Einfluss der Kaliumdüngung auf das Wachstum und die Wassernutzungseffizienz von Ackerbohne (Vicia faba), Sommerweizen (Triticum aestivum) und Tomate (Solanum lycopersicum) unter Kontroll-, Trockenstress- bzw. Salinitätsbedingungen

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es, den speziellen Einfluss einer Kalium-(K)-Düngungauf das Pflanzenwachstum herauszustellen. Es wurde untersucht, ob derWasserhaushalt der Pflanzen durch Kalium verbessert und inwiefern dieWassernutzungseffizienz (WUE) verändert wird. Dabei wurde auch nachspeziellen Wirkungen von K auf die Verbesserung der WUE unter Trockenstress-und Salinitätsbedingungen geforscht. Die Verbesserung der WUEkönnte auf eine Verringerung des Wasserverbrauches und / oder auf die gesteigerteTrockenmassebildung (TM) zurückzuführen sein.Für die Untersuchung der Hypothesen wurden Ackerbohnen (Vicia faba L.),Sommerweizen (Triticum aestivum L.) und Tomaten (Solanum lycopersicumL.) unter verschiedenen Kalium- und Wasserversorgungsstufen angebaut.Kalium wurde vorrangig als K2SO4 in optimaler und in unzureichender Mengeangeboten. Der Wasserstress wurde bei allen Pflanzen durch Dürre, bei denAckerbohnen zusätzlich auch über saline Bodenverhältnisse induziert. AlsKontrolle wurden die Varianten bei optimaler Bodenfeuchte angezogen. Durchdie salinen Bodenbedingungen wurde in den Pflanzen ein Stress ausgelöst,der zu einem geringeren Wachstum führte. Eine Ionentoxizität war an denBlättern der Ackerbohne nicht zu erkennen. Für die Versuche mit Ackerbohnenund Sommerweizen wurden Container (0,9 · 0,4 · 0,4 m, 120 L) verwendet.Damit war es möglich in einer Vegetationshalle unter kontrolliertenUmwelteinflüssen (kein Niederschlag) Bedingungen wie in einem Feldversuch(Bestandesdichte, Düngung) zu simulieren. In den Containern stand denPflanzen ein großes Bodenvolumen zur Verfügung, das gezielt gedüngt undbewässert wurde. Die Tomaten wuchsen in Mitscherlichgefäßen in einerKlimakammer.Da die Anlieferung von K durch Diffusion an die Wurzeln bei Dürrestress erschwertist, bot sich als weitere Möglichkeit die flüssige Applikation von K2SO4auf die Blätter an. Dies wurde einmalig mit einer 5%-Lösung bei den Ackerbohnenund den Tomaten durchgeführt.Alle Pflanzen erzielten durch eine bessere K-Versorgung einen höheren KEntzugund damit eine höhere intrazelluläre K-Konzentration. Das Wachstumwurde auch bei Wasserstress (Dürre und Salinität) maßgeblich durch dasbessere K-Angebot gesteigert. In den Pflanzen, die im salinen Substrat miteiner optimalen K-Versorgung aufwuchsen, konnte aufgrund desIonenantagonismus zwischen K+ und Na+ die Konzentration von Na signifikantverringert werden. Dabei wurde das K+ : Na+-Verhältnis erhöht.Die WUE konnte ebenfalls sowohl unter optimal feuchten Bodenverhältnissenals auch bei Dürrestress und Salinität durch eine höhere K-Versorgung verbessertwerden. Stand den Pflanzen mehr Kalium zur Verfügung, stieg derenabsoluter Wasserverbrauch an. Eine bessere K-Versorgung der Pflanzenresultierte nicht in einem verminderten Wasserverbrauch, die Transpirationbezogen auf die Blattfläche blieb unverändert. Allerdings bildeten die Pflanzendurchweg zwischen 5 und 25% in Spitzen bis zu 75% mehr TM.Die flüssige Applikation von K2SO4 auf die Blätter hatte einen positiven Effektauf die WUE. Bei den Tomaten war der Effekt bei Dürrestress sogar signifikantstärker ausgeprägt als bei optimaler Bodenfeuchte. Diese Beziehungkonnte auch bei der TM-Bildung belegt werden. Die Ackerbohnen profitiertenbis zum Zeitpunkt der Blüte davon. Die einmalige Applikation hatte jedoch nureinen kurzen Effekt. So verlor sich der besondere Einfluss bei den Tomatenbereits zum zweiten Erntetermin. Die Applikation zeigte im Ertrag der Ackerbohnekeinen besonderen Einfluss