Abgeschlossenes Forschungsprojekt

Die Bedeutung von Kalium in Chenopodium quinoa, angebaut unter Salzstress

Projektdauer: Januar 2019 bis September 2020

Schätzungsweise 15 % der gesamten Landfläche der Welt sind degradiert, aufgrund von Bodenerosion sowie physikalischer und chemischer Bodendegradation einschließlich Versalzung. Gegenwärtig sind salzhaltige Böden von Natur aus in mehr als 100 Ländern der Welt präsent, viele Regionen dort sind zudem von bewässerungsbedingter Versalzung betroffen. Vor diesem Hintergrund spielen salztolerante Pflanzen – Halophyten – eine wichtige Rolle. Zu den fakultativen Halophyten zählt die Spezies Chenopodium quinoa. Aufgrund ihrer essbaren Samen und ihrer Fähigkeit, in sehr salzhaltigen Umgebungen zu wachsen, gilt sie als wichtige Nutzpflanze. Laut der Food and Agriculture Organization (FAO) der Vereinten Nationen besitzt sie ein hohes Potenzial, zur Ernährungssicherheit in der Welt beizutragen.

Chenopodium quinoa, angebaut unter salinen Bedingungen. (Foto: Turcios)

Chenopodium quinoa, angebaut unter salinen Bedingungen. (Foto: Turcios)

Das meistverbreitete Salz in Böden ist Natriumchlorid (NaCl). Es beeinträchtigt die Aufnahme essentieller Nährstoffe, da Natrium (Na+) als nicht essentieller Pflanzennährstoff die Aufnahme von Kalium (K+), Calcium (Ca2+) und anderen Kationen kompetitiv hemmt, während Chlorid (Cl-) die Aufnahme von Anionen beschränkt, was sich auf die Ionenhomöostase in der Pflanze auswirkt. Außerdem kann Salinität zu einer ionenspezifischen Toxizität führen – denn ein unausgeglichenes Vorkommen von Na+ und Cl- in den zellulären und intrazellulären Kompartimenten hemmt viele Enzymaktivitäten – und verändert damit eine Vielzahl wichtiger physiologischer Prozesse für das Pflanzenwachstum.

 

Pflanzen verfügen je nach Art über verschiedene Mechanismen, um Salzstress entgegenzuwirken. Chenopodium quinoa zum Beispiel besitzt spezielle Trichome, so genannte Salzdrüsen oder Salzblasen. Die Sequestrierung von absorbiertem Salz in diese Strukturen scheint eine effektive Strategie zu sein, die zur Resistenz gegenüber Salinität in einigen trocken- und salztoleranten Pflanzenarten beiträgt. Außerdem tendiert Quinoa unter Salzstress zu einer höheren Aufnahme und Akkumulation von K+. Daher ist die Regulation der K+-Homöostase ein wichtiger Aspekt der Salztoleranz, und es wird angenommen, dass die Fähigkeit zur Aufrechterhaltung eines optimales Na+/K+-Verhältnisses entscheidend dafür ist, dass die Pflanze Salzstress tolerieren und sich daran anpassen kann. Erste Ergebnisse des Forschungsprojektes lassen erkennen, dass K in Quinoa sehr wichtig für den Zuwachs an Biomasse und die Wassernutzungseffizienz ist.

Trockenbiomasse, Wassernutzungseffizienz (WUE) und Konzentration von Wasserstoffperoxid (H2O2) in Quinoa-Pflanzen, die mit unterschiedlichen Kalium-Konzentrationen (0,1, 0,2 und 2 mM Kalium gegeben als K2SO4) versorgt wurden unter nicht-salinen (0 mM NaCl) und salinen Bedingungen (100 mM NaCl). H2O2-Konzentrationen können als Stress-Indikator dienen. FM = Frischmasse. (Quelle: Turcios)

Trockenbiomasse, Wassernutzungseffizienz (WUE) und Konzentration von Wasserstoffperoxid (H2O2) in Quinoa-Pflanzen, die mit unterschiedlichen Kalium-Konzentrationen (0,1, 0,2 und 2 mM Kalium gegeben als K2SO4) versorgt wurden unter nicht-salinen (0 mM NaCl) und salinen Bedingungen (100 mM NaCl). H2O2-Konzentrationen können als Stress-Indikator dienen. FM = Frischmasse. (Quelle: Turcios)

Ziel dieses Projekts war zum einen, die Rolle anorganischer Ionen, vor allem von K+, in der osmotischen Anpassung in Quinoa zu quantifizieren, und zum anderen, die Akkumulation von K+ und Na+ in den Wurzeln sowie ihren Transport in den Spross unter salinen Bedingungen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden einige morphologische und physiologische Parameter bestimmt, wie die stomatäre Dichte, die Biomasseproduktion, das Na+/K+-Verhältnis, der Chlorophyllgehalt, die Photosyntheserate, die Transpiration, die Wassernutzungseffizienz und die Blattfläche.

 

Die Ergebnisse wurden Anfang 2021 in der Fachzeitschrift Journal of Agronomy and Crop Science veröffentlicht.

 

 

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