Quantifizierung des Wasserhaushalts von Asparagus officinalis L. unter besonderer Berücksichtigung von Trockenstress

Abstract

Es sind Untersuchungen zur Quantifizierung des Wasserhaushalts von Asparagus officinalis L. mit Ausrichtung auf Trockenstress durchgeführt worden. Hintergrund dieser Studie ist eine Optimierung der Wasserversorgung von Spargelkulturen durch eine Anpassung der Bewässerungssteuerung an den pflanzlichen Wasserbedarf. Ziel war es, anhand von pflanzeninternen hydraulischen Parametern eine Einschränkung des Wasserhaushalts durch Trockenheit aufzuzeigen, bevor Trockenschäden an der Pflanze entstehen. In diesem Kontext wurde geprüft, ob mit kritischen Schwellenwerten präventive Maßnahmen gegen Trockenstress im Spargelanbau abzuleiten sind. Dazu sind die zwei wirtschaftlich relevanten Bleichspargelsorten Gijnlim und Grolim mit unterschiedlichem Ertragspotenzial und Trockenanfälligkeit im Anbau physiologisch und morphologisch miteinander verglichen worden. Anhand dieses Sortenvergleichs wurde geklärt, welche Strategien der Trockenstressvermeidung bzw. -toleranz sortenspezifisch sind. Im Gewächshaus wurden optimal bewässerte Spargelpflanzen mit voll entwickelten Trieben in 15 l-Containern durch Bewässerungsstopp und Evapotranspiration ausgetrocknet. Dabei wurden an Seitentrieben das Wasserpotenzial (psixyl) frühmorgens, die hydraulische Leitfähigkeit (Lh) und der stomatäre Gaswechsel gemessen. Für die Untersuchung der Lh ist eine spezielle Messapparatur für die krautigen Triebe entwickelt worden. Die dabei angewandte Methode erwies sich für Spargel als erfolgreich, trockenheit-induzierte Embolien im Wasserleitsystem festzustellen. Die Stomatamorphologie und die Wasserrückhalte-Charakteristik von Triebgewebe sind an ungestressten Pflanzen ermittelt worden. "Grolim" weist durch die von "Gijnlim" stark unterschiedliche Stomata-Charakteristik höhere maximale Assimilationsraten und eine bessere Steuerung der Stomata auf. Bei starker Luft- oder Bodentrockenheit deutet die höhere Empfindlichkeit von "Grolim"-Stomata auf bessere Schutzmechanismen vor schädigenden Wasserverlusten hin. Triebe von "Grolim" gewährleisten mit ihrer höheren maximalen Lh eine bessere Wasserversorgung der Assimilationsorgane als Triebe von "Gijnlim". Aus hydro-physiologischer und morphologischer Sicht sind bei Trockenheit sowie optimaler Bodenfeuchte die Triebe von "Grolim" gegenüber "Gijnlim" hinsichtlich ihrer Produktivität im Vorteil. Die Gesamtbetrachtung aller hydraulischen Parameter zeigte keine wesentlichen Sortenunterschiede in der Reaktion auf moderaten Trockenstress. Die Wasserführung bis zum Beginn der schädigenden Luft- und Bodentrockenheit ist somit artspezifisch. Beide Spargelsorten zeigen einen trockenresistenten Wasserhaushalt. Unter starkem Trockenstress verfolgt "Gijnlim" die Überlebensstrategie der Trockentoleranz und "Grolim" die der Trockenheitmeidung. Für den einsetzenden Trockenstress lagen die Schwellenwerte der hydraulischen Parameter für beide Sorten indifferent in dem Bodensaugspannungsbereich um - 600 hPa. Ab diesen Werten traten massive Änderungen des pflanzlichen Wasserhaushalts auf. Als erster Prozess wurde der H2O- und CO2-Gaswechsel beeinträchtigt. Die Bildung von Kavitationen in den Leitbahnen steuerte die Absenkung des psixyl. Der damit verringerte Turgor der Phyllokladien bewirkte eine starke Einschränkung der stomatären Blattleitfähigkeit (gH2O). Trotz reduzierter gH2O wurde die Abnahme der Lh in den Seitentrieben nicht vermindert. Die Steuerung des psixyl erfolgte aufgrund des anisohydrischen Charakters der Spezies sortenindifferent nicht zur Prävention vor zu starken Wasserverlusten. Die reduzierte Spaltöffnung verhinderte nicht die Bildung von Embolien in den Leitbahnen. Der vollständige und dauerhafte Ausfall des Wassertransports zu den Assimilationsorganen trat sortenunterschiedlich für "Gijnlim" bei -700 und für "Grolim" bei -800 hPa ein. Unterhalb dieser Saugspannung wurde der letale Turgorverlust der Triebe festgestellt. Der Wasserversorgungszustand und die Photosyntheseleistung beider hydrolabilen Sorten wurden bis zum Erreichen der Schwellenwerte auf hohem Niveau gehalten. Somit ist es möglich, mit den angewandten und entwickelten Methoden, Trockenstress frühzeitig nachzuweisen. Die für viele Kulturen implementierte pflanzliche Größe, das frühmorgendliche psixyl, stellt sich auch für Spargel als geeignet zur Bewässerungssteuerung heraus. Nach einer Anpassung der kritischen Schwellenwerte der Modell-Pflanzen an