Effect of the potassium and magnesium nutrition on potato (Solanum tuberosum L.) tuber quality and plant development

by Mirjam Koch
Doctoral thesis
Date of Examination:2018-02-16
Date of issue:2018-10-17
Advisor:Prof. Dr. Elke Pawelzik
Referee:Prof. Dr. Klaus Dittert
Referee:Prof. Dr. Johannes Isselstein
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7092

 

 

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Abstract

English

Knowledge regarding the importance of potassium (K) and magnesium (Mg) for potato plant development and tuber quality is limited. K and Mg are nutrients, besides other crucial roles, for photosynthesis and the partitioning of photoassimilates within the plant. Hence, a negative effect of a K and Mg deficiency on tuber yield and quality can be expected as tubers are strong sink organs being highly dependent on the production of photoassimilates and its translocation down to the tubers. This thesis aimed to examine the extent to which a K and Mg deficiency may affect potato plant development, tuber yield and tuber quality with view on the roles of K and Mg for photosynthesis and the partitioning of photoassimilates. Both K- and Mg-deficiency lead to reduced CO2 net assimilation and photosynthetic active biomass production, with stronger reductions in K-compared to Mg-deficient plants. Low K- as well as low Mg supply resulted in accumulation of sugars in source leaves, especially in Mg-deficient plants. This is indicative for a restricted phloem loading. Besides, K and Mg restricted plants exhibited an impaired root length development what is supposed to be a result of a restricted source to sink transport of photoassimilates. However, while low K-deficiency resulted in a sharp increase of transcript levels of H+/sucrose symporters, which are responsible to load the phloem with sucrose, this was less pronounced under Mg-deficiency. The latter case is probably the result of an impaired sucrose transport due to Mg-deficiency already at an earlier step, namely the efflux of sucrose from mesophyll cells into the apoplast. Therefore, it is assumed that K- and Mg-deficiency caused sugar accumulation in seperated cell compartments of source leaves leading to a different impact on the gene expression of sucrose transport systems. Tuber sugar and starch concentrations, however, remained unaffected under the various treatments. Nevertheless, the total amount of tuber sugar and starch per plant decreased significantly upon K- and Mg-deficiency. A further research objective of this thesis was the external appearance of potato tubers what is an important quality attribute of potato tubers. The external appearance of potato tubers has been shown to mainly influence the customer´s purchase behavior. Thus, external blemishes, such as cracks of the tuber skin, significantly reduce the quality and the appeal of tubers for consumers. One factor, which is influencing on the development of cracks is the susceptibility of the tuber skin for mechanical impacts. Knowledge regarding physiological parameters which influence the resistance of the tuber skin towards mechanical impacts is rare. The present thesis revealed that tuber DM and starch concentrations can be considered as such parameters. The cultivar, which exhibited higher DM and starch concentrations, demonstrated higher resistance against mechanical impacts. Tuber DM and starch concentration were shown to correlate with the rheological characteristics of tubers due to related characteristics of tubers exhibiting higher DM and starch concentrations such as smaller cell sizes (as smaller cells need a greater strength to be separated or damaged) and an advantageous cell structure. Besides, tubers with higher Ca concentrations showed an increased resistance against mechanical impacts. This may be related to the contribution of Ca for cell wall stability. Ca is binding to cell wall polymers of the plant cell wall and thus is stabilizing the cell wall and therefore the tuber periderm that is forming the tuber skin.
Keywords: potato; potassium; magnesium; tuber quality; photoassimilate partitioning; root length; cracking properties

