Promotionsprojekt von Dr. Bálint Jákli

Die Beziehung zwischen Kaliumernährung und Wassernutzungseffizienz von Kulturpflanzen – vom einzelnen Blatt zum gesamten Feld

 

Die Skalenabhängigkeit der Wassernutzungseffizienz

Die Wassernutzungseffizienz (WUE, vom Englischen water-use efficiency) eines pflanzlichen Systems beschreibt das Verhältnis des vom System über einen bestimmten Zeitraum assimilierten CO2 (oder der produzierten Biomasse) zur Menge an im selben Zeitraum verbrauchtem Wasser. WUE kann auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen ausgedrückt werden. Auf der kleinsten Skala ist sie definiert als das Verhältnis von Netto-CO2-Assimilation zur spezifischen Leitfähigkeit der Stomata gegenüber Wasserdampf während der Fotosynthese, und reflektiert somit Prozesse die in wenigen Minuten auf wenigen Quadratzentimetern Blattfläche reguliert werden (die sog. Blatt-WUE). Betrachtet man die WUE auf größeren Skalenebenen (Einzelpflanzen, Pflanzenbestände), müssen zusätzlich CO2-Verluste durch Atmungs- und Exsudationsprozesse sowie von der Fotosynthese entkoppelte Wasserverluste (nächtliche Transpiration, Evaporation von der Bodenoberfläche) berücksichtigt werden.

Als einer der wichtigen Pflanzennährstoffe ist Kalium für die Regulierung des pflanzlichen Wasserhaushalts verantwortlich. Deswegen ist die Kaliumversorgung eng mit der WUE eines pflanzlichen Systems verbunden. In seinem Promotionsprojekt untersuchte Bálint Jákli die Interaktion von Kaliumernährung und WUE auf Blatt-, Einzelpflanzen- und Bestandesebene.

 

Eine angepasste Kaliumernährung verbessert die Wassernutzungseffizienz von Sommerweizen auf Blatt-, nicht aber auf Pflanzebene

In verschiedenen Studien an in Nährlösung kultiviertem Sommerweizen konnte gezeigt werden, das die WUE ganzer Pflanzen (WUEP; Verhältnis von Biomasseproduktion zu Wasserverbrauch) in enger Beziehung zur Kaliumversorgung der Pflanzen steht. Dieser Zusammenhang konnte auf Blattebene nicht hergestellt werden, da die fotosynthetische Blatt-WUE (WUEB) weitestgehend Unbeeinflusst von der Kaliumversorgung blieb. Der skalenabhängige Unterschied im Zusammenhang zwischen WUE und Kaliumernährung kann durch Unterschiede in der jeweiligen Bezugsebene erklärt werden: Werden bei der Bestimmung von WUEB nur kurzfristige, während der Fotosynthese ablaufende Prozesse berücksichtigt, so stellt WUEP eine komplexe Interaktion von Prozessen dar, die auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen ablaufen, und bei der Berechnung von WUEB nicht berücksichtigt werden. Diese Prozesse umfassen beispielsweise Atemprozesse im Wurzelraum und während der Nacht, sowie nächtliche Transpirationsprozesse. Die Ergebnisse wurden im Journal of Plant Nutrition and Soil Science (J. Plant Nutr. Soil Sci 179, 2016, Adequate supply of potassium improves plant water-use efficiency but not leaf water-use efficiency of spring wheat) publiziert.

 

Quantifizierung des Beitrags verschiedener, die Fotosynthese limitierender, Prozesse und deren Beziehung zur Wassernutzungseffizienz

Die Tatsache, dass WUEB nicht von der Kaliumversorgung abhängt, konnte in einer Versuchsreihe mit in Nährlösung kultivierten Sonnenblumen bestätigt werden. Obwohl sowohl die CO2-Assimilation als auch die stomatäre Leitfähigkeit unter Kaliummangel deutlich eingeschränkt waren, konnte, wie in den vorausgegangenen Experimenten an Sommerweizen, keine Beeinflussung der WUEB hergestellt werden. Der drastische Rückgang der fotosynthetischen CO2-Assimilation bei Kaliummangel konnte größtenteils durch eine stark reduzierte Leitfähigkeit des Blattgewebes für die CO2-Diffusion erklärt werden. Die Fähigkeit zur kontrollierten Stomatabewegung wurde auch unter kritischem Kaliummangel aufrechterhalten. WUEB blieb also konstant, da die Öffnung der Stomata dem geringen CO2-Verbrauch der Fotosynthese angepasst wurde. Die Ergebnisse wurden im Journal of Plant Physiology (J. Plant Phys. 209, 2017, Quantitative limitations to photosynthesis in K deficient sunflower and their implications on water-use efficiency) veröffentlicht.

 

 

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