Forschung
Abgeschlossenes Promotionsprojekt
Durch Magnesium-, Kalium- und Stickstoffmangel induzierte Veränderungen in Kulturpflanzen und deren Einfluss auf die Wassernutzungseffizienz
Projektdauer: Oktober 2012 bis November 2016
Die Limitierung von Wasser stellt weltweit eine Herausforderung an die Pflanzenproduktion dar, wodurch Verbesserungen der Wassernutzungseffizienz (WUE) von der Industrie und der Wissenschaft angestrebt werden. Neben der Pflanzenzüchtung ist das Nährstoffmanagement eine Einflussgröße auf die WUE und verschiedene Versorgungsstufen der Pflanze mit Nährstoffen kann die WUE beeinflussen. In diesem Zusammenhang zielte das Promotionsprojekt von Juniorprofessorin Dr. Merle Tränkner darauf ab, die physiologischen Reaktionen von Gerste und Tabak auf Mangel an Magnesium (Mg) und Stickstoff (N) und die Beziehung zur WUE zu untersuchen. Dabei bezog sie verschiedene Betrachtungsebenen der WUE mit ein, d.h. Blatt-WUE (definiert als das Verhältnis zwischen Netto-CO2-Assimilation und stomatärer Leitfähigkeit) und Biomasse-WUE (definiert als Trockenmasseproduktion pro Einheit verbrauchtes Wasser durch Transpiration).
Experimentelle Arbeit zur Untersuchung der Wassernutzungseffizienz
Blatt-Wassernutzungseffizienz bei mangelnder Magnesiumversorgung. (Quelle: Tränkner)
Verminderte Biomasse-Wassernutzungseffizienz bei mangelnder Magnesiumversorgung. (Quelle: Tränkner)
In verschiedenen Experimenten, in denen Pflanzen im Gewächshaus angezogen wurden, wurden Parameter wie Blattgaswechsel, Transpiration der gesamten Pflanze und die Biomasseproduktion erfasst und die Blatt-WUE und Biomasse-WUE berechnet. Die Ergebnisse deuten auf eine nährstoffspezifische Reaktion hin, da die Blatt-WUE durch Mg-Mangel leicht erhöht wurde, während die Biomasse-WUE jedoch stark verringert wurde. Eine andere Reaktion der WUE war die auf N-Mangel: Hier war die Blatt-WUE verringert, während die Biomasse-WUE keine Veränderung zeigte.
Forschung an der durch Magnesium-Mangel beeinflussten Pflanzenphysiologie und „carbon partitioning“
Des Weiteren untersuchte Merle Tränkner den Einfluss von Mg-Mangel auf das Ausmaß von oxidativem Stress in Gerste. Oxidativer Stress ist charakterisiert durch die Produktion von freien reaktiven Sauerstoffradikalen, wie beispielsweise Wasserstoffperoxid, und erhöhte antioxidative Enzymaktivität, die in intensiven Laborstudien gemessen wurde. Mg-Mangel verursachte einen Anstieg in der Produktion freier Sauerstoffradikale, obwohl die antioxidative Enzymaktivität erhöht war. Diese Ergebnisse lassen schlussfolgern, dass ausgeprägter Mg-Mangel zu starkem oxidativem Stress in Pflanzen führt.
Es ist bereits bekannt, dass Mg-Mangel zu einer geringeren Biomasseproduktion führt und dass Mg-Mangel die Verlagerung von Assimilaten (d.h. Zuckern) aus Blättern mit hoher Photosyntheserate zu Pflanzenorganen ohne bzw. mit geringer Photosynthese, negativ beeinflusst und sich dadurch Zucker in Blättern mit hoher Photosyntheserate anreichern. Jedoch ist noch unklar, ob diese Anreicherung durch einen gestörten Abtransport aus den sogenannten „source“-Blättern oder durch einen geringeren Bedarf in den sogenannten „sink“-Blättern verursacht wird. Folglich beinhaltete ein Teilprojekt in der Promotion von Merle Tränkner, diese Fragestellung zu untersuchen. Dazu wurde eine Forschungskooperation des IAPN mit der Abteilung Pflanzenernährung der Universität Gießen, geleitet durch Professor Dr. Sven Schubert, bereits Ende 2014 etabliert und Merle Tränkner verbrachte eineinhalb Jahre als Gastdoktorandin in der Arbeitsgruppe der Pflanzenernährung in Gießen.
Untersuchung der Veränderungen im Proteom bei Trockenstress und Kalium-Mangel
In einem weiteren Projekt untersuchte Merle Tränkner die Veränderungen im Proteom von Weizenwurzeln, die unter Trockenstress und Mangel an Kalium (K) angezogen wurden, um das Wissen von pflanzlichen Reaktionen auf Trockenstress und K-Mangel zu erweitern. Dazu etablierte sie die entsprechende Methodik in den Laboren des IAPN, die eine genaue Analyse der Proteine nach Extraktion aus den Wurzeln ermöglicht. Die Ergebnisse zeigten, dass K-Mangel und Trockenstress Veränderungen in denjenigen Proteinen hervorrufen, die in Stressabwehrmechanismen involviert sind. Die Studie wurde in einer Kooperation mit Professor Dr. Christian Zörb, Leiter der Abteilung Qualität pflanzlicher Erzeugnisse an der Universität Hohenheim, durchgeführt.
Promotion
Im Jahr 2016 schloss Merle Tränkner ihre praktischen Studien ab und fertigte ihre Dissertation an, die den Titel „Magnesium, potassium and nitrogen deficiency-induced responses of crops and their impact on water-use efficiency. From protein to plant scale“ trägt. Sie promovierte im November 2016.
Beteiligte Forschende
Verwandtes Forschungsthema
Publikationen
Dissertation
