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Abteilung Pflanzenernährung und Ertragsphysiologie

Stand: September 2017

Abgeschlossene wissenschaftliche Arbeiten

 

Die Bedeutung der CO2-Fixierung von Leguminosenknöllchen für ihre Aktivität und Effizienz
Dr. agr. Stephanie Fischinger

In den vorliegenden Arbeiten wurden Versuche an Leguminosen (Pisum sativum L. und Medicago sativa L.) hinsichtlich des Einflusses der Knöllchen-CO2 Fixierung auf die N2 Fixierung durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass die CO2 Fixierung von zentraler Wichtigkeit für die N2 Fixierung ist. Methodische Grundlage für diese Arbeiten war die Etablierung einer Gaswechselmessanlage, die relevante Gaswechselprozesse im Knöllchen-/Wurzelraum erfasst und vom Spross unabhängige Behandlungen des Wurzelraumes mit verschiedenen Gasgemischen ermöglicht. Das etablierte System mit folgenden Anwendungsmöglichkeiten wird beschrieben: (i) Messung der H2 Freisetzung als indirektes Maß für die N2 Fixierung, (ii) Messung der Sauerstoffaufnahme und CO2 Freisetzung der Wurzeln und Knöllchen im offenen Durchfluss, (iii) Langzeitapplikation von Gasen unterschiedlicher Zusammensetzung (Bsp. erhöhte CO2 Konzentration) zum Wurzelraum, (iv) Applikation von Isotopengasen (15N2 und 13CO2) in den Wurzelraum. Mittels 15N2 Applikation wurde die Wasserstofffreisetzungsmethode zur Bestimmung der N2 Fixierung verifiziert. Mit 93% der tatsächlichen N2 Fixierung zeigte das Verfahren eine sehr hohe Genauigkeit. Unter der Knöllchen CO2 Fixierung versteht man die Bindung von CO2 an Phosphoenolpyruvat an der Phosphoenolpyruvatcarboxylase (EC 4.1.1.31) im Zytosol von infizierten Zellen des Knöllchens. Das Resultat dieser Reaktion ist Oxalacetat, welches im Stoffwechsel des Knöllchens zwei wichtige Funktionen hinsichtlich der N2 Fixierung hat. Oxalacetat kann als Kohlenstoffgerüst für den N Einbau fungieren und zudem nach dem Umbau zu Malat als Energiequelle für den N2 Fixierungsprozess an der Nitrogenase dienen. Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass zwischen der CO2 Fixierung der Knöllchen und der N2 Fixierung ein enger Zusammenhang bestand. Regulationszustände erhöhter N2 Fixierung gingen mit einer erhöhten CO2 Fixierung einher. Außerdem wurde deutlich, dass die CO2 Fixierung ein interner Mechanismus sein kann, um in Phasen erhöhter N2 Fixierleistung (Hülsenfüllungsphase der Erbsen) den relativen Mangel an organischen Säuren zu kompensieren. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass eine erhöhte CO2 Konzentration im Wurzelraum von Luzerne ( Belüftung mit 2500 ppm versus Belüftung mit CO2-freier Luft) eine erhöhte CO2 Fixierung in den Knöllchen induziert. Diese erhöhte CO2 Fixierleistung resultierte in einer erhöhten N2 Fixierung der Pflanze, verbunden mit einem erhöhten Transport von Aminosäuren in den Spross. Eine erhöhte CO2 Konzentration im Wurzelraum zeigte weiterhin einen Einfluss auf die Knöllchenentwicklung: sie ging einher mit der Bildung von weniger aber größeren Knöllchen. Die mögliche Bedeutung dieser Ergebnisse für experimentelle Verfahren der Gaswechselmessungen im Kontext der N2 Fixierung sowie die Verbesserung der N2 Fixierungsleistung von Leguminosen für die landwirtschaftliche Nutzung werden diskutiert.

siehe http://webdoc.sub.gwdg.de/diss/2009/fischinger/

 

Manganese Efficiency and Mn Uptake Kinetics of Different Crop Species
(Dr. agr. Mohammad Hassan Sayyari Zahan)

Es lässt sich theoretisch ableiten, dass der wichtigste Einflussfaktor auf die Manganaufnahme die Aufnahmephysiologie der Pflanze ist. Dennoch unterscheiden sich Kulturpflanzen hinsichtlich ihrer Anfälligkeit gegenüber Manganmangel. In dieser Studie werden zunächst die Parameter der Mn-Aufnahmekinetik für Weizen, Hafer und Raya bestimmt, die sich deutlich in ihrer Aufnahmeeffizienz unterscheiden. Diese Daten sind nötig zur Berechnung der Mn-Aufnahme mit einem Simulationsmodell. Im Bodenversuch auf Mangelstandorten im Vergleich zu modellierten Mn-Aufnahmen kann dann geklärt werden, welcher Prozess größere Bedeutung für die Mn-Aufnahme hat, die Aufnahmeeigenschaft der Pflanze oder die Verfügbarkeit und der Transport im Boden. Hieraus lassen sich Strategien zur Bekämpfung des Mn-Mangels ableiten.

