Phosphorus efficiency of Arachis pintoi genotypes and possible mechanisms for tolerance to low soil P supply

Abstract

In natürlichen tropischen Ökosystemen ist aufgrund des stark chemisch verwitterten Bodens mit starker P-Pufferkapazität die P-Verfügbarkeit oft für optimales Pflanzenwachstum zu niedrig. Diese Tatsache hat Pflanzen mit erhöhter P Effizienz hervorgebracht, d.h. Pflanzen mit der Fähigkeit gut bei niedriger P-Verfügbarkeit zu wachsen. Unterschiede in der P-Effizienz kommen jedoch zwischen Arten und Sorte vor. Der Hauptzweck der Studie war, Arachis pintoi (Ap) Genotypen in bezug auf ihre P Effizienz zu evaluieren und die Gründe für die unterschiedliche P Effizienz zu untersuchen, d.h. die morphologischen und physiologischen Wurzeleigenschaften. Hierfür wurden 10 Ap Genotypen untersucht, die sich nicht in ihrem Wachstumspotential unterschieden. Dies wurde beobachtet indem man sie bei einem hohen P Angebot von 1000 mg P kg-1 wachsen ließ. Um P Effizienzmechanismen zu evaluieren, wurden die Ap Genotypen in Feld-, Gewächshaus- und Klimakammerexperimenten getestet. Ein fossiler Oxisol und ein Ultisol wurden verwendet, die eine extrem niedrige P Konzentration in der Bodenlösung (CLi) von ca. 0.2 µM hatten. Spross- und Wurzellemasseproduktion und P Konzentration sowie Wurzellänge wurden in zwei Ernten gemessen, um den P-Inflow zu berechnen. Der Effekt der Symbiose mit arbuscular mycorrhiza Pilzen (AM) auf die P Verwertungseffizienz (PVE), in Beziehung zu der sauren Phosphataseaktivität (APase) im Blatt und auf das P Aneignungsvermögen d.h. P-Inflow, wurde evaluiert. Um die physiologischen Wurzeleigenschaften, welche die P Effizienz bei unterschiedlichen Alter beeinflussen, zu erforschen, wurde APase Aktivität auf der Wurzeloberfläche und die Exsudation organischer Säuren studiert indem die Pflanzen in einem aufgeteilten Wurzelsystem (Boden und Sand) mit und ohne P Angebot wuchsen. Als Klassifikationskriterien in dieser Studie, waren P effiziente Genotypen diejenigen die einen hohen Ertrag unter den niedrigen P Bedingungen erreichen konnten, im Vergleich zu den durchschnittlichen Erträgen aller Genotypen. In der Rangfolge der Genotypen nach ihrer P Effizienz, wurden Genotypen 2 (CIAT 18748), 10 (CIAT 22172), 1 (CIAT 17434) und 6 (CIAT 18751) als P Effizient, die Genotypen 8 (CIAT 22159) und 9 (CIAT 22160) als durchschnittlich P Effizient und die Genotypen 3 (CIAT 18745), 4 (CIAT 18747), 5 (CIAT 18748) und 7 (CIAT 22155) als nicht P Effizient bewertet. Diese Unterschiede in der P Effizienz unter den Genotypen verschwanden durch die Symbiose mit AM (Glomus fasciculatum), die sowohl die Gesamt P Aufnahme, als auch die PVE beeinflussten. Die Unterschiede in der P Effizienz unter den Genotypen waren begründet in den unterschiedlichen morphologischen und physiologischen Wurzeleigenschaften, wie unten zusammengefasst: 1. Genotype 6 (CIAT 18751) kann wegen seiner hohen PVE hervorgehoben werden, die durch einen durchschnittlichen P-Inflow und ein relativ hohes Wurzel-Spross Verhältnis (WSV) ergänzt wurde. Das hohe PVE von Genotype 6 hing mit einer relativen hohen APase Tätigkeit in den Blättern zusammen und glich folglich seine niedrige P-Inflow Fähigkeit aus. Arbuscular mycorrhiza Pilze erhöhten bemerkenswert den P-Inflow (Genotype 6), der in einem hohen Ertrag reflektiert wurde. 2. Die hohe P Effizienz von Genotypen 2 (CIAT 18744) und 10 (CIAT 22172) war begründet in einem höheren P-Inflow, im Vergleich mit den anderen Genotypen. Dieser hohe Inflow lag an einer Zunahme der Bodenlösung P Konzentration, d.h., die Genotypen waren in der Lage P zu mobilisieren. Jedoch konnte diese Mobilisierungsaktivität nicht mit der Wurzelsexduation von APase, für die Hydrolysierung von organischem P, oder der von organischen Säuren verbunden werden. Die P Effizienz von Genotype 1 (CIAT 17434) resultierte aus einem hohen WSV in der ersten Wachstumsperiode und an der Zunahme seines P-Inflow über die Zeit, der mit einer bemerkenswerten Zunahme der APase Aktivität auf der Wurzeloberfläche mit zunehmender Alterung zusammenhing. Das AM erhöhte das Wurzelwachstum der Genotypen, nicht aber den P-Inflow. 3. Obwohl Genotypen 8 (CIAT 22159) und 9 (CIAT 22160) als durchschnittlich P Effizient bewertet wurden, waren ihre hohen WSV und einen durchschnittlicher P-Inflow für ihr Wachstum unter knapper P Verfügbarkeit im Boden verantwortlich. Die bemerkenswerte hohe Sprossbiomasse von Genotype 8 mit AM lag an einer Zunahme des PVE. 4. Die niedrige P Effizienz von Genotypen 3 (CIAT 18745), 4 (CIAT 18747), 5 (CIAT 18748) und 7 (CIAT 22155) war begründet in einem relativ niedrigen WSV, einem niedrigen P-Inflow und einem relativen niedrigen PVE. Bei den Genotypen 4 und 7 hing dies mit niedriger APase Aktivität in den Blättern zusammen. Die Genotypen überwanden ihre P Ineffizienz durch AM, der den P-Inflow erhöhte und dadurch den P Bedarf der Sprosswachstumsrate deckte. Diese Ergebnisse zeigen die unterschiedlichen Mechanismen, die die P Effizienz der Genotypen beeinflussen. Unter ihnen, war die Fähigkeit, die Bodenlösung P-Konzentration zu erhöhen am wirkungsvollsten und deutet daher an, dass P effiziente Genotypen in der Lage sind P zu mobilisieren. Obwohl die Mechanismen, durch die schwer lösliches anorganisches P gelöst wird, noch nicht identifiziert wurden, sollte diese P Mobilisierungsstrategie in zukünftiger Forschung beachtet werden.