Potassium uptake efficiency mechanisms and root exudates of different crop species
von Debasmita Samal
Datum der mündl. Prüfung:2007-01-25
Erschienen:2007-05-03
Betreuer:Prof. Dr. Norbert Claassen
Gutachter:Prof. Dr. Norbert Claassen
Gutachter:Prof. Dr. Rolf Rauber
Gutachter:Prof. Dr. Holm Tiessen
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Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
Potassium uptake efficiency is the ability of plants to take up sufficient K under low soil K availability. Plant species differ in their K uptake efficiency. This study was done with the objective to investigate the possible mechanisms responsible for the differences in K uptake efficiency of crop species. Potassium uptake efficiency and K dynamics in the rhizosphere of maize, wheat and sugar beet were evaluated by a pot experiment which was conducted on K deficient soil with and without K fertilization. Sugar beet and wheat can take sufficient K under low soil K supply and therefore are uptake efficient for K. High K uptake efficiency in wheat was mainly due to its large root system. Sugar beet has few roots, but it could acquire more K per unit shoot dry weight, because of higher K influx. The nutrient uptake model (NST 3.0) could satisfactorily predict K influx in all the crops under high K supply, however under low K supply; the model prediction was 0.64, 0.68 and 0.31 times the measured K influx for maize, wheat and sugar beet, respectively. The severe under prediction in case of sugar beet indicated that processes not considered in the model were important for the high K uptake efficiency. Results of sensitivity analysis showed that initial soil solution K concentration (CLi) is the most important parameter responsible for the differences in the measured and calculated K influx of wheat, maize and sugar beet. However, the mechanisms responsible for increasing CLi in rhizosphere of different plant species is not clear yet, whether it is due to the capacity of plant root to release some organic compounds, which can solubilize K from the non-exchangeable fraction of soil or it is due to the indirect effect of higher Imax (maximum K uptake capacity) of the root and/or root hairs. To study the root exudation pattern, wheat and sugar beet plants were grown in quartz sand supplied with modified Hoagland nutrient solution of low and high K levels at two growing conditions, one in screen house under natural environmental conditions and another in growth chamber under control conditions. Root exudates were collected by percolation method. Root exudation rate was many-fold higher under low K compared to high K supply in both the crops and was higher in young plants and at natural sun light, perhaps due to higher light intensity in the screen house. HPLC analysis of the root exudates showed that exudation rate of organic acids, amino acids and sugars was higher under low K supply in both the crops and it was higher in wheat compared to sugar beet. Arginine was the amino acid detected only in root exudates of sugar beet. The results of mobilization of K in a K fixing soil by amino acids, as found in root exudates showed that total K desorbed by Arginine was the highest. Arginine might work like long chain n-alkyl ammonium compound, which could widen the interlayer of clay mineral resulting in a higher soil solution K concentration. Though amino acids can desorb K in K fixing soil, but degree of desorption does not seem to be sufficient to explain the differences in soil solution K concentration in the rhizosphere of wheat and sugar beet grown on low K soil. Non-targeted metabolite profiling was done by separating the root exudates collected from plants grown in the growth chamber by HPLC coupled with ESI-MS. Several signals and change in intensity of certain signals specific for root exudates from K deficient plants were found. Signal corresponding to m/z value 475 was relatively stronger under low K supplied sugar beet. From KEGG data base, one of the possible structures for m/z 475 was Amastatin (C21H38N4O8), which resembles to n-alkyl ammonium compound in chemical structure. Further investigation is needed to identify the compounds corresponding to the signals and to study their effect in desorbing K in low K soil.