 

Identification by HPLC-MS of new detected compounds in sugar beet root exudates for soil P mobilization
(Dr. agr. Reza Khorassani)

Plant species and even varieties of the same species differ in their ability to grow on low P soils, i.e., they differ in their P efficiency. Most P efficient species primarily rely on uptake efficiency, i. e. they can take up almost sufficient P despite low P supply in the soil. With due attention to low soil solution P concentration, this ability can be mainly attributed to chemical mobilization i. e. P solubilization in soil by root exudates. In order to select a species with high ability to mobilize P sugar beet, maize and groundnut were grown in a fossil Oxisol with low P availability and high P fixing capacity with three fertilizer treatments of 30, 100 and 1000 mg P kg-1 soil in a growth chamber. Three harvests were performed to cover two different growth periods that may indicate P efficiency changes with age of the plant. At lowest P supply, sugar beet was the most efficient plant among these three species because it had the highest relative yield. Maize was efficient only in medium level of P, but yield of groundnut was very low at 30 and 100 mg P kg-1 indicating low efficiency as compared to the other two species. The higher P efficiency of sugar beet was due to a higher P uptake efficiency which in turn was due to a high P influx. Under low P supply during the first growing period, P influx of sugar beet was higher than that for maize and groundnut by factor 4 and 22, respectively.

Model calculations based on soil parameters and plant P uptake kinetic parameters showed that only if sugar beet increased the P concentration in soil by factor 8 was it possible to explain the observed P influx. This is an indication that sugar beet root exudates solubilized, i.e. mobilized soil P. Therefore the root exudates of sugar beet were analyzed by using a differential metabolic profiling method with HPLC-MS (High Pressure Liquid Summary 93 Chromatography –Mass Spectrometry) technique. The objective was to find compounds different from the organic acids usually investigated, like citric, malic or oxalic acid, since their effect often seemed not to mobilize P in sufficient amounts. Sugar beet root exudates were collected under low and high P supply from plants growing in hydroponic system. The HPLC-MS scans of high-P and low-P exudates were compared and 56 and 9 signals were detected for negative and positive ionization modes, respectively, which were at least 5-times higher in low-P than in high-P exudates. Two signals with mass-charge ratio of 137 and 147 were selected for further investigation. Six candidate compounds were selected from KEGG database according to their functional groups and tested for their ability to mobilize P by an incubation experiment in a low P Oxisol. Salicylic acid and citramalic acid of the six compounds increased significantly P concentration in solution above the water control. Further HPLC-MS analysis of the two pure compounds and root exudates confirmed the existence of salicylic and citramalic acids in the root exudates. The higher intensity of peaks at low-P as compared to high-P samples showed that sugar beet exuded these two organic compounds into the rhizosphere as a response to low P availability.

However, other detected HPLC-MS signals under low P conditions indicate that further components of sugar beet root exudates might be also important to mobilize P in soil. The results further show that the metabolic profiling by HPLCMS is a powerful tool to identify compounds relevant to nutrient mobilization in soil.

 

Physiologische Anpassungsmechanismen von Leguminosenknöllchen an limitierte P-Versorgung
(Dr. agr. Mai Ahmed, PD Dr. agr. Joachim Schulze)

Ziel des Projektes ist es Anpassungsmechanismen von Leguminosenknöllchen bei P-Mangel zu studieren und dadurch einen Beitrag zur Selektion und Nutzung von P-effizienten Leguminosen zu leisten. Ein Schwerpunkt dabei ist die Suche nach P-Gehaltsschwellenwerten, bei denen die Stickstoffixierung eingeschränkt ist, aber andere Prozesse, besonders die Photosynthese in den Blättern noch auf normalem Niveau abläuft. Unter diesen Bedingungen wird besonders die Sauerstoffaufnahme der Knöllchen untersucht, da diese offensichtlich einen wesentlichen, regulierenden Faktor für deren Aktivität darstellt und bei P-Mangelbedingungen pro Einheit Knöllchenoberfläche erhöht ist. Das Projekt schließt Untersuchungen an Erbsen und Luzerne, aber auch den Modellleguminosen Medicago truncatula und Phaseolusbohnen ein.

 

Phosphorus efficiency of Arachis pintoi genotypes and possible mechanisms for tolerance to low soil P supply
(Dr. agr. Nelson Castañeda-Ortiz, Prof. Dr. Norbert Claassen, Dr. Bernd Steingrobe)

