil Si concentrations, soil moisture and herbivory pressure, suggesting Si might play an important, but so far underestimated, ecological role in these ecosystems. Yet, beneficial effects of Si on growth, defence and nutrient status, the effects of environmental factors on intraspecific variation in tissue Si and how these effects vary across species have not yet been studied in wild dicots, such as tropical trees and temperate forbs. Dicots make up a marked proportion of the plant species composition of tropical forests and temperate grasslands, which together make up a large proportion of the earths’ terrestrial area, harbour great biodiversity and offer essential ecosystem services. Thus, beneficial effects and intraspecific variation of Si in wild dicots might have consequences for ecological processes and ecosystem function and services.
To test the effect of Si on plant growth, leaf macronutrient concentrations and stoichiometry as well as leaf Si concentrations a Si fertilization experiment, including 14 different levels of soil Si availability and seedlings of 12 tropical tree species, was undertaken. Furthermore, we tested whether increasing plant-available soil Si increased soil phosphorus (P) availability. The effect of Si on herbivory defence of tropical tree seedlings and the effect of herbivory damage on leaf Si concentrations was assessed in a full-factorial experiment, including a Si fertilization and herbivory simulation treatment, followed by multiple-choice feeding trials with a generalist herbivore. The effect of soil moisture on tissue Si concentrations of 10 temperate herbaceous species, including five forb and grass species, was assessed in a mesocosm experiment in which plants were exposed to four different soil moisture regimes.
Increasing plant-available Si improved growth, herbivory defence or changed leaf nutrient status in about 60% of the tropical tree species we studied. The data presented here is the first showing beneficial effects of Si on plant growth and defence in wild tropical tree species and wild dicots in general. Specifically, three out of the 12 species showed increases in aboveground biomass with increasing plant-available soil Si (by up to 220%). As for herbivory defence, three out of the eight species showed lower leaf damage in seedlings grown on Si-rich compared to Si-poor soil (by up to 72%). In one species increased leaf and soil Si led to higher leaf damage, indicating Si increased the leaves’ attractiveness to the herbivore. In terms of leaf nutrient status, leaf P concentrations increased and decreased in two species. Leaf carbon (C) and nitrogen (N) concentrations decreased with increasing plant-available Si in up to four species. Leaf C:N ratios increased in two and leaf C:P and N:P ratios changed in two species, yet with opposite direction. Taken together, only a subset of two to four species responded to increasing soil Si availability in each leaf nutrient status parameter we measured. The strength of the effects of Si on plant growth, herbivory defence and leaf nutrient status varied across species.
Plant-available Si concentrations and soil moisture influenced tissue Si concentrations in most tropical and temperate species, respectively. Simulated herbivory had no effect on leaf Si concentrations in tropical seedlings. The direction of the effect of plant-available Si on leaf Si was linear in all species and the strength of the effect varied across species, with stronger responses in species with a higher Si uptake capacity. For soil moisture, highly species-specific effects on plant Si concentrations emerged for forbs, while the effects in grasses were uniform.
The findings suggest that variation in plant-available Si across habitats may differently influence species’ performance, either directly through effects of soil Si on plant growth or indirectly through effects of soil and/or leaf Si on plant defence. Temporal and spatial variation in soil moisture may additionally influence tissue Si concentrations, and thus herbivory defence. Furthermore, Si-induced changes in leaf nutrient ratios, important drivers of litter decomposition and nutrient release, might influence nutrient availability and also plant performance. Overall, species-specific effects of variation in plant-available Si on plant growth, defence and leaf nutrient status could lead to differences in species performance ranks across habitats varying in plant-available Si and influence species distribution and community composition. Thus, the role of Si in ecological processes and patterns as well as ecosystem function deserves more attention in future studies.

