京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第23580号 / 農博第2479号 / 新制||農||1088(附属図書館) / 学位論文||R3||N5364(農学部図書室) / 京都大学大学院農学研究科地域環境科学専攻 / (主査)教授 舟川 晋也, 教授 北山 兼弘, 准教授 渡邉 哲弘 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第25018号 / 農博第2578号 / 新制||農||1103(附属図書館) / 京都大学大学院農学研究科森林科学専攻 / (主査)教授 梅村 研二, 教授 矢野 浩之, 教授 村田 功二 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

Animal diversity is rapidly decreasing across the globe as their habitats are being degraded by human activities. At the same time, forest restoration is an increasing practice, contributing to preserving nature values, but to what extent? On Borneo, only a fraction of its previous tropical rainforest remains today as conversion into monoculture tree plantations has been increasingly profitable. This study aims at investigating the potential of tropical reforestation in sustaining native animal diversity, a group that is often overlooked when it comes to studying restoration success. I collected audio recordings from four different land uses in Sabah, Borneo, Malaysia (oil palm and eucalypt plantations, primary and restored forest) to compare their soundscapes, i.e., all the sounds stemming from the different landscapes. I also created a list of 57 species based on the recordings, used it to compare species richness and presence of threatened species within the land uses. Both the animal diversity and soundscape composition differed significantly between restored forest and tree plantations, with more than twice as many species found in the rainforest both in total and per plot. The largest difference was observed comparing oil palm and restored forest plots; the latter harbored an average of 3.7 times more species. The soundscape from the restored forest showed high similarity to primary forest and the mean number of threatened species were the same in both land uses. More species were on average found in the restored plots than in the primary sites, 26 compared to 21. The findings from this study are promising, giving insight in the possibility to restore animal diversity simultaneously to restoring plant diversity. At the same time, it also stresses the need for a more sustainable alternative to the present plantation forestry and more comprehensive studies on how tropical rainforest restoration affects animal diversity.

The fractionation of two biomass resources, red oak (Quercus rubra) chips and oil palm (Elaeis guineensis) trunk solids, into constitutive chemical components, cellulose, hemicelluloses (called "other carbohydrates") and non-carbohydrates (includes lignin, tannins, etc.), was studied quantitatively in terms of relative cleanness. Red oak chips were steam exploded using a batch reactor at five different treatment severities, Ro 5,000, 10,000, 15,000, 20,000 and 35,000. Steam exploded fibers (SEF) of each severity were extracted with water and alkali. Mass fractionation and summative analysis data of all solid biomass fractions were determined. These data were interpreted in term of a unifying clean fractionation concept designed to evaluate the effectiveness of the fractionation processes. Within a series of severities applied to a single biomass resource, the quantitative clean fractionation can be used to choose an optimum severity for the isolation of any particular component fraction. The red oak results revealed that 25 % (on average) of biomass solids were lost during steam explosion. Cellulose remained almost unaffected (retained in fibers form) by water and alkali extraction. About 35-55 % of the hemicelluloses can be recovered in the water extracted liquor fraction (WEL). The remaining non-cellulosic carbohydrates were lost during steam explosion, especially at high severity. At Ro 10,000 and above, alkali extracted fibers (AEF) consists almost entirely of cellulose and non-carbohydrates. The majority of the non-carbohydrates component (> 50 %) can be isolated by alkali extraction. The non-carbohydrate component harvested increased with severity to 67% at Ro 35,000. / Master of Science