In natürlichen tropischen Ökosystemen ist aufgrund des stark chemisch verwitterten Bodens mit starker P-Pufferkapazität die P-Verfügbarkeit oft für optimales Pflanzenwachstum zu niedrig. Diese Tatsache hat Pflanzen mit erhöhter P Effizienz hervorgebracht, d.h. Pflanzen mit der Fähigkeit gut bei niedriger P-Verfügbarkeit zu wachsen. Unterschiede in der P-Effizienz kommen jedoch zwischen Arten und Sorte vor. Der Hauptzweck der Studie war, Arachis pintoi (Ap) Genotypen in bezug auf ihre P Effizienz zu evaluieren und die Gründe für die unterschiedliche P Effizienz zu untersuchen, d.h. die morphologischen und physiologischen Wurzeleigenschaften. Hierfür wurden 10 Ap Genotypen untersucht, die sich nicht in ihrem Wachstumspotential unterschieden. Dies wurde beobachtet indem man sie bei einem hohen P Angebot von 1000 mg P kg-1 wachsen ließ. Um P Effizienzmechanismen zu evaluieren, wurden die Ap Genotypen in Feld-, Gewächshaus- und Klimakammerexperimenten getestet. Ein fossiler Oxisol und ein Ultisol wurden verwendet, die eine extrem niedrige P Konzentration in der Bodenlösung (CLi) von ca. 0.2 µM hatten. Spross- und Wurzellemasseproduktion und P Konzentration sowie Wurzellänge wurden in zwei Ernten gemessen, um den P-Inflow zu berechnen. Der Effekt der Symbiose mit arbuscular mycorrhiza Pilzen (AM) auf die P Verwertungseffizienz (PVE), in Beziehung zu der sauren Phosphataseaktivität (APase) im Blatt und auf das P Aneignungsvermögen d.h. P-Inflow, wurde evaluiert. Um die physiologischen Wurzeleigenschaften, welche die P Effizienz bei unterschiedlichen Alter beeinflussen, zu erforschen, wurde APase Aktivität auf der Wurzeloberfläche und die Exsudation organischer Säuren studiert indem die Pflanzen in einem aufgeteilten Wurzelsystem (Boden und Sand) mit und ohne P Angebot wuchsen. Als Klassifikationskriterien in dieser Studie, waren P effiziente Genotypen diejenigen die einen hohen Ertrag unter den niedrigen P Bedingungen erreichen konnten, im Vergleich zu den durchschnittlichen Erträgen aller Genotypen. In der Rangfolge der Genotypen nach ihrer P Effizienz, wurden Genotypen 2 (CIAT 18748), 10 (CIAT 22172), 1 (CIAT 17434) und 6 (CIAT 18751) als P Effizient, die Genotypen 8 (CIAT 22159) und 9 (CIAT 22160) als durchschnittlich P Effizient und die Genotypen 3 (CIAT 18745), 4 (CIAT 18747), 5 (CIAT 18748) und 7 (CIAT 22155) als nicht P Effizient bewertet. Diese Unterschiede in der P Effizienz unter den Genotypen verschwanden durch die Symbiose mit AM (Glomus fasciculatum), die sowohl die Gesamt P Aufnahme, als auch die PVE beeinflussten. Die Unterschiede in der P Effizienz unter den Genotypen waren begründet in den unterschiedlichen morphologischen und physiologischen Wurzeleigenschaften, wie unten zusammengefasst: 1. Genotype 6 (CIAT 18751) kann wegen seiner hohen PVE hervorgehoben werden, die durch einen durchschnittlichen P-Inflow und ein relativ hohes Wurzel-Spross Verhältnis (WSV) ergänzt wurde. Das hohe PVE von Genotype 6 hing mit einer relativen hohen APase Tätigkeit in den Blättern zusammen und glich folglich seine niedrige P-Inflow Fähigkeit aus. Arbuscular mycorrhiza Pilze erhöhten bemerkenswert den P-Inflow (Genotype 6), der in einem hohen Ertrag reflektiert wurde. 2. Die hohe P Effizienz von Genotypen 2 (CIAT 18744) und 10 (CIAT 22172) war begründet in einem höheren P-Inflow, im Vergleich mit den anderen Genotypen. Dieser hohe Inflow lag an einer Zunahme der Bodenlösung P Konzentration, d.h., die Genotypen waren in der Lage P zu mobilisieren. Jedoch konnte diese Mobilisierungsaktivität nicht mit der Wurzelsexduation von APase, für die Hydrolysierung von organischem P, oder der von organischen Säuren verbunden werden. Die P Effizienz von Genotype 1 (CIAT 17434) resultierte aus einem hohen WSV in der ersten Wachstumsperiode und an der Zunahme seines P-Inflow über die Zeit, der mit einer bemerkenswerten Zunahme der APase Aktivität auf der Wurzeloberfläche mit zunehmender Alterung zusammenhing. Das AM erhöhte das Wurzelwachstum der Genotypen, nicht aber den P-Inflow. 3. Obwohl Genotypen 8 (CIAT 22159) und 9 (CIAT 22160) als durchschnittlich P Effizient bewertet wurden, waren ihre hohen WSV und einen durchschnittlicher P-Inflow für ihr Wachstum unter knapper P Verfügbarkeit im Boden verantwortlich. Die bemerkenswerte hohe Sprossbiomasse von Genotype 8 mit AM lag an einer Zunahme des PVE. 4. Die niedrige P Effizienz von Genotypen 3 (CIAT 18745), 4 (CIAT 18747), 5 (CIAT 18748) und 7 (CIAT 22155) war begründet in einem relativ niedrigen WSV, einem niedrigen P-Inflow und einem relativen niedrigen PVE. Bei den Genotypen 4 und 7 hing dies mit niedriger APase Aktivität in den Blättern zusammen. Die Genotypen überwanden ihre P Ineffizienz durch AM, der den P-Inflow erhöhte und dadurch den P Bedarf der Sprosswachstumsrate deckte. Diese Ergebnisse zeigen die unterschiedlichen Mechanismen, die die P Effizienz der Genotypen beeinflussen. Unter ihnen, war die Fähigkeit, die Bodenlösung P-Konzentration zu erhöhen am wirkungsvollsten und deutet daher an, dass P effiziente Genotypen in der Lage sind P zu mobilisieren. Obwohl die Mechanismen, durch die schwer lösliches anorganisches P gelöst wird, noch nicht identifiziert wurden, sollte diese P Mobilisierungsstrategie in zukünftiger Forschung beachtet werden.

 

Potassium uptake efficiency mechanisms and root exudates of different crop species
(Dr. agr. Debasmita Samal, Dr. Bernd Steingrobe, Prof. Dr. Norbert Claassen)

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.