Abstract in another language

Silizium (Si) ist einer der Hauptbestandteile der Erdkruste und kommt in fast allen Pflanzen vor. Pflanzen nehmen Si als Kieselsäure aus der Bodenlösung auf. Die Kieselsäure akkumuliert und bildet amorphe Ablagerungen in den Blättern. Si ist nicht-essentiell, hat aber positive Effekte auf Pflanzen. In Nutzpflanzen und wilden Gräsern kann Si das Wachstum, die Herbivorenabwehr und den Nährstoffhaushalt verbessern. Darüber hinaus, werden Si- Konzentrationen in den Pflanzen von Si-Konzentrationen im Boden, Beschädigungen durch Herbivore und den Bodenwassergehalt beeinflusst, was wiederum Einfluss auf die positiven Effekte von Si haben könnte.
Tropische Wälder und temperate Grasländer zeigen große räumliche und/oder zeitliche Variationen in der Pflanzenverfügbarkeit von Si, Bodenwassergehalte und Herbivorie, was darauf hindeutet, dass Si eine wichtige ökologische Rolle in diesen Ökosystemen spielen könnte. Allerdings wurden die nützlichen Effekte von Si auf Wachstum, Herbivorenabwehr und Nährstoffhaushalt, sowie die innerartliche Variation von Si-Konzentrationen und die diesbezüglichen Unterschiede zwischen den Arten noch nicht in wilden zweikeimblättrigen Pflanzen, d.h. Dikotyle, untersucht. Dikotyle tragen zu einem großen Teil der Artenzusammensetzung von tropischen Wäldern und temperaten Grasländern bei. Diese beiden Ökosysteme, wiederum, decken einen großen Teil der terrestrischen Fläche der Erde ab, haben große Biodiversität und liefern wichtige Ökosystemdienstleistungen. Von daher sollten potentielle nützliche Effekte von Si für wilde Dikotyle und die innerartliche Variation von Si- Konzentrationen wichtige Konsequenzen für ökologische Prozesse und Ökosystemfunktionen haben.
Um den Effekt von pflanzen-verfügbarem Si auf das Wachstum und den Nährstoffhaushalt sowie die Blatt-Si-Konzentrationen zu testen, wurde ein Düngungsexperiment mit 14 Boden-Si- Level und 12 tropischen Baumarten durchgeführt. Außerdem wurde untersucht ob eine erhöhte Si-Verfügbarkeit die Verfügbarkeit von Phosphor (P) erhöht. Der Effekt von Si auf die Herbivorenabwehr in tropischen Baumarten und der Effekt von Herbivorieschäden auf die Si- Konzentrationen wurde in einem voll-faktoriellen Experiment, das Behandlungen mit Si- Dünger und simulierter Herbivorie beinhaltete, und einem darauffolgendem „multiple-choice“ Fütterungsversuch mit einer Herbivorenart getestet. Der Effekt vom Bodenwassergehalt auf Si-Konzentrationen in 10 temperaten krautigen Arten, darunter fünf Kräuter und fünf Gräser, wurde in einem Mesokosmen-Experiment mit vier Bodenwasserbehandlungen getestet.