In dieser Studie wird ein neues Modul “CLM-Palm” für mehrjährige Nutzpflanzen zur Modellierung einer funktionellen Gruppe (plant functional type) für Ölpalmen im Rahmen des Community Land Models (CLM4.5) entwickelt, um die Auswirkungen der Transformation eines tropischen Waldes in eine Ölpalmenplantage auf die Kohlenstoff-, Wasser- und Energieflüsse zwischen Land und Atmosphäre zu quantifizieren. Um die Morphologie der Ölpalme möglichst detailgetreu darzustellen (das heißt, dass ungefähr 40 Phytomere einen mehrschichtigen Kronenraum formen), wird in dem Modul CLM-Palm eine phänologische und  physiologische Parametrisierung auf Skalen unterhalb des Kronraums eingeführt, so dass jedem Phytomer sein eigenes prognostisches Blattwachstum und seine Erntekapazität zugeordnet wird, während Stamm und Wurzeln gemeinsam genutzt werden. Das Modul CLM-Palm wurde ausschließlich für Ölpalmen getestet, ist aber auch für andere Palmarten (z. B. Kokospalmen) interessant.  Im ersten Kapitel dieser Arbeit werden Hintergrund und Motivation dieser Arbeit vorgestellt. In Kapitel 2 wird die Entwicklung des Haupt- bzw. Kernmodells beschrieben,  inklusive Phänologie und Allokationsfunktionen zur Simulation des Wachstums und des Ertrags der Palme PFT, wodurch die Basis zur Modellierung  der biophysikalischen und biogeochemicalischen Kreisläufe innerhalb dieser Monokultur bereitgestellt wird. Die neuen Parameter für die Phänologie und die Allokation wurden sorgfältig mit Feldmessungen des Blattflächenindexes (LAI), des Ertrags und der Nettoprimärproduktion (NPP) verschiedener Ölpalmenplantagen auf Sumatra (Indonesien) kalibriert und validiert. Die Validierung zeigte die Eignung von CLM-Palm zur adäquaten Vorhersage des mittleren Blattwachstums und Ertrags für verschiedene Standorte und repräsentiert in ausreichendem Maß die signifikante Variabilität bezüglich des Stickstoffs und Alters von Standort zu Standort.  In Kapitel 3 wird die weitere Modellentwicklung und die Implementierung eines Norman-Mehrschichtmodells für den Strahlungstransport vorgestellt, das an den  mehrschichtigen Kronenraum der Ölpalme angepasst ist. Dieses Norman-Mehrschichtmodell des Strahlungstransports zeigte im Vergleich zu dem in CLM4.5 implementierten Standardmodell (basierend auf großen Blättern) bei der Simulation der Licht-Photosynthese-Kurve leichte Verbesserungen und hat  lediglich marginale Vorteile gegenüber dem ebenfalls in CLM4.5 implementierten alternativen statistischen Mehrschichtmodell.  Dennoch liefert das Norman-Modell eine detailliertere und realistischere Repräsentation des Belaubungszustands wie etwa dem dynamischen LAI, der Blattwinkelverteilung in verschiedenen Höhen, und ein ausgewogeneres Profil der absorbierten photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR). Die Validierung mit Hilfe der Eddy-Kovarianz Flussdaten zeigte die Stärke von CLM-Palm bei der Simulation der Kohlenstoffflüsse, offenbarte aber auch Abweichungen in der simulierten Evapotranspiration (ET), dem sensiblen und dem latenten Wärmefluss (H und LE). Eine Reihe von hydrologischen Messungen im Kronenraum wird in Kapitel 4 beschrieben. Dies beinhaltet eine Adaption des in CLM4.5 eingebauten Standardmodells für Niederschlag, Interzeption und Speicherfunktionen für die speziellen Merkmale eines Ölpalmen-Kronenraums. Die überarbeitete Hydrologie des Kronenraums behob die Probleme bei der Simulation der Wasserflüsse (ET und Transpiration im Kronenraum) und verbesserte die Energieaufteilung zwischen H und LE. Kapitel 5 dokumentiert die Implementierung eines neuen dynamischen Modells für Stickstoff (nitrogen, N) in CLM-Palm zur Verbesserung der Simulation der C- und N-Dynamik, insbesondere mit Bezug auf den N-Düngeeffekte in landwirtschaftlich genutzten Systemen. Das dynamische N-Modell durchbricht die Limitierung des Standardmodells in CLM4.5, mit fixierter C-N-Stöchiometrie und erlaubt die Variation des C:N-Verhältnisses in lebendem Gewebe in Abhängigkeit der N-Verfügbarkeit und dem N-Bedarf der Pflanze.  Eine Reihe von Tests bezüglich der Düngung zeigte beispielhaft die Vorteile des dynamischen N-Modells, wie zum Beispiel die Verbesserung des Netto-Ökosystemaustauschs (net ecosystem exchange, NEE), ein realistischeres C:N-Verhältnis im Blatt, eine verbesserte Repräsentation der Effizienz des Stickstoffeinsatzes (nitrogen-use efficiency, NUE), sowie der Effekte von Düngung auf Wachstum und Ertrag. Abschließend wird in Kapitel 6 eine Anwendungsstudie gezeigt, in der die zentralen Modellentwicklungen aus den vorangegangenen Kapiteln verwendet werden. Eine junge und eine  erntereife Ölpalmenplantage sowie ein Primärregenwald wurden simuliert und verglichen. Sie wiesen klare Unterschiede in den C-Flüssen und in den biophysikalischen Merkmalen (z.B. ET und Oberflächentemperatur) auf. Ölpalmenplantagen können durch Wachstumsentwicklung (im Alter von etwa 4 Jahren)  ebenso hohe und darüber hinausgehende C-Assimilation und Wassernutzungsraten erreichen wie Regenwälder, haben jedoch im Allgemeinen eine höhere Oberflächentemperatur als eine bewaldete Fläche – dies