Forschung
Forschungsthema
Wassernutzungseffizienz
Die landwirtschaftliche Produktion ist sehr anfällig für zunehmende Dürreereignisse und die Wasserverfügbarkeit ist einer der begrenzenden abiotischen Faktoren für die Pflanzenproduktion. Die Verbesserung der Wassernutzungseffizienz (WUE) von Nutzpflanzen und Anbausystemen ist daher ein wichtiges Ziel, um den aktuellen Herausforderungen des globalen Klimawandels zu begegnen.
Wassernutzungseffizienz kann auf verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen bewertet werden, von Sekunden bis zu Jahren und von kleinen Blattflächen einer einzelnen Pflanze bis hin zu ganzen Ökosystemen. (Quelle: B. Jákli, IAPN)
Die WUE kann als Maß für die Effizienz bei der Optimierung der Assimilation von Kohlenstoff (C) bei gleichzeitiger Minimierung des Wasserverbrauchs angesehen werden. Sie wird im Allgemeinen durch das Verhältnis von assimiliertem C oder Biomasse pro Einheit Wasserverlust durch Transpiration beschrieben. Stomata spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der WUE, da sie die Rate des Wasserverlustes durch Transpiration und die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid (CO2) für die Photosynthese und damit die Pflanzenproduktivität bestimmen. Da sowohl die Photosynthese als auch die Transpirationsprozesse auf Umweltbedingungen und pflanzeninterne Reaktionen reagieren, ist die WUE hochdynamisch.
Die Forschung am IAPN konzentriert sich auf die Erfassung der WUE auf der Blatt- und Pflanzenebene durch Messungen der Biomasseproduktion, der Transpiration der gesamten Pflanze und des photosynthetischen Blattgasaustauschs und damit der Bewertung der C- und Wasserflüsse in der Luft-Blatt-Interphase.
Messen der Kohlenstoffdioxid- und Wasserflüsse in Kartoffelpflanzen auf dem Feld mittels einer tragbaren Gaswechselkammer. (Photo: B. Jákli)
Um die Mechanismen der WUE zu verstehen, wird die Photosynthese-Forschung des IAPN durch intensive Forschung zu den Wasserverhältnissen und Transpirationsprozessen der Pflanzen ergänzt. Der Wasserhaushalt auf den Ebenen einer gesamten Pflanze und des Pflanzenbestandes ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. Auch die Art und Weise, wie Pflanzen auf Wasserstress reagieren, indem sie Wasser – und damit Nährstoffe – zwischen ihren verschiedenen Organen in spezifischen Entwicklungsstadien verteilen, wird noch nicht völlig verstanden.
Wärmebild von Sonnenblumenpflanzen. In einem Experiment am IAPN wurden die Pflanzen hydroponisch angezogen und unterschiedlich mit Kalium (K) versorgt. Zusätzlich wurde osmotischer Stress durch Zugabe von PEG-6000 induziert. Die weißen Zahlen stellen die durchschnittlichen Blattoberflächentemperaturen (°C) dar. Die Pflanzen mit osmotischem Stress und der geringsten K-Versorgung zeigten die höchsten Blatttemperaturen, was auf die geringsten Transpirationsraten aufgrund von Stomata-Schließung hinweist. (Quelle: B. Jákli, IAPN)
Eine zerstörungsfreie und kontinuierliche Überwachung der Wasserverhältnisse in verschiedenen Pflanzenteilen kann die Messungen der Transpiration ergänzen und einen detaillierten Aufschluss darüber geben, wie Pflanzen auf ihre Umwelt reagieren und somit die WUE beeinflusst wird.
Die am IAPN auf diesem Gebiet durchgeführte Forschung zielt darauf ab, die hydraulischen Mechanismen zu untersuchen, die in den komplexen räumlichen und zeitlichen Dynamiken der Pflanze-Wasser-Beziehung eine Rolle spielen. Diese Reaktionen werden über mehrere Skalen von innerhalb des Blattes bis zum Pflanzenbestand unter Verwendung magnetischer Turgor-Messsonden (Leaf Patch Clamp Pressure Probe, LPCP) erforscht. Diese nicht-invasive Methode ermöglicht die kontinuierliche Überwachung des Zellturgors (und damit des Wasserzustands der Pflanze) über längere Zeiträume und dessen Vergleich mit Änderungen der Umgebungsbedingungen. Der Druck der Messsonde steht in umgekehrter Beziehung zum Turgordruck, Pc, der wiederum in Relation zum Zellwassergehalt steht.
Experiment mit einer LPCP-Sonde: Zur Beurteilung des Wasserzustandes der Pflanze wird ein kleines Stück eines Blattes zwischen zwei Magneten geklemmt. Die Anziehungskraft zwischen den Magneten übt einen konstanten Druck auf den Blattbereich aus. Im oberen Magneten befindet sich ein Sensorchip. Er erfasst die Druckübertragungsfunktion des Blattbereichs, den Ausgangsdruck, Pp. Die vom Chip gelieferten Daten werden kontinuierlich überwacht und aufgezeichnet. Pp steht in umgekehrter Beziehung zum Turgordruck des Blattbereichs, Pc, der wiederum mit dem Gewebe- und letztlich dem Zellwassergehalt in Relation steht. (Foto: D. Jákli)
Die LPCP-Technik ermöglicht daher eine Beobachtung der Kinetik von Dehydration und Rehydratation, also der internen Redistribution von Wasser, über 24-Stunden-Skalen und als Reaktion auf Behandlungen, zum Beispiel durch Schließen der Stomata am Mittag oder als Reaktion auf Trockenheit, Lichtintensität oder CO2. Zusätzlich könnte ein Vergleich zwischen verschiedenen Pflanzenarten, Genotypen oder Pflanzenteilen auch unterschiedliche Mechanismen von Trockenstresstoleranz erkennbar machen.