Erhöhte Si-Verfügbarkeit im Boden verbesserte das Wachstum, die Herbivorenabwehr oder veränderte den Nährstoffstatus der Blätter in ungefähr 60% der untersuchten tropischen Baumarten. Die hier präsentierten Daten sind die ersten, die positive Auswirkungen von Si auf das Wachstum und die Herbivorenabwehr wilder tropischer Baumarten und wilder Dikotyle im allgemeinen zeigen. Konkret produzierten drei der zwölf Arten mehr oberirdische Biomasse mit zunehmender Si Verfügbarkeit (Anstieg um bis zu 220 %). Was die Herbivorenabwehr anbelangt, so zeigten drei der acht Arten bei Sämlingen, die auf Si-reichen Böden wuchsen, geringere Blattschäden als auf Si-armen Böden (Rückgang um bis zu 72 %). Bei einer Art führte eine erhöhte Si-Konzentration in Blättern und Böden zu mehr Blattschäden, was darauf hindeutet, dass Si die Attraktivität der Blätter für den Herbivor steigerte. Im Hinblick auf den Blattnährstoffstatus nahmen die Blatt-P-Konzentrationen bei zwei Arten zu beziehungsweise ab. Die Konzentrationen von Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) in den Blättern nahmen mit zunehmender Si-Verfügbarkeit bei jeweils bis zu vier Arten ab. Bei zwei Arten stiegen die Blatt-C:N-Verhältnisse und bei zwei Arten veränderten sich die Blatt-C:P- und N:P-Verhältnisse in entgegengesetzter Richtung. Insgesamt reagierten jeweils nur zwei bis vier Arten auf die zunehmende Si-Verfügbarkeit im Boden in jedem von uns gemessenen Blattnährstoffstatusparameter. Die Stärke der Auswirkungen von Si auf Wachstum, Herbivorenabwehr und den Nährstoffstatus variierte je nach Art. Erhöhte Si-Verfügbarkeit im Boden und Veränderungen in der Bodenfeuchtigkeit beeinflussten die Si-Konzentrationen in den meisten tropischen Baumarten beziehungsweise gemäßigten krautigen Arten. Simulierte Herbivorie hatten keinen Einfluss auf die Blatt-Si-Konzentrationen tropischer Baumsämlinge. Der Zusammenhang zwischen Si-Verfügbarkeit im Boden und Blatt-Si-Konzentrationen war bei allen Arten linear. Die Stärke des Effekts variierte zwischen den Arten, wobei bei Arten mit einer höheren Si-Aufnahmekapazität stärkere Reaktionen auftraten. Für die Bodenfeuchtigkeit zeigten sich bei Kräutern sehr artspezifische Auswirkungen auf die pflanzlichen Si-Konzentrationen, während die Auswirkungen bei Gräsern einheitlich waren.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Variation der Si-Verfügbarkeit im Boden in verschiedenen Lebensräumen die Leistung der Arten unterschiedlich beeinflussen kann, entweder direkt durch Auswirkungen von Boden-Si auf das Wachstum oder indirekt durch Auswirkungen von Boden- und/oder Blatt-Si auf die Herbivorenabwehr. Zeitliche und räumliche Schwankungen der Bodenfeuchtigkeit könnten die Si-Konzentration im Gewebe und damit bei einigen Arten die Herbivorenabwehr zusätzlich beeinflussen. Darüber hinaus könnten durch Si hervorgerufene Veränderungen im Blattnährstoffverhältnis, ein wichtiger Faktor in der Streuzersetzung und Nährstofffreisetzung, die Nährstoffverfügbarkeit und damit auch die Performanz von Pflanzen beeinflussen. Insgesamt könnten artspezifische Auswirkungen der Variation der Si-Verfügbarkeit im Boden auf Pflanzenwachstum, Herbivorenabwehr und Blattnährstoffstatus zu Unterschieden der Artenleistungsränge in Lebensräumen mit unterschiedlicher Si-Verfügbarkeit führen und die Artenverteilung und Artzusammensetzung ganzer Pflanzengemeinschaften beeinflussen. Daher verdient der Einfluss von Si auf ökologische Prozesse und Muster sowie auf Ökosystemfunktionen mehr Aufmerksamkeit in zukünftigen Studien.

Further data

Item Type: Doctoral thesis
Keywords: silica; phytoliths; plasticity; plant performance; anti-herbivore defense; tropical plants; temperate plants
Institutions of the University: Graduate Schools > University of Bayreuth Graduate School
Graduate Schools > Bayreuth Graduate School of Mathematical and Natural Sciences (BayNAT)
Graduate Schools > Bayreuth Graduate School of Mathematical and Natural Sciences (BayNAT) > PEER Ökologie und Umweltwissenschaften
Graduate Schools
Result of work at the UBT: Yes
DDC Subjects: 500 Science > 570 Life sciences, biology
Date Deposited: 23 Dec 2023 22:00
Last Modified: 08 Jan 2024 06:04
URI: https://eref.uni-bayreuth.de/id/eprint/88130