gilt auch für erntereife Plantagen. Eine Simulation des Übergangs, die zwei Rotationsperioden mit Neubepflanzungen alle 25 Jahre umspannt, zeigte dass der Anbau von Ölpalmen auf längeren Zeitskalen lediglich in etwa die Hälfte des ursprünglichen C-Speichers der bewaldeten Fläche vor dem Kahlschlag  rückspeichern kann. Das im Boden gespeicherte C nimmt in einer bewirtschafteten Plantage aufgrund des begrenzten Streurücklaufs langsam und graduell ab. Insgesamt reduziert die Umwandlung eines Regenwaldes in eine Ölpalmenplantage die langfristigen C-Speicher und die Kapazität der Fläche zur C-Sequestrierung und trägt potentiell zur Erwärmung der Landoberfläche bei – trotz des schnellen Wachstums und der hohen C-Assimilationsrate einer stark gedüngten Plantage. Zur Einschätzung der regionalen und globalen Effekte der Ausbreitung der Kultivierung von Ölpalmen auf die Austauschprozesse zwischen Land und Atmosphäre und auf das Klima ist es notwendig eine Upscaling-Studie durchzuführen.

L’abscission des organes chez les végétaux est hautement régulée au cours du développement. Ce processus physiologique qui consiste à diminuer l’adhésion entre deux cellules adjacentes dépend de l’environnement, du stress, de l’attaque de pathogènes ou encore de l’état physiologique de la plante. L’abscission du fruit et de la graine jouent un rôle déterminant dans le cycle de vie de la plante et en particulier, un rôle central dans la dispersion des graines. C’est également un caractère commun de domestication avec des conséquences économiques pour la plus part des espèces cultivées. Le palmier à huile (Elaeis guineensis) est largement cultivé dans toutes les zones tropicales et l’huile de palme représente aujourd’hui plus d’un tiers des huiles végétales produites dans le monde. La maturation des fruits au sein des régimes est asynchrone. Ainsi, les fruits les plus murs tombent avant le murissement complet du régime, entrainant une baisse du rendement d’une part et rendant leur collecte manuelle fastidieuse et couteuse d’autre part. Dans ce context, le contrôle ou la réduction de la chute des fruits permettrait une meilleure gestion de la récolte à des couts réduits. Dans le cadre de cette étude, un protocole de phénotypage du processus d’abscission du fruit du palmier à huile a été développé et utilisé pour identifier des génotypes à faible ou retard d’abscision des fruits arrivés à maturité. En parallèle, des analyses comparatives de transcriptomes et de protéomes issus de la zone d’abscission (ZA) du fruit ont été conduites tout au long du processus de séparation cellulaire, déclenché au laboratoire par un traitement à l’éthylène ou bien de manière naturelle au champ. Au total 1957 gènes présentent une expression différentielle significative dans la ZA du fruit au cours du processus d’abscission induit par l’éthylène. Parmi ces gènes, 64 sont spécifiquement (ou majoritairement) exprimés dans la ZA des fruits arrivés à maturité par comparaison avec les tissus où le processus de séparation cellulaire n’est pas observé (pédicelle et mésocarpe des fruits murs ; ZA non fonctionnelle des fruits immatures). Le profil d’expression de ces 64 gènes candidats a été également analysé dans la ZA des fruits mûrs prélevés au champ, afin de conforter leur rôle potentiel au cours de l’abscission déclenchée naturellement. Ainsi, en utilisant les nouvelles technologies de séquençage du transcriptome et du protéome, couplées à une analyse biochimique et cellulaire des modifications de la paroi dans la ZA, ce travail a permis de mettre en évidence la conservation de certains processus moléculaires associés à l’abscission des organes chez les monocotylédones par comparaison avec les espèces modèles dicotylédones, telles que la tomate et Arabidopsis. Par exemple, l’identification de gènes codant des polygalacturonases très proches de celles qui sont impliquées dans l’abscission de la fleur chez Arabidopsis suggère la conservation de leur fonction dans l’hydrolyse de la pectine des cellules des ZA, malgré la divergence phylogénétique entre les espèces. Enfin, ce travail a permis également d’identifier de nouveaux régulateurs associés au processus de séparation cellulaire et fournir une liste de gènes associés à des processus biologiques étroitement liés à la fonction de la ZA chez le fruit du palmier à huile. / Plant organ abscission is a complex developmental process that involves cell separation regulated by the environment, stress, pathogens and the physiological status of the plant. In particular, seed and fruit abscission play a