Potassium uptake efficiency mechanisms and root exudates of different crop species

Abstract

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.