Forschung
Abgeschlossenes Forschungsprojekt
Kritische Blattnährstoffkonzentrationen für Pflanzenwachstum und Photosynthese
Projektdauer: Mai 2018 bis Juni 2019
Ziel des Forschungsprojekts war es, den Einfluss der Magnesiumversorgung auf die Biomasse und Photosyntheseleistung verschiedener Pflanzenarten zu quantifizieren.
Magnesiummangel bei Gerste. (Foto: Tränkner)
Die Idee bestand darin, Daten aller relevanten existierenden wissenschaftlichen Literatur über Magnesium (Mg) und Pflanzenwachstum der letzten 70 Jahre in einer systematischen Literaturstudie zu sammeln und zu kombinieren, um kritische Mg-Blattkonzentrationen für das Pflanzenwachstum zu berechnen. Daher wurde eine intensive Suchstrategie unter Verwendung der Online-Datenbanken Web of Science und Google Scholar durchgeführt.
Wir sammelten die gesamte Literatur, die sich auf die Beziehung zwischen Mg-Ernährung, Mg-Konzentrationen im Gewebe und den Parametern Biomasse, Ertrag, Netto-Kohlenstoffdioxid-Assimilation, reaktive Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS) sowie Aktivitäten von Enzymen und Metaboliten, die am Abbau von ROS beteiligt sind, konzentriert.
Wir fanden mehr als 200 Studien, die in Verbindung zu unseren Forschungsfragen stehen. Fast die Hälfte von ihnen lieferte genügend Informationen für weiterführende statistische Auswertungen. Wir extrahierten die Daten und kombinierten sie in einer Metaanalyse. Die Ziele waren zum einen, den Gesamteffekt von Mg zu berechnen, zum anderen das Auffinden von Beziehungen zwischen Mg-Blattkonzentrationen und Parametern, die mit dem Pflanzenwachstum und der Photosynthese zusammenhängen können.
Unsere Forschungsfragen waren folgende:
- Wie wirkt sich die Mg-Versorgung auf die Bildung von Biomasse, die photosynthetische Assimilation von Kohlenstoffdioxid (CO2) und antioxidative Enzymaktivitäten aus?
- Welche Faktoren beeinflussen das Ausmaß dieser Reaktionen auf Mg?
- Welche Mg-Blattkonzentrationen sind für Wachstum und Photosynthese entscheidend?
Mg und Biomasseproduktion
Mg ist ein wichtiges Element für die Pflanzenproduktion. Lange Zeit schien es jedoch von Agronomen und Forschern vernachlässigt worden zu sein, da die Pflanzenproduktion primär auf den Einsatz der Nährstoffe Stickstoff (N), Phosphor (P) und Kalium (K) begrenzt zu sein schien. Dies spiegelt sich in der Anzahl der in dieser Studie genutzten Veröffentlichungen wider: Von 1960 bis 2009 wurden 45 relevante Studien zu Mg in der Pflanzenernährung veröffentlicht, während in späteren Jahren, von 2010 bis 2018, 61 Studien veröffentlicht wurden.
Anzahl der Magnesium-Studien, die in den letzten Jahrzehnten veröffentlicht und in der Metaanalyse verwendet wurden. (Quelle: Tränkner)
In unserer Studie stellten wir fest, dass die Biomasse – die Trockenmasse der gesamten Pflanze – durch eine adäquate Mg-Versorgung im Vergleich zu Pflanzen mit Mg-Mangel signifikant verbessert werden kann. Die Wirkung von Mg auf die Biomasse von Wurzeln ist sogar noch ausgeprägter als die Wirkung auf den Spross.
Mg ist für viele physiologische und biochemische Prozesse in der Pflanze wichtig. Beispielsweise wurde festgestellt, dass sich unter Mg-Mangel die in den Quellorganen produzierten Kohlenhydrate akkumulierten und die Translokation in wachsende Pflanzenteile wie die Wurzeln gehemmt wurde. Eine Abnahme der Wurzelbiomasse im Vergleich zur Sprossbiomasse und damit ein erhöhtes Spross-Wurzel-Verhältnis wurde häufig beobachtet. Bei unseren Analysen stellten wir fest, dass es auch eine beträchtliche Anzahl von Berichten gibt, in denen das Spross-Wurzel-Verhältnis nicht durch Mg beeinflusst wurde oder unter Mg-Mangel sogar abnahm. Unsere Metaanalyse ergab, dass Spross-Wurzel-Verhältnisse von der Mg-Versorgung nicht beeinflusst werden, wenn die untersuchten Pflanzen vor Beginn der Behandlung mit Mg-Mangel unter ausreichender Mg-Versorgung angezogen wurden. Wenn die untersuchten Pflanzen anfänglich ohne Mg kultiviert wurden, war das Spross-Wurzel-Verhältnis im Vergleich zu den gut versorgten Pflanzen erhöht.