German

Wissen über die Relevanz der Nährstoffe Kalium (K) und Magnesium (Mg) für die Pflanzenentwicklung und Knollenqualität von Kartoffel ist nur begrenzt. K und Mg haben neben anderen wichtigen Funktionen entscheidende Aufgaben in der Photosynthese und Photoassimilatverteilung in der Pflanze. Daher kann ein negativer Einfluss eines K- und Mg-Mangels auf den Knollenertrag und die Knollenqualität erwartet werden, da Knollen sehr starke „sink“-Organe für Photoassimilate darstellen und von deren Translokation zu den Knollen abhängen. Diese Arbeit hatte zum Ziel, das Ausmaß des Einflusses eines K- und Mg-Mangels auf die Pflanzenentwicklung, den Knollenertrag und die Knollenqualität unter Berücksichtigung der Funktionen von K und Mg in der Photosynthese und der Photoassimilatverteilung zu beleuchten. Sowohl K- als auch Mg-Mangel resultierten in einer reduzierten Netto-CO2-Assimilation und einem Rückgang der gesamten photosynthetisch aktiven Biomasse, allerdings mit stärkeren Rückgängen in K-Mangelpflanzen. Eine niedrige K- als auch Mg-Versorgung führte zu einer Akkumulation von löslichen Zuckern in „source“-Blättern, insbesondere in Mg-Mangelpflanzen. Letzteres weist auf einen behinderten Phloem-Beladungsprozess hin. Daneben zeigten K- und Mg-restriktive Pflanzen ein behindertes Wurzellängenwachstum, was ebenfalls aus einem behinderten Phloem-Beladungsprozess resultieren kann. Während K-Mangelpflanzen einen deutlichen Anstieg von Transkripten für H+/Saccharose-Symporter zeigten, die verantwortlich für die Beladung des Phloems mit Saccharose sind, war dies weniger in Mg-Mangelpflanzen ausgeprägt. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass Mg-Mangel bereits einen früheren Schritt des Saccharose-Transportes beeinflusste, nämlich den Efflux von Saccharose aus den Mesophyllzellen in den Apoplasten. Daher wird vermutetet, dass K- und Mg-Mangel Zuckerakkumulationen in unterschiedlichen Zellkompartimenten von „source“-Blättern verursachen und so in einer unterschiedlichen Beeinflussung der Genexpressionen von Zuckertransportern führen. Die Knollen-Zucker- und Stärkekonzentrationen zeigten keine Unterschiede in Abhängigkeit der verschiedenen K- und Mg-Behandlungen. Allerdings zeichneten sich deutliche Abnahmen der totalen Zucker- und Stärkeerträge pro Pflanze in K- und Mg-Mangelpflanzen ab. Ein weiteres Forschungsfeld dieser Arbeit war das äußere Erscheinungsbild von Kartoffelknollen, was ein wichtiges Qualitätskriterium von Kartoffelknollen darstellt. Die äußere Erscheinung von Kartoffelknollen beeinflusst maßgeblich das Kaufverhalten von Konsumenten. Daher können Beschädigungen der Schale, wie beispielsweise Risse, zu einer deutlichen Abnahme der Knollenqualität führen. Ein wesentlicher Faktor, der die Entstehung von Rissen in der Kartoffelschale entscheidend beeinflussen kann, ist die Widerstandsfähigkeit der Schale gegenüber äußeren mechanischen Belastungen. Wissen über physiologische Parameter, die die Widerstandsfähigkeit der Knollenschale gegenüber mechanischen Belastungen beeinflussen können, ist nur sehr begrenzt. Die vorliegende Arbeit konnte zeigten, dass die Knollen-Trockenmasse (TM) und die Knolle-Stärkekonzentrationen als solche Parameter gelten können. Sorten mit höheren TM- und Stärkekonzentrationen zeigten höhere Widerstandsfähigkeiten gegenüber mechanischen Belastungen. Es wird vermutet, dass höhere TM und Stärkekonzentrationen in Knollen mit besonderen Eigenschaften, wie kleinere Zellgrößen und einer vorteilhaften Zellstruktur, korrelieren. Kleinere Zellen benötigen im Vergleich zu größeren Zellen einen größeren Krafteinfluss, um separiert oder zerstört zu werden. Daneben zeigten Knollen mit höheren Calcium (Ca) -Konzentrationen eine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Einflüssen. Dies hängt vermutlich mit der Zellwand-stabilisierenden Funktion von Ca zusammen. Ca bindet an Zellwandpolymere der pflanzlichen Zellwand und kann so das Knollenperiderm stabilisieren, das die Knollenschale bildet.
 
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