 

Gesetzmäßigkeiten und Faktoren der Stickstoffmineralisation im Boden
(Dr. agr. Amabelia del Pino Machado, Prof. Dr. Norbert Claassen)

Der organisch gebundene Stickstoff im Boden befindet sich in leicht bis sehr schwer umsetzbaren Fraktionen. Ziel dieses Arbeitsprogramms ist es, ein Maß für die leichter umsetzbaren Fraktionen zu finden, durch chemische und/oder physikalische bzw. biologische Parameter des Bodens. Die Untersuchung wird an Böden aus Niedersachsen in zwei Vegetationsperioden durchgeführt. Alle Bodenproben werden chemisch, physikalisch oder biologisch untersucht. Die gewonnenen Parameter werden mit der gemessenen N- Nettomineralisation im Labor oder im Feld korreliert und versucht, einen Zusammenhang mit Hilfe linearer oder nicht linearer Funktionen herzustellen. Ähnliche Arbeiten werden parallel in Uruguay durchgeführt. Die N-Nettomineralisation ist ein vielschichtiger Prozess, der mit eindimensionalen Betrachtungen nicht nachgebildet werden kann. Daher soll versucht werden, die N-Nettomineralisation mit einem Modell nachzubilden, das die bekannten Einflussgrößen berücksichtigt.

 

Short- and long-term P dynamics of various P fractions in the field and in the rhizosphere
(Dr. agr. Kyi Myint, PD Dr. agr. Joachim Schulze)

Summary
Phosphorus is one of the main limiting nutrients in soils; hence phosphorus fertilization is a common practice to increase crop production. Accumulated soil P in surface soils from long-term and continuous agricultural fertilization is a major source of soluble and particulate forms of P contained in runoff that is entering water resources and degrading water quality particularly in industrialized countries. Much of the total soil P is unavailable for immediate plant uptake. Hence, the P supply to vegetation depends on the quantities of labile inorganic P, Pi, a general shift in P between more stable P pool including the size and the rates of P transformation of the mineralisable organic P, Po pool in the soil and so called labile Pi. So far, little information has been available that for longer periods of time which P fractions deliver P to plants and which P fractions are the sink for added P fertilizer and how this is influenced by soil type, P fertilizer rates and forms.
To study long-term P dynamics and short-term, i.e P dynamics in the rhizosphere, sequential P fractionations were done to measure changes in labile and stable forms of inorganic and organic P fractions. The P fractions obtained were in sequence : Pi and Po soluble in 30 mL of 0.5 M NaHCO3 at pH 8.5, 0.1 M NaOH , 1 M HCl , 11.3 M conc. HCl and 5 mL of conc. H2SO4 (18 M) and 5 mL of H2O2 in 0.5 mL increments. For the long-term P dynamics samples were collected from the top soil layer (0-30 cm) on four different long term fertilization experiment sites and for the short-term dynamics rhizosphere soil of maize and oilseed rape and bulk soil were analysed. Among long-term experiments, three have been conducted on acid soils located at Eickeloh, Düshorn and Hodenhagen for 13 years since 1989. A rotation of sugar beet-potato-winter wheat-winter barley was practiced. Soil from a non-fertilized and a fertilized treatment (100 kg P2O5 ha-1) from 1989 and 2002 were selected for this study. In addition, P fractionations were performed on a loamy soil of a long term fertilization experiment (Reinshof) treated with triple super phosphate and rock phosphate applied in amounts based on one or several times the crop removal. Six treatments were selected and the soils were analysed from 1983 and 2002. The rotation at this experimental site (Reinshof) was winter barley, sugar beet and winter wheat. Phosphorus balance of Reinshof soil (loamy soil) was calculated after long term cultivation. Pot experiments were conducted under screen-house conditions using soils collected from the long-term fertilization experiments of Düshorn and Reinshof. For each soil two P-fertilizer levels were chosen. A non-fertilized and a fertilized treatment (100 kg P2O5 ) were selected from the Düshorn soil, while for the Reinshof soil as well a non P fertilized treatment and a treatment that received P in amounts three times of crop removal. Iron oxide impregnated paper (Fe-strip) was used to quantify the amount of P that can be removed by desorption and to test whether plant roots act just as a sink and/or as chemical mobilizing agent.

The following main results were obtained:
Phosphorus removed by plant uptake on the long term came from NaHCO3-Pi , NaOH-Pi fractions and HCl-P fractions in the loamy soil (Reinshof) when no P was added to the plots. When the plots were treated with water soluble P in this loamy soil (Reinshof), added P went to the same P fractions. However, the NaHCO3-Pi and NaOH-Pi fractions in the plots supplied with rock phosphate in excess of P uptake dropped the same as in the control while almost all the added P was founed in the HCl-P fractions.
In the more acid soils (Hodenhagen and Eickeloh), which contained little HCl-P, only NaHCO3-Pi and NaOH-Pi fractions supplied P when no P was added to the plots or retained it when the plots were supplied with water soluble P.
In the less acid soil (Düshorn), NaHCO3-Pi, NaOH-Pi fractions and HCl-P fractions delivered P to the plants in the non fertilized plots.
NaHCO3-Po and, NaOH-Po fractions did not represent sources of plant P uptake in these long-term experiments.
The decrease in total-P in the unfertilized treatment after long-term cultivation was much less than the P removed by the crops and the P balance in the treatments fertilized in excess of P removal yielded negative values, i.e. the difference between the fertilized and removed amount of P was not fully recovered in the upper 30 cm of the soil.
In the short term pot experiment, the higher nutrient content and root-shoot ratio in the Düshorn than in Reinshof soil was the reason for higher uptake of both crops. Higher P uptake of maize on the Düshorn soil as compared to the Reinshof soil may be related to higher root length and higher root-shoot ratios of maize grown on this soil, which induced higher P uptake.
In the Reinshof soil, maize and oilseed rape removed P from the NaHCO3-Pi and NaOH-Pi fractions during short term growth. When they were grown in Düshorn soil, plants decreased NaHCO3-Pi, NaHCO3-Po, NaOH-Pi and NaOH-Po of which depletion of NaOH-P fractions was more pronounced. Depletion of HCl-P was not significant during short term growth.
Fe-strip removed more P from all fractions than plants. Artificial removal of P from the soil solution (below 0.1µM) by iron oxide impregnated paper strip (Fe-strip) resulted in desorption that exceeded plant root induced depletion, indicating that either, there was no shortage of P supply to the roots or the plant roots were not able to keep the soil P solution concentration as low as induced by the Fe-strip.
The depletion pattern of root and Fe-strip largely resemble each other, although there were some differences in particular under P-limited conditions. These differences indicate that plant roots do may have some mechanisms for accessing P fractions beyond pure soil solution P removal driven desorption.

