Einfluß von Trocken- und Salzstreß auf die Ertragsbildung, die CO2-Assimilation, das Phytohormonsystem und die Konzentration an Mineralstoffen bei verschiedenen Kulturpflanzen

Abstract

Die zentrale Frage dieser Arbeit war, ob ein durch Trockenstreß (lokal begrenzte Niederschlagsmenge) reduzierter Ertrag in Mitteleuropa(z.B. im 'Hessischen Ried') durch Bewässerung mit NaCl-haltigem Wasser wieder aufgehoben werden kann. Es wurden Experimentedurchgeführt, um die physiologischen Zusammenhänge zwischen dem Phytohormonhaushalt, der CO2-Assimilation, der Synthese sog.compatible solutes (z.B. Prolin) und der Konzentrationen von K+, Ca2+, Mg2+, Na+ und Cl- im Gewebe aufzuklären. Feld- undGefäßversuche wurden mit der salztoleranten Zuckerrübe und den salzsensitiven Pflanzenarten Karotte und Weizen auf einem sandigenund einem schweren Boden durchgeführt. Im Gefäßversuch wurde der Trockenstreß (35% Wasserkapazität) bei Weizen während desÄhrenschiebens und bei Zuckerrübe und Karotte während des vegetativen Wachstums in einem kurzen Zeitraum von 10 Tagen gesetzt(Kontrolle: 60% Wasserkapazität). Die Salzbehandlung wurde mit 1350 mg NaCl/l durchgeführt, um eine Salzakkumulation im Boden zusimulieren. In einer weiteren Variante wurde auch der kombinierte Trocken-/Salzstreß untersucht. Nur auf dem schweren Boden zeigtensich Ertragszuwächse bei der Zuckerrübe durch die Bewässerung mit NaCl-haltigem Wasser; auf dem Sandboden zeigte sich imVergleich zum Trockenstreß insbesondere bei den sensitiven Pflanzenarten bei Salzstreß eine stärkere Ertragsdepression. Daher ist eineBewässerung mit salzhaltigem Wasser nur bei salztoleranten Pflanzen von Vorteil, allerdings auch nur bei adäquater Drainage, um eineSalzakkumulation im Boden zu verhindern. Die Ertragsdepression durch Trockenstreß könnte bei allen Pflanzenarten mit der vermehrtenSynthese an Prolin zusammenhängen, was viel zusätzliche Energie kostet und demnach nicht für die Ertragsbildung zur Verfügung steht.Bei Weizen war die Ertragsdepression am stärksten und war auf grund der gegenüber Trockenstreß empfindlichen Phase während desÄhrenschiebens hautsächlich auf eine Reduktion der Kornzahl der Ähre zurückzuführen. Die Salzapplikation bei der Karotte führte imUnterschied zur Zuckerrübe zu einem K+-Mangel und möglicherweise auch zu einer wenig effizienten zellulären Na+-Kompartimentierungmit negativen Konsequenzen für Blattwachstum und CO2-Assimilation. Die Ertragsminderung bei Weizen war bei Salzstreß am höchsten,denn neben einer geringeren Kornzahl war auch die Kornfüllung negativ beeinflußt. Die kleinen Körner bei Salzstreß waren vermutlich aufeine Notreife (hohe ABA-Konz.) zurückzuführen. Bei Zuckerrübe und Karotte werden die hohen Konzentrationen an ABA in der Wurzel alsSignal für die Stomataregulation diskutiert. Alle anderen Phytohormone zeigten keine Beziehung zum Trocken- und Salzstreß. Zur Analyseder Phytohormone wurden diese aufgereinigt (gewebespezifische Reinigungsschritte) und mittels ELISA bestimmt. The central question of this work was of whether yield depression of crop plants by drought stress in the humid climatic zone can beovercome by irrigation with saline water. The 'Hessische Ried' in the rhine valley is such a region in Central Europe where a lack of watercan restrict growth as a consequence of irregular distribution of rainfall. In addition, experiments were conducted to understand thephysiological relationships between phytohormones, CO2 assimilation, synthesis of compatible solutes (proline) and the concentrations ofK+, Ca2+, Mg2+, Na+ and Cl- in the plant tissue. Field and pot experiments were conducted with the salt-tolerant sugar beet and the saltsensitive species carrot and wheat on sandy and heavy-textured soils. In the pot experiment plants were grown on sandy soils with 60%water capacity. Drought stress (35% water capacity) was applied during a short period of 10 days during ear emergence in wheat and during thevegetative growth period in sugar beet and carrot. In the salt treatments plants were watered together with high concentrations of NaCl(1350 mg/l) in order to mimick the accumulation of NaCl in the soil. In a further treatment also the combined effect of drought and salt stresswas investigated. Irrigation of NaCl showed only on heavy-textured soils yield increases in the salt-tolerant sugar beet; salt application onsandy soils, in particular to the sensitive crop species led to larger yield depressions than drought stress. Consequently, irrigation of salinewater is only of advantage in the cultivation of salt-tolerant plants, however, only when salts can be flushed out from the soil by drainage.Yield depression by drought stress in all species could be related to the increased synthesis of proline which requires much energy and isthus not available for growth and biomass production. Yield depression in wheat was most pronounced and was mainly the consequence ofa reduced number of grains per ear due to the high sensitivity of cereals to drought stress during anthesis. In contrast to sugar beet, saltapplication to carrot led to K+ deficiency and probably also to an inefficient cellular compartmentation of Na+ which both may have affectedleaf growth and CO2 assimilation. Yield depression in wheat under salt stress was highest because apart from a reduced grain number perear in addition grain filling was affected. The small grains under salt stress are probably related to the premature termination of grain growthand filling by increased levels of ABA. In sugar beet and carrot increased levels of ABA have been found in the root which are discussed asa signal for the leaf in order to regulate stomatal water loss. All other phytohormones showed no relationsship to drought and salt stress. Formeasuring the phytohormones the ELISA technique was used. Prior to analysis phytohormones had to be isolated and purified (e.g. byHPLC) from the plant tissue by tissue-specific steps.