Diskriminierung von Kohlenstoff‐ und Wasserstoffisotopen: Zusammenhänge mit dem Photosynthesemechanismus und den Standortbedingungen
Authors: Ziegler Hubert 
Published: March 2023

Bei einer C3‐ (Pisum sativum), einer C4‐ (Zea mays) und einer CAM‐Pflanze (Bryophyllum daigremontianum) wurde nach Anzucht unter gleichen Bedingungen der δ13C‐ und der δD‐Wert in verschiedenen chemischen Fraktionen untersucht. Dabei ergab sich:

Beim D‐Gehalt der organischen Trockensubstanz zeigte sich eine klare Reihung: δD CAM <> δD C4 > δD C3.

Die Wurzeln aller drei Pflanzenarten enthalten in der organischen Trockensubstanz relativ mehr 13C und D als die Sprosse.

Hinsichtlich des 13C‐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.

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.

Es wurden Hinweise dafür gegeben, daß die verschiedene Diskriminierung des 13CO2 bei der Photosynthese der Land‐ und Wasserpflanzen vorwiegend auf die Verwendung von freiem CO2 einerseits bzw. von HCO3‐andererseits (oder von einem Gemisch beider Verbindungen) zurückgeht. Der δ13C‐Wert kann daher (in Verbindung mit anderen Methoden) dazu benutzt werden, die Art der CO2‐Quelle submerser Wasserpflanzen zu bestimmen. Außerdem kann mit seiner Hilfe die Verwertung von freiem CO2 oder HCO3– bei der CO2‐Fixierung von photolithotrophen oder chemolithotrophen Bakterien mit bisher unbekanntem Fixierungsmechanismus festgestellt werden.

Pflanzenarten mit potentieller Fähigkeit zur nächtlichen CO2‐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.

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 δ13C‐Wert dazu benutzt werden, CAM‐Pflanzen an trockenen Standorten von C4‐Pflanzen zu unterscheiden.

Mit Hilfe des δ13C‐ und δD‐Wertes lassen sich nicht nur neue Taxa von C4‐ 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 C4‐Arten sind, während z. B. unter den mitteleuropäischen Euphorbien nur zwei eingeschleppte Arten nicht dem C3‐ (sondern dem C4‐) Typ angehören.