Freilandbedingungen kann Wassermangel im praktischen Anbau erkannt und rechtzeitig behoben werden. Water relations of asparagus officinalis L. were investigated concerning drought stress. The motivation of this study was to determine if drought stress could be prevented in the crop by optimizing water supply in response to plant water demands, through the manipulation of irrigation practices. The aim was to reveal drought-induced limitations in water relations on the basis of plant hydraulic parameters before damage to the plant occurred. The identification of thresholds pointing out the onset of drought stress was desired in order to transfer this knowledge into irrigation practices that prevent water stress. Two white asparagus cultivars, with high commercial relevance in Germany and with contrasting differences in yield and drought susceptibility during cultivation, were compared at both the physiological and morphological level. With this comparison, plant strategies concerning the avoidance or tolerance of drought stress were associated with hydraulic attributes of the cultivars and the species, respectively. One-year old plants were cultivated in 15 L pots in a greenhouse under optimal water supply until branches were fully developed. Subsequently, plants were gradually desiccated by evapotranspiration and irrigation stop. During desiccation course, water potential (psixyl) at predawn, hydraulic conductivity (ch) and gas exchange were determined on lateral ferns. For this, a novel ch-measuring system, adapted for the herba-ceous monocot asparagus, was designed. The methodology of this new measuring technique was successful in determining drought-induced embolisms in the water-conducting system. The stomatal properties, "stomata density" and "pore length", and water retention characteristics of cladophyll tissue were determined in unstressed plants. Due to extremely different stomatal characteristics, "Grolim" showed higher maximum assimilation rates and better stomatal control than "Gijnlim". Under high evaporative demand and soil drought, the more sensitive stomatal regulation of "Grolim" indicates a more efficient protective mechanism against detrimental water loss. The higher maximum ch in ferns of "Grolim" ensures a better water supply of the assimilation organs than of "Gijnlim". For productivity purposes, "Grolim" ferns benefit more from hydraulic and morphologic features than "Gijnlim". The interpretation and combination of all hydraulic parameters indicated no substantial cultivar differences. Therefore, the water management of asparagus until the onset of detrimental evaporative demand and soil drought seems to be typical for this species. Both cultivars demonstrate drought resistant hydraulics. This research sug-gests that during periods of drought, "Gijnlim" employs a strategy of drought tolerance whereas "Grolim" employs one of drought avoidance. The thresholds derived from hydraulic parameters at the beginning of drought stress were almost equal for "Gijnlim" and "Grolim", at a matric potential of approximately -60 kPa. Below this value, strong changes appeared in water relations of the plants. The first affected process was the gas exchange of water vapour and carbon dioxide. The formation of cavitations in xylem conduits controlled the debasement of psixyl in cladophylls. The following decrease in turgor pressure resulted in an increased limitation of stomatal conductance (gs). Despite reduced gs, the decrease of the ch was not impeded. psixyl in cladophylls was not controlled in order to prevent extreme water loss due to the anisohydric character of this species. Lowering the gs did not avert the formation of embolisms. Complete loss of ch appeared in ferns of "Gijnlim" at a matric potential (psi) of -70 kPa and for "Grolim" at -80 kPa. Below this psi-range the lethal turgor pressure loss was determined. The water status and the photosynthetic activity of both anisohydric cultivars were maintained at a high level until psixyl and psi reached the thresholds for drought stress. These results suggest that the applied and developed methods used in this study were successful in detecting the onset of drought stress in asparagus plants. The frequently used predawn psixyl-measurement in irrigation management of crops has promise for asparagus crops, too. The application of the critical thresholds of these model experiments into field conditions enables the recognition and subsequent avoidance of water deficiency in practice.