Keywords: Root exudates; Potassium; Uptake; Efficiency; Wheat; Sugar beet
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Pflanzenarten unterscheiden sich in ihrer Kaliumaufnahmeeffizienz, d.h. der Fähigkeit auch bei geringer K-Verfügbarkeit im Boden ausreichend K aufzunehmen. In dieser Arbeit wurden mögliche Ursachen für die Unterschiede in der Effizienz untersucht. In einem Topfexperiment mit einem gedüngten und ungedüngten K-Mangelboden wurde die K-Aufnahme von Mais, Weizen und Zuckerrübe sowie die K-Dynamik im Boden bestimmt. Zuckerrübe und Weizen zeigten sich aufnahmeeffizient, da sie auch ohne Düngung genügend K aufnehmen konnten. Die hohe Aufnahmeeffizienz von Weizen war in seinem großen Wurzelsystem begründet. Zuckerrübe hatte vergleichsweise wenig Wurzeln, konnte aber dennoch höhere K-Sprossgehalte als Weizen erzielen, weil sein K-Influx hoch war. Der gemessene K-Influx wurde mit Ergebnissen eines Nährstoffaufnahmemodells (NST 3.0) verglichen, das die Sorption, den Bodentransport und die Aufnahmephysiologie beschreibt. Bei hohem K-Angebot im Boden stimmten Mess- und Simulationsergebnisse gut überein, jedoch unter K-Mangel errechnete das Modell für Mais, Weizen und Zuckerrübe nur 64%, 68% bzw. 31% der gemessenen Aufnahme. Die deutliche Unterschätzung bei Zuckerrübe deutet darauf hin, dass weitere Prozesse als die im Modell berücksichtigten für die K-Aufnahmeeffizienz verantwortlich waren. Eine Sensitivitätsanalyse zeigte, dass die K-Konzentration der Bodenlösung ein wichtiger Parameter ist, so dass die Erhöhung dieser Konzentration eine mögliche Ursache für die Aufnahmeeffizienz darstellt. Allerdings ist bislang nicht bekannt, in welcher Weise Pflanzen die K-Konzentration in der Bodenlösung beeinflussen können. Eine Möglichkeit wäre die Exsudation organischer Stoffe, die nichtaustauschbares K in Lösung bringen könnten. Ein weiterer Effizienzmechanismus könnte die Erhöhung der Aufnahmekapazität (ein erhöhtes Imax) der Wurzel und/oder Wurzelhaare sein. Zur Untersuchung der Wurzelexsudation wurden Zuckerrübe und Weizen bei niedriger und hoher Kaliumversorgung in Quarzsand angezogen. Die Pflanzen standen sowohl im Freiland (Drahthaus) als auch in der Klimakammer. Die Wurzelexsudate wurden durch Perkolation gewonnen. Die Exsudationsraten beider Arten waren bei K-Mangel um ein mehrfaches erhöht im Vergleich zu gut versorgten Pflanzen. Zudem waren sie höher bei jüngeren Pflanzen und im Freiland, vermutlich wegen der höheren Einstrahlung. Die Analyse der Exsudate mittels HPLC zeigte, dass unter K-Mangel die Ausschüttung an organischen Säuren, Aminosäuren und Zucker erhöht war. Dies galt für beide Pflanzenarten, allerdings war die Exsudation bei Weizen stärker erhöht als bei Zuckerrübe. Arginin wurde ausschließlich in den Ausscheidungen der Zuckerrübe gefunden. Inkubationsversuche, in denen die Fähigkeit der Aminosäuren untersucht wurde, K im Boden zu mobilisieren, zeigten, dass Arginin die höchste Mobilisierungskapazität hat. Die Wirkung des Arginin könnte ähnlich der von langkettigen n-alkyl Ammoniumverbindungen sein, die die Zwischenschichten der Tonminerale aufweiten und so die Desorption nichtaustauschbaren Kaliums erhöhen. Obwohl Aminosäuren die Kaliumdesorption in stark fixierenden Böden anregen, ist die resultierende Erhöhung der K-Bodenlösungskonzentration nicht in der Größenordnung wie sie gemäß der Modell-Sensitivitätsanalyse sein müsste, um die Aufnahmeeffizienz von Weizen und Zuckerrübe zu erklären. Die Wurzelexsudate der Klimakammerpflanzen wurden mittels HPLC gekoppelter ESI-MS getrennt, um weitere Bestandteile zu charakterisieren. Es wurden einige Signale gefunden, die bei K-Mangel auftraten, bspw. das Signal mit dem m/z-Wert 475 war bei Zuckerrübe deutlich erhöht. Laut der KEGG-Datenbank könnte dies Amastatin (C21H38N4O8) sein, das ähnliche Strukturen wie n-Alkyl Ammonium aufweist. Weitere Untersuchungen sind nötig, diese Substanz genau zu bestimmen und ihre K-Mobilisierungskapazität im Boden zu messen.
Schlagwörter: Wurzelexsudate; Kaliumaufnahmeeffizienz; Weizen; Zuckerrübe