central role in seed dispersion and plant reproductive success, and are common domestication traits with important agronomic consequences for many crop species. Oil palm (Elaeis guineensis) is cultivated throughout the tropical regions as one of the most economically important oil crop species in the world. The unsynchronized ripening of the oil palm fruit bunch leads to the abscission of the ripest fruit and consequently high labor cost for harvest and loss of yield. In this context, the control of oil palm ripe fruit abscission is an important agricultural concern for the cultivation of oil palm in a sustainable and cost effective way. In the present study, a protocol to phenotype the oil palm fruit abscission process was developed and used to identify a tree in the field that does not undergo ripe fruit abscission. In parallel, transcriptome and proteome analyses of the oil palm ripe fruit abscission zone (AZ) during abscission induced experimentally by ethylene compared to the AZ undergoing natural abscission in the field was performed. A total of 1,957 candidate genes were identified statistically as differentially expressed in the ripe fruit AZ during ethylene-induced abscission. Furthermore, a total of 64 of these differentially abundant candidates were statistically specific or enriched at least during one time point of the ethylene induced abscission, compared to their profiles in the AZ of immature fruit and the pedicel of ripe fruit, where cell separation is not observed. The profiles of these gene candidates were examined in the ripe fruit AZ undergoing natural abscission in the field to validate their potential role during abscission. Finally, the profiles of selected candidate genes were then examined in the AZ of the tree observed not to undergo fruit abscission in the field. The combined approaches provide evidence of wide scale conservation of the molecular components involved in organ abscission of this monocot compared with the model dicot plants tomato and Arabidopsis. For example, the identification of polygalacturonases very similar to those that function during Arabidopsis floral organ abscission suggests a conservation of the components for pectin disassembly despite the phylogenetic distance between these species. In addition, the data from the global analysis and complementary molecular, cellular and biochemical approaches suggest novel components and provide a robust list of genes and processes important for AZ function during ripe fruit abscission of this important monocot crop species.

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Die ausWestafrika stammende Ölpalme (Elaeis guineensis Jacq) ist zur populärsten Kulturpflanze in Südostasien geworden. Als Haupterzeugnisse dieser Pflanze gelten die Öle der Früchte und der Fruchtkerne. Die weltweite Nachfrage nach diesen beiden Haupterzeugnissen nimmt sehr rasch zu. Ursache hierfür ist die breite Anwendungspalette dieser Pflanzenöle, wie z.B. Bratöl, ölbasierte Chemikalien und ölbasierte Nahrungsmittel, Kosmetika, Waschmittel, Biobrennstoff usw. Indonesien und Malaysia sind die Hauptproduzenten und Hauptlieferanten solcher Produkte und decken über 85% des weltweiten Bedarfs. Mit Extensivierung der Ölpalmplantagen sehen sich die Erzeugerländer zunehmend mit ernstzunehmenden Umweltprobleme konfrontiert, da nach Erreichen der wirtschaftlichen Lebenspanne (Umtriebszeit) von 25 Jahren große Mengen an festen, biologischen Abfallstoffe bei der Neubegründung der Bestände anfallen. So sollen z.B. im Jahre 2010 laut Vorhersagen mehr als 20 Mill. Kubikmeter Ölpalmen- Holz jährlich anfallen... / Oil palm (Elaeis guineensis Jacq) becomes the most popular crop, especially in Southeast Asia, than its origin,West Africa. World demand of two main products from this crop (e.g. crude palm oil and palm kernel oil) increases very rapidly, due to very wide ranges use of these vegetable oils for industrial purposes, such as fried oil, oleo-chemical and -food, cosmetics, detergent, biofuel and etc. Indonesia and Malaysia are the main producers and supplying more than 85% of world consumption. On the other hand, due to the economic life span of this popular crop (25 years), the producer countries have been facing a serious environmental problems concerning to the solid biowaste handling of oil palm industry, particularly the oil palm trunk after replanting activity. Starting 2010, it is predicted that more than 20 millions cubic meter biomass from oil palm trunk available annually...

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