 

Stabilität von Randzonen tropischer Regenwälder in Indonesien
- Entwicklung nachhaltiger landwirtschaftlicher Landnutzungssysteme -
(Dr. agr. Alexander zu Dreele, Prof. Dr. Norbert Claassen)

Das Teilprojekt D2 setzt sich zum Ziel, nachhaltige Nutzungssysteme für Regenwaldrandzonen zu entwerfen bzw. zu prüfen und der Nutzung zuzuführen. Grundhypothese des Teilprojektes ist die Annahme, daß eine positive Beziehung besteht zwischen der Vielzahl günstiger Interaktionen unter den Komponenten pflanzenbaulicher Landnutzungssysteme und ihrer Produktivität und Stabilität. Es soll der Frage nachgegangen werden, inwiefern eine gezielte Auswahl von Nutzpflanzen und Produktionsmethoden die landwirtschaftliche Produktivität in Regenwaldrandzonen erhalten kann. Es kooperieren dabei die Institute tropischer Pflanzenbau (Universität Kassel) und Agrikulturchemie (Universität Göttingen) in Zusammenarbeit mit den entsprechenden Fachgruppen der indonesischen Universitäten Bogor und Palu.

Die Konversion des Primärwaldes zur landwirtschaftlichen Landnutzung erfolgt im Projektgebiet über die direkte Überführung in Ackerfläche, verbunden mit deren periodischer Brachelegung, und über die Überführung in dauerhafte agroforstliche Landnutzungssysteme, v.a. mit Kakao und Kaffee unter Schattenbäumen als Hauptkomponenten. Die direkte Konversion in Ackerfläche, insbesondere in der im Projektgebiet vorherrschenden ausgeprägten Hanglage, ergibt besondere Probleme in der Boden- und Nährstoffsicherung. Es sollen daher die Dynamik und die verantwortlichen Ursachen der auftretenden Ressourcendegradierung dokumentiert, sowie Maßnahmen zu ihrer Verlangsamung bzw. Umkehr untersucht werden. Die Möglichkeiten zur Beteiligung der involvierten LandnutzerInnen in der Forschungsarbeit im Sinne partizipativer Agrarforschung sollen dabei systematisch ausgeschöpft werden, um die grundlagenorientierte Forschungsarbeit der beteiligten WissenschaftlerInnen in einen relevanten Verwertungszusammenhang zu stellen.

Das Teilprojekt wird zunächst, in Zusammenarbeit mit weiteren Teilprojekten, Basisinformationen zur Landnutzung in ackerbaulichen und agroforstlichen Systemen sammeln, um relevante Versuchsflächen für die anschließende Inventur und gemeinsame System- und Technologieentwicklung zu identifizieren. Frisch gerodete Flächen werden untersucht bzw. behandelt im Vergleich zu Flächen älterer Nutzung und Flächen unterschiedlicher Brachedauer. Die Untersuchungen der bio-physikalischen Ressourcen und ihrer Dynamik in Slash-and-Burn- und Kakao-Agroforst-Systemen entlang dieses Gradienten (falsche Zeitreihe) werden Bodenfruchtbarkeitsparameter, ober- und unterirdische Biomasse und Nährstoffpools einschließen. In Slash-and-Burn-Systemen werden zusätzlich die Artenzusammensetzung, die Stetigkeit und der spezifische Deckungsgrad der Brachevegetation bestimmt. Es wird außerdem die Entwicklung der Unkrautvegetation nach Brandrodung und bei unterschiedlicher Landnutzungsintensität untersucht, um Zeigerpflanzen zu identifizieren. Ein weiterer Schwerpunkt der Forschung wird auf die Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit und des Nutzpflanzenmanagements gerichtet sein, um Brachezeiten im Anbau von anuellen Kulturen zu reduzieren oder zu eliminieren. In der ersten Projektphase werden der Mischanbau mit Bodendecker- und Körnerleguminosen zur biologischen Stickstofffixierung und Phosphormobilisierung und die Anlage von Konturhecken zur Hangstabilisierung untersucht. Das Extrapolieren der Forschungsergebnisse wird langfristig über die Modellierung von Anbausystemen und Systemkomponenten erfolgen. In der nächsten Projektphase sollen weitere Aspekte (z.B. Maßnahmen zur verbesserten Brache) und komplexere Anbausysteme untersucht werden.

Nähere Angaben zu diesem Teilprojekt als PDF und auf www.storma.de

 

Polyphosphates and orthophosphates as phosphorus sources for plants growing in different soils
(Dr. agr. Luis Omar Torres Dorante, Prof. Dr. Norbert Claassen)

Polyphosphates are condensed inorganic phosphates in which several tetrahedral orthophosphates groups are linked by oxygen bridges within a linear or cyclic configuration. Polyphosphates nowadays are found in some worldwide traded fertilizers and the information concerning their efficiency as P source for plants is somewhat contradictory.