Mg ist innerhalb der Pflanze sehr mobil und kann in großen Mengen in den Vakuolen gespeichert werden. Wir denken, dass bei Pflanzen, die anfänglich gut mit Mg versorgt waren und dann einem Mg-Mangel ausgesetzt wurden, die Umverteilung von Mg innerhalb der Pflanze der Grund dafür ist, dass in diesen Fällen die Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum bis zu einem gewissen Grad kompensiert werden konnten.
Bedeutung von Mg für die Photosynthese und die Abwehr von photooxidativem Stress
Symptome von Magnesiummangel an einem Zuckerrüben-Blatt (links). Rechts ist zum Vergleich ein Blatt, welches optimal mit Nährstoffen versorgt wurde (Kontrolle). (Foto: Tränkner)
Unsere Studie zeigt deutlich, dass eine adäquate Mg-Versorgung die photosynthetische CO2-Assimilation signifikant verbessert. Mg ist sehr wichtig für Photosyntheseprozesse, da es das Zentralatom des Chlorophylls ist und die Rubisco-Aktivität und -Aktivierung direkt beeinflusst.
Eine eingeschränkte CO2-Assimilation unter Mg-Mangel erhöht den oxidativen Stress, da Elektronen und Anregungsenergie, die bei der Photosynthese nicht verwendet werden, eine übermäßige Produktion von ROS, also oxidativen Stress, induzieren. Wir haben quantifiziert, dass dieser oxidative Stress unter Mg-Mangel im Vergleich zu gut versorgten Pflanzen um ein Drittel zunimmt. Es wurde auch festgestellt, dass die Aktivität vieler Enzyme und Metaboliten, die am Abbau von ROS beteiligt sind, unter Mg-Mangel zur Entgiftung von ROS erhöht ist.
Kritische Mg-Schwellenwerte im Blatt für die Assimilation von Biomasse und photosynthetischem CO2
Theoretische Beziehung zwischen Ertrag und Blattnährstoffkonzentration. Die gestrichelte Linie zeigt die kritische Nährstoffkonzentration an, die 90 % des maximalen Ertrags erzeugt. (Quelle: Hauer-Jákli)
Blattnährstoffkonzentrationen sind ein wichtiges diagnostisches Instrument, um den Nährstoffstatus von Pflanzen zu bestimmen und damit über den Bedarf an Düngemitteln zu entscheiden. Voraussetzung für das Konzept der kritischen Nährstoffkonzentrationen ist eine spezifische Beziehung zwischen der Blattnährstoffkonzentration und dem jeweiligen Parameter, der das Wachstum charakterisiert, wie Trockenmasse, Netto-CO2-Assimilation oder Ertrag. Eine kritische Nährstoffkonzentration ist definiert als diejenige Nährstoffkonzentration, bei der ein zehnprozentiger Verlust des spezifischen Wachstumsfaktors auftritt.
Für viele Pflanzenarten existieren diese kritischen Werte für Mg nicht oder sind veraltet, darunter Hauptkulturen wie Kartoffeln und Gerste. Studien, die Mg-Blattkonzentrationen mit Wachstumsparametern bestimmter Arten in Beziehung setzen, sind eine mögliche Quelle für die Bestimmung kritischer Blattwerte für Mg.
Wir kombinierten alle verfügbaren Daten und berechneten die kritische Mg-Blattkonzentration für viele Nutzpflanzen- und Baumarten. Für viele Arten fanden wir typische nicht-lineare Beziehungen zwischen Mg-Blattkonzentrationen und Trockenmasse oder CO2-Assimilation. Die meisten Monokotyledonen hatten niedrigere und die meisten Leguminosen höhere kritische Mg-Blattkonzentrationen in der Trockenmasse als Dikotyledonen bzw. Nichtleguminosen. Darüber hinaus waren die kritischen Werte für die Netto-CO2-Assimilation bei den meisten Arten höher als für die Trockenmasseproduktion.
Unsere Ergebnisse können dazu beitragen, den Mg-Ernährungsstatus von Pflanzen auf dem Feld oder im Gewächshaus zu bestimmen und somit Düngungsstrategien zu optimieren.
Die Ergebnisse dieses Projektes wurden Mitte 2019 in der Fachzeitschrift Frontiers in Plant Science veröffentlicht.
