Phenotypic analysis of different <em>Silphium perfoliatum</em> L. accessions and evaluation as a renewable resource for material use

Abstract

Cup plant (<em>Silphium perfoliatum</em> L.) is a promising alternative to silage maize as an energy crop for biogas production and a potential raw material for the industry. This non-food perennial from the US possesses a highly ecological value due to its long blooming period, ability to grow in low-input agriculture and positive influence on soil structure. This thesis analyzes five cup plant populations for their phenotype as a starting point for further breeding programs (I). Additionally, the biomass was analyzed for the use as a renewable raw material for the paper and building industry (II, III). <br> Comprehensive assessment of five cup plant populations for their biomass and phenotype parameters revealed phenotypic variations. Genetic structure and phylogeny analyses showed that all the plants belong to the same gene pool and share a common ancestry. Four out of five populations demonstrate a low genetic differentiation, whereas the fifth population represents a clear example of population stratification. To start a successful domestication and breeding of this new high-yielding perennial crop, a broader base of genetic diversity needs to be ensured and complemented by innovative breeding strategies, driven by molecular genetics and genomic approaches. While the demand for paper and packaging material is increasing, industry and consumers are searching for more sustainable raw materials aside from wood. This thesis evaluates three non-wood perennials to find alternative raw materials for the paper and pulp industry. Biomass of cup plant, <em>Sida hermaphrodita</em> (L.) Rusby and meadow hay were analyzed for their fibre morphology and use as paper feedstock. Hand-sheets with different pulp blends of birch and one of the three raw materials were made, and paper properties were measured. For the biomass of cup plant, Virginia mallow and meadow hay, fibre lengths of 0.9, 1.3, and 0.5 mm were measured. Therefore, all perennial plant materials have fibre lengths comparable to hardwoods. Meadow hay blends containing 50% and 75% birch pulp, generated higher paper strength when compared to the pure birch paper. The paper strength of cup plant and Virginia mallow blends is comparable to the strength of the birch control. Biomass for non-food applications is considered as a substitute for petroleum-based materials such as expanded polystyrene (EPS). This thesis analyzes physical properties of an EPS containing commercial bonded leveling compound (BLC), which was substituted with cup plant biomass. The measured pore size of the parenchyma cells is comparable to the size of the EPS pores. The compression strength of 0.92 N mm^-2 and a thermal conductivity of 84 mW m^-1 K^-1 were analyzed and deemed comparable to the commercial BLC.

<strong>Phänotypische Analyse verschiedener <em>Silphium perfoliatum</em> L. Herkünfte und ihre Untersuchung als nachwachsender Rohstoff für die stoffliche Nutzung</strong> <br /> Die Durchwachsene Silphie (<em>Silphium perfoliatum</em> L.) ist eine vielversprechende Alternative zum Silomais als Energiepflanze für die Biogaserzeugung und ein möglicher nachwachsender Rohstoff für die Industrie. Aufgrund ihrer langen Blütezeit, ihres geringen Nährstoffbedarfs und ihres positiven Einflusses auf die Bodenstruktur besitzt die mehrjährige Staude aus den USA einen hohen ökologischen Wert. Als Ausgangspunkt für eine züchterische Bearbeitung der Pflanze werden in dieser Dissertation fünf Herkünfte auf ihren Phänotyp hin untersucht (I). Zusätzlich wird die Kultur als nachwachsender Rohstoff für die Papier- und Bauindustrie analysiert (II, III). <br /> Eine umfassende Bewertung fünf solcher <em>S. perfoliatum</em> Herkünfte hinsichtlich ihres Biomasseertrages und pflanzenbiologischer Unterschiede ergab phänotypische Variationen. Genetische Struktur- und Phylogenie-Analysen zeigten, dass alle Pflanzen zum selben Genpool gehören und eine gemeinsame Abstammung haben. Vier der fünf Populationen weisen eine geringe genetische Differenzierung auf, während die fünfte ein deutliches Beispiel für eine Populationsstratifizierung darstellt. Um eine erfolgreiche Domestizierung und Züchtung dieser neuen mehrjährigen Pflanze zu erreichen, muss eine breitere Basis genetischer Vielfalt sichergestellt und durch innovative Züchtungsstrategien auf Grundlage der Molekulargenetik und moderner genomischer Ansätze ergänzt werden. Während die Nachfrage nach Papier und Verpackungsmaterial steigt, ist die Industrie auf der Suche nach nachhaltigeren Rohstoffquellen im Vergleich zu Holz. Drei mehrjährige, nachwachsende Rohstoffe wurden untersucht, um ihre Nutzung als alternative Rohstoffe für die Papier- und Zellstoffindustrie zu prüfen. Biomasse von <em>Silphium perfoliatum</em> L., <em>Sida hermaphrodita</em> (L.) Rusby und Wiesenheu wurde auf ihre Fasermorphologie und ihre Verwendung als Papierrohstoff untersucht. Es wurden Laborblätter mit verschiedenen Anteilen aus Birkenzellstoff und einem der drei Rohstoffe hergestellt und die Papiereigenschaften ermittelt. Für S. perfoliatum, S. hermaphrodita und Wiesenheu wurden Faserlängen von 0,9, 1,3 und 0,5 mm gemessen. Somit haben sie vergleichbare Faserlängen wie Harthölzer. Laborblätter aus Wiesenheu und einem Birkenzellstoffanteil von 50% und 75% ergaben eine höhere Papierfestigkeit als die reinen Laborblätter aus Birkenzellstoff. Die Papierfestigkeit der Mischungen aus S. perfoliatum und S. hermaphrodita ist vergleichbar mit der Festigkeit der Laborblätter aus 100% Birkenzellstoff. Nachwachsende Rohstoffe könnten in Zukunft immer häufiger als Erdölersatz herangezogen werden, etwa als Ersatz für expandiertes Polystyrol (EPS). In dieser Arbeit werden die physikalischen Eigenschaften einer gebundenen Schüttdämmung analysiert, deren EPS-Leichtzuschlag anteilig durch einen Partikelmix aus Cortex und Parenchym der Durchwachsenen Silphie ersetzt wurde. Die gemessenen Porengrößen des Parenchyms sind vergleichbar mit der Größe der EPS-Poren. Die natürlichen Unterschiede im Parenchymgehalt verschiedener europäischer Silphie-Herkünfte sind vielversprechend für die Entwicklung von Sorten mit geeigneten Eigenschaften für die Bauindustrie. Die Druckfestigkeit von 0,92 N mm^-2 und eine Wärmeleitfähigkeit von 84 mW m^-1 K^-1 wurden gemessen und sind mit einer kommerziellen Schüttdämmung vergleichbar.