In a multi-factorial experiment different polyphosphates are evaluated to determine their availability to plants as well as the determination of the P use efficiency of polyphosphate fertilizers as compared to conventional orthophosphate fertilizers. In two soils differing mainly in pH, texture and P levels four P sources are being evaluated: Sodium Orthophosphate, Sodium Pyrophosphate, Sodium Tripolyphosphate and Sodium Trimetaphosphate. The soils are a Sandy soil, pH 4.9 (CaCl2), low P and a Silt loamy soil, pH 6.9 (CaCl2), low in P. Corn plants (Zea mays L.) were grown for a period of 30 days to measure the plant P uptake, root growth and P uptake by unit of root. As the hydrolysis of polyphosphate into orthophosphate is of importance for the ability of these fertilizers as P sources a soil experiment is being carried out to evaluate the hydrolysis rate over a period of 90 days. In this experiment orthophosphate and polyphosphate concentrations in soil solution and the adsorbed by the solid phase are measured. Furthermore the effect of pH on hydrolysis of polyphosphate is evaluated in aqueous solutions buffered to different pH in a period of 90 days.

 

Potassium Dynamics in Wheat and Sugar beet Rhizosphere
(Dr. agr. Kambiz Bazargan, Prof. Dr. Norbert Claassen)

Plant species and some cultivars of the same species differ in their ability to grow in low potassium soils. There is a big difference between wheat and sugar beet in potassium uptake efficiency. Mathematical simulation model has been developed to estimate and evaluate nutrient uptake in different soil and plant conditions. Although the model contains different soil and plant parameters, it can not explain some of the difference in potassium uptake efficiency between wheat and sugar beet. The model estimates that the depletion distance near roots of different plants will be the same (the depletion distance is independent from the plant species) so, in this research at first we will measure the potassium depletion distance from wheat and sugar beet roots in the same soil. If the depletion distance (volume) is the same we will look forward in root exudates of these two plant species to find the agent that makes sugar beet able to get more potassium than wheat from the same volume of the soil.

 

Ursachen und Mechanismen der Eisentoxizität bei Naßreis (Oryza sativa L.)
(Dr. agr. Lazaro Montas-Ramirez, Prof. Dr. Norbert Claassen)

Zusammenfassung
Eisentoxizität kann bei Nassreis auftreten, weil nach Überstauung des Bodens, und somit O2-Ausschluß, Fe3+ zu leicht löslichem toxisch wirkenden Fe2+ reduziert wird. Die Intensität der Fe-Vergiftung hängt stark von der Sorte ab, wie eigene Untersuchungen in der Dominikanischen Republik bestätigen. Dort traten im Reisanbau starke Chlorosen auf, die bisher als Symptome von Fe-Toxizität gedeutet wurden, obwohl die Blattgehalte an Fe nicht als toxisch betrachtet werden konnten. Hier könnte der Ursprung der Fe-Toxizität in der Wurzel und nicht im Spross lokalisiert sein. Andere Faktoren, wie gestörte Nährstoffaufnahme und/oder mikrobielle Aktivität, könnten dabei auch eine Rolle gespielt haben.

In der vorliegenden Arbeit soll in Reissorten mit unterschiedlicher Fe-Toleranz durch eine Zufuhr von gestaffelten Fe-Konzentrationen entweder zur Wurzel oder zum Blatt sowohl in Nährlösungsversuchen, als auch in Böden (bekannt als Fe-toxisch- oder nichttoxisch), einerseits der Ursprung der Schadwirkung (Blatt und/oder Wurzel) lokalisiert werden, andererseits soll die Aufnahmeleistung der Wurzeln (Fe-Influx) als Funktion der Fe2+-Konzentration in Nährlösung oder Boden bestimmt sowie Rhizosphäreneffekte [Oxidation der Wurzelumgebung und die Besiedlung der Wurzeln mit Fe3+-reduzierenden Bakterien] ermittelt werden. Das Zusammenführen aller Versuche soll zeigen, welche Bedingungen zu Fe-Toxizität führen, wo die toxische Wirkung des Fe lokalisiert ist (Spross oder Wurzel) und inwieweit unterschiedliche Fe-Toleranz in der Aufnahmeleistung der Wurzel, den Rhizosphäreneffekten oder den Entgiftungsmöglichkeiten [Oxidation von Fe2+ zu Fe3+ in der Pflanze] begründet ist. Neben dem wissenschaftlichen Interesse werden die zu erwartenden Erkenntnisse auch dem Reisanbauer und der Formulierung von Zuchtzielen dienlich sein.

Ursachen unterschiedlicher Kaliumeffizienz
(Dr. agr. Hanadi El Dessougi, Prof. Dr. Norbert Claassen)

Sowohl zwischen als auch innerhalb von Pflanzenarten exisitieren Unterschiede in der K-Effizienz. Dies äußert sich darin, daß auf einem K-armen Standort einige Pflanzenarten Höchsterträge erbringen, andere Pflanzearten hingegen im Ertrag deutlich zurückbleiben.

Diese unterschiedliche Effizienz kann auf mehrere Mechanismen zurückzuführen sein:

  1. Unterschiede in der Verwertungseffizienz von K, d.h. effiziente Pflanzenarten erreichen bereits mit geringen K-Gehalten in der Pflanzensubstanz hohe Erträge.

  2. Morphologische Unterschiede, d.h. effiziente Pflanzenarten haben ein großes Wurzelsystem zur Ernährung einer Sproßeinheit und können deswegen geringe Aufnahmeraten kompensieren.

  3. Physiologische Unterschiede, d.h. effiziente Arten können trotz geringen K-Angebotes hohe Aufnahmeraten verwirklichen, entweder weil das Aufnahmesystem sehr effizient ist, oder weil sie sich K-Quellen besser erschließen können.