mehr.Der durch die bessere K-Versorgung hervorgerufene Anstieg der TMProduktionkönnte mit einer gesteigerten Effizienz der H+-ATPase begründetwerden. Damit könnte der Apoplast stärker angesäuert werden, was nach derSäure-Wachstums-Theorie zu einem besseren Wachstum führen sollte.Außerdem würde somit das optimale Milieu für die zellwandaufweichendenExpansine hergestellt. Die Zellwandextensibilität könnte bei unverändertemTurgor erhöht werden und somit zum Streckungswachstum beitragen. The aim of this work was to investigate the special effect of potassium (K) fertilizationon plant growth. It was determined whether the plant water economywas improved due to a higher K application and how the water-use efficiency(WUE) was changed. It was hypothesized that plants reduce their water demandand are able to produce more dry matter (DM), due to higher K fertilization.To test these hypotheses, field beans (Vicia faba L.), summer wheat (Triticumaestivum L.) and tomatoes (Solanum lycoprersicum L.) were grown undervarious potassium and water supply. K was applied mainly as K2SO4 in optimaland deficient amounts. All plants were tested under drought stress, whilethe field beans additionally suffered from saline soil conditions. Under saltstress, the plants only faced osmotic problems since no ion toxicity becameobvious. For the experiments with field bean and summer wheat, large containers(0,9 · 0,4 · 0,4 m; 120 L) were used to simulate field conditions. Thespace for each plant and fertilizer applied were according to field recommendations.Tomato plants were grown in Mitscherlich pots in a climatic chamber.Under drought stress, the diffusion of K to the roots is reduced, therefore thefoliar application of a 5%-K2SO4-solution was tested for field bean and tomato.All plants showed higher intracellular K concentration and higher K contentdue to an improved K supply. Plant growth also increased under water stressconditions (drought and salinity) under optimal K conditions. With additional Kapplication field beans cultivated under saline conditions were able to decreasethe concentration of sodium (Na) due to the antagonism between K+and Na+. Thus, the K+ : Na+ ratio increased by which development were notaffected by salt stress.In all plants, the WUE increased after increased K fertilization under both optimalwater conditions and drought as well as under salinity treatment. Thetotal water use was increased with higher K supply in all plants and did notresult in sparing water because transpiration was not decreased. However, thedry matter (DM) production of the plants increased between 5 and 25% as aresult of the higher K supply.The foliar application of K2SO4 showed a positive influence on the WUE. Fortomatoes this effect was significantly higher under drought stress than underoptimal soil water conditions. According to the increased WUE, the DM increasedsignificantly under drought stress because of the foliar application.The field beans tended to benefit from the foliar treatment until florescence.The one-time application of K2SO4 showed only a short-term effect. For tomatoesthis effect was disappeared at the second harvest, while yield of fieldbeans did not benefit from the foliar application at all.The increase of DM production as a consequence of the higher K applicationcould base on an increase in the efficiency of the plasma membraneH+-ATPase. Because of this, the acidification of the apoplast could increase,which leads to an increase of cell-wall-extensibility and cell growth accordingto the acid-growht-theroy. Furthermore, due to the apoplastic acidification theoptimum pH for cell-wall-loosening proteins such as expansions could achieveand cells were able to expand without changing the turgor.