Zunächst werden screening Versuche durchgeführt, um besonders effiziente und wenig effiziente Arten zu finden. Im folgenden werden die Ursachen für die unterschiedliche Effizienz untersucht, wobei besonderes Augenmerk möglichen K mobilisierenden Prozessen gilt.

Literatur

 

Phosphat-Mobilisierung
(Dr. agr. Lutz Beißner, Prof. Dr. Wilhelm Römer)

Aus der Gegenüberstellung von Simulations- und Meßergebnissen der P-Aufnahme von Kulturpflanzen zeigt sich, daß die Aufnahme durch mathematische Modelle zufriedenstellend beschrieben werden kann, wenn das P-Angebot im Boden hoch ist (Claassen, 1990). Bei niedrigen Boden-P-Gehalten nehmen die Pflanzen mehr P auf, als aus den Boden- und Pflanzenkenngrößen des Modells errechnet werden kann. Die Ursachen werden in P-Mobilisierungsmechanismen vermutet, die mit dem Modell nicht erfaßt werden. Daraus resultiert ein Forschungsansatz, der in zwei Richtungen geht:

Prüfung der Mobilisierung und Nutzung von organisch gebundenem P durch verstärkte hydrolytische Spaltung dieser  P-Fraktion mittels Phosphatasen an der Wurzeloberfläche (Beißner u. Römer, 1994, 1996).

Untersuchung der Wurzelexsudation von Kulturpflanzen auf Zusammensetzung und Wirkung auf anorganische Bodenphosphate. Der Schwerpunkt liegt auf der Identifizierung organischer Säuren und deren Phosphatfreisetzung durch mehrere Mechanismen (Gerke, 1995b; Beißner u. Römer, 1995).

Es besteht die Absicht, in einem 3. Schritt die experimentellen Daten der Nährstoffmobilisierung in ein Nährstoffaufnahmemodell zu integrieren, um damit die Nährstoffaufnahme auch für Situationen geringer Nährstoffverfügbarkeit in befriedigender Weise berechnen zu können.

Literatur

   

Schwermetalle (Fe, Mn, Cu, Zn, Cd) - Aneignungsvermögen durch Kulturpflanzen und deren Sorten sowie chemische Verfügbarkeit der Elemente in Abhängigkeit von Wurzelexsudaten und P-Ernährung
(Dr. rer. nat. Holger Keller, Dr. agr. Jaques Komi Egle, Prof. Dr. Wilhelm Römer) 

Gegenwärtig wird ein Sortiment von Spinat- und Lupinengenotypen (Gelbe, Weiße und Blaue) auf ihr Aneignungsvermögen für Cu und Zn sowie das Aufnahmeverhalten für Cd geprüft. Hierfür werden die Pflanzen in Böden mit Cu-, Zn- und Cd-Kontamination angezogen. Es ist das Ziel, die Variabilität einiger wichtiger Kenngrößen wie Wurzel/Sproß-Verhältnis und Influx (Nettoaufnahmerate je Wurzellängeneinheit) herauszufinden, um den züchterischen Spielraum insbesondere für Genotypen mit geringer Cd-Aufnahme einschätzen zu können.

In einigen Fällen zeigte sich, daß ein größerer Influx für die Schwermetallanreicherungen im Sproß verantwortlich war, besonders bei nicht ausreichender Phosphorernährung. In diesen Fällen wird geprüft, ob die erhöhte Ausscheidung von organischen Säuren die Mobilität von Schwermetallen im Boden erhöht und dadurch eine erhöhte Aufnahme ermöglicht wird. (Gerke et al., 1995; Gerke, 1995; Meyer et al. 1994; Keller und Römer, 1997)
 

Literaturhinweise:
Komi Egle: Untersuchungen zum Phosphor-, Kupfer-, Zink- und Cadmium-Aneignungsvermögen von drei Lupinenarten und Weidelgras unter Berücksichtigung wurzelbürtiger organischer Säuren.
Shaker Verlag Aachen, 2003, ISBN 3-8322-1310-4. 123 Seiten

Holger Keller: Einfluß wurzelbürtiger Säuren auf das Cu-, Zn- und Cd-Aneignungsvermögen von Spinatgenotypen. Verfügbar unter:
http://kluedo.ub.uni-kl.de/volltexte/2000/1146/pdf/dissertation_33.pdf
weitere Literatur

 

Auswirkungen des Wasserpotentials des Bodens auf die Wurzeleigenschaften und die Nährstoffverfügbarkeit (P-Verfügbarkeit) in der Rhizosphäre
(Dr. agr. Horst Liebersbach, Prof. Dr. Norbert Claassen)

Ein geringer Wassergehalt des Bodens kann die Nährstoffaufnahme beeinträchtigen, weil zum einen die Beweglichkeit der Nährionen abnimmt und zum anderen das Wurzelwachstum gehemmt ist (Schmid und Claassen, 1994; Seiffert et al., 1995). Dieser doppelte Effekt bewirkt, daß Trockenheit oft zu einem drastischen Einschnitt bei der Nährstoffaufnahme führen kann. Andererseits wird häufig beobachtet, daß Trockenheit nur einen geringen oder gar keinen Einfluß auf die P-Ernährung von Kulturpflanzen hat. Demnach ist die Pflanze in der Lage, den negativen Wirkungen eines geringen Bodenwassergehaltes entgegenzuwirken. Die Wirkmechanismen sind jedoch kaum bekannt. Diese Mechanismen werden untersucht. Dazu wird in Modellversuchen zunächst überprüft, ob die von Wurzelzellen produzierte Mucilage in einem trocken Boden die unmittelbare Wurzelumgebung feucht halten kann, um anschließend die Bedeutung der Mucilage bei der Nährstoffverfügbarkeit herauszustellen. In Gefäßversuchen mit Boden und Nährlösung wird der Effekt des Wasserpotentials auf aufnahmerelevante Boden- und Pflanzenparameter quantifiziert. Hiermit und unterstützt durch Modellrechnungen, sollen die Effekte einer Trockenheit auf die Nährstoffaufnahme ursächlich erklärt werden.

Literatur

Phosphat-Effizienz
(Prof. Dr. Wilhelm Römer in Zusammenarbeit mit dem Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung)

Diese Forschungsrichtung geht davon aus, daß die Züchtung der Kulturpflanzen in den vergangenen Jahrzehnten auf mit Nährstoffen angereicherten Böden erfolgte und damit Sorten mit eher hohem als niedrigem Nährstoffbedarf selektiert wurden. Ziel der Untersuchung ist es, die Variationsbreite heutiger Genotypen für die Effizienz der Nährstoffaufnahme (= uptake efficiency) je Pflanze oder Bodenflächeneinheit und der Verwertung (= utilization efficiency) z.B. kg Korn / kg aufgenommenen Phosphors des Gesamtsprosses zu analysieren und Chancen für deren züchterische Verbesserung auszuloten. Die bisherigen Untersuchungen erstrecken sich auf Sommergerste, Mais, Ackerbohnen und Welsches Weidelgras. Bei einigen Genotypen mit Heterosiseffekt wurde geprüft, ob der höhere P-Entzug durch ein größeres Wurzelsystem und/oder einen höheren P-Influx verursacht wird (Römer u. Schenk, 1994; Römer et al., 1995; Stelling et al. 1996).

Literatur

 

Ausnutzbarkeit des Phosphors verschiedener Klärschlammfällungsprodukte
(Dr. agr. Ihab Samie, Prof. Dr. Wilhelm Römer), Stipendium der Regierung der Republik Ägypten

Vorgesehen ist erstens die Prüfung der Phosphatverfügbarkeit von Klärschlämmen, in denen Phosphate durch Eisen-, Aluminium- und/oder Calciumionen gefällt werden. Die Prüfung soll mit verschiedenen Böden und Kulturpflanzen erfolgen.

Zweitens soll die Frage beantwortet werden, ob das Phosphatbindungsvermögen von Böden, die längerfristig mit eisenhaltigen Klärschlämmen gedüngt wurden, angestiegen ist und damit der Phosphatdüngungsbedarf größer geworden ist.

Literaturhinweis:
Ihab M. F. Abd El-Samie: Phosphordüngewirkung von Klärschlämmen aus Klärwerken mit Phosphateliminierung durch Eisensalze. Verfügbar unter:
http://webdoc.sub.gwdg.de/diss/2003/abd_el-samie/index.html

Wurzelumsatz von Getreide
(Dr. agr. Schmid, Dr. Bernd Steingrobe)

Die meisten bisherigen Untersuchungen zur Entwicklung von Wurzelsystemen beschränken sich -nicht zuletzt aus arbeitstechnischen Gründen- auf die Messung des Ist-Zustandes. Schon während der Wachstumsperiode sterben aber große Teile des Wurzelsystems ab und werden entsprechend durch Neuzuwachs ersetzt. Der gemessenen Größe des 'Netto-Wurzelsystems' liegen also ein 'Bruttozuwachs' und ein Absterben zugrunde. Dieser Wurzelumsatz kann aus mancher Hinsicht von Bedeutung sein, z.B. bei Betrachtung des Kohlenstoffeintrages in den Boden durch die Wurzeln oder bei der Erschließung noch nicht an Nährstoffen verarmten Bodenbereichen durch das Wurzelsystem.

Der Bruttozuwachs von Winterweizenwurzeln wird mit der 'Ingrowth Cores'-Methode bestimmt. Hierbei wird nicht durchwurzelter Boden in einem Netz im Bestand vergraben und nach wenigen Tagen hierin die Durchwurzelung gemessen. Unter der Annahme, daß in dieser kurzen Zeit noch keine Wurzeln abgestorben sind, repräsentiert die Wurzellänge im Netz das Bruttowachstum. Ein Vergleich mit dem parallel bestimmten Nettowachstum ergibt die Sterberate.

Innerhalb des Projektes werden methodische Arbeiten durchgeführt und der Wurzelumsatz von Winterweizen quantifiziert. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, daß sich das Feinwurzelsystem alle 4-6 Wochen vollständig erneuert.

Das Projekt wird im Rahmen des Forschungsverbundes Agrarökosysteme München (FAM) durchgeführt.

Literatur

 

Wurzelumsatz von Zuckerrübe und Raps. Einfluß von Bewässerung, N-Düngung und Sorte
(Dr. Bernd Steingrobe)

Aufbauend auf dem o. a. Projekt dieser Arbeitsgruppe wird der Wurzelumsatz an Dikotyledonen gemessen. Als Beispielspflanze dienen Zuckerrübe und Raps. Bei Raps wird zudem der Einfluß der N-Düngung und unterschiedlich N-Effizienter Pflanzen geprüft. Erste Ergebnisse zeigen, daß der Umsatz eine ähnliche Größenordnung wie bei Winterweizen erreicht, nämlich eine Erneuerung des Wurzelsystems alle 4-6 Wochen. Zudem zeigt sich ein Sorteneinfluß, wohingegen der Einfluß der N-Versorgung gering ist. Bei Zuckerrübe wird der Einfluß der Bewässerung auf einem Sandstandort bei unterschiedlicher N-Düngung geprüft.

 

 

 
 Fakultät für Agrarwissenschaften

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