Warum macht Nährstoffmangel die Kulturpflanzen empfindlicher gegen Umweltstress?

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1 Warum macht Nährstoffmangel die Kulturpflanzen empfindlicher gegen Umweltstress? Ismail Cakmak Sabanci University, Istanbul

2 Heute wird weniger als 25% des Ertragspotentials von Kulturpflanzen erreicht, da aufgrund der vielen abiotischen Stressfaktoren wie Trockenheit, Hitze, starke Sonneneinstrahlung, Nährstoffmangel

3 Verminderung Decreases in im Record Rekordertrag Yield Capacity der Pflanzen of Crop durch Plants biotische by Abiotic und abiotische and Biotic Stressfaktoren Factors Losses by abiotic stress Losses by biotic stress Present average yield CORN SOYBEAN 66% 69% 10% 24% 9% 22% Record Yield: (tonnes ha -1 ) Source: Bray et al., 2000, In Molecular Biology and Biochemistry of Plants, ASPP

4 Nährstoff- NUTRIENT DEFICIENY mangel HOHE SALZGEHALT TROCKENHEIT FROST ABIOTISCHE STRESS HITZE OZON HOHES LICHT / UV UBERFLUTUNG

5 Es gibt zunehmende Hinweise darauf, dass sich die Empfindlichkeit der Pflanzen gegenüber abiotischen Stressfaktoren erhöht, wenn die Pflanzen nur unzureichend mit Mineralstoffen, wie Kalium, Magnesium, Calcium und Zink, versorgt wird

6 REMEMBER: Photosynthetische Elektronentransport und Bildung von freien Radikalen LIGHT STROMA THYLAKOID O 2 O 2.-, H 2 O 2, OH. Toxic O 2 Species PSII PSI e - 2H 2 O O 2 ADP Cakmak, 2005, Soil Sci. Plant Nutr. ATP CO 2 Stomatal CO 2 Flux Sucrose Phloem Export

7 REMEMBER: Photosynthetische Elektronentransport und Bildung von freien Radikalen CELL DAMAGE LIGHT STROMA THYLAKOID O 2 O 2.-, H 2 O 2, OH. Toxic O 2 Species PSII PSI e - Nahrstoff- Mangel 2H 2 O O 2 ADP ATP Cakmak and Kirkby, 2008 Physiol. Plant Stomatal CO 2 Flux CO 2 Sucrose Phloem Export

8 Zellschäden durch freie Radikale

9 K und Mg: Photosynthesis : Mg/K Mg/K Mg/K Transport Mg and K beeinflussen i) Produktion von ATP und Elektronen bei der Photosynthese, ii) erhöhen Aktivität von Enzymen die bei der Fixierung von CO2 erforderlich sind, und iii) stimulieren Transport von Kohlenhydraten aus den Blattern. Marschner, 2012

10 Magnesium ist Zentralatom von Chlorophyll. Blatt chlorose ist typisch bei Mangel an Mg

11 Mg fördert CO2 Fixierung und stimuliert Ribulose -1,5,-bisphosphate (RuBP) carboxylase Modulation of RuBP carboxylase in the stroma of chloroplasts for CO 2 fixation is another key reaction by Mg! CO 2 fixation (relative) Mg 2 + Mg ph H + H + Thylakoid h Mg CO 2 Mg RuBPcarbox. Stroma 2 x Triose P Photo respiration Marschner, 1995

12 Beziehung zwischen Nettophotosyntheserate pro Blattflächeneinheit und K-Gehalt in Blättern Nach IPI, 1977

13 Transport von Photoassimilaten Verlagerung von Kohlenhydraten aus den Blattern in die wachsende Teile der Pflanzen (wie Wurzeln, Blüte, Samen )

14 Sink Source Sink Sink

15 Source (Blattern) Sink (Wurzeln, Samen, Früchte.. )

16 Mg und K werden für die Verlagerung von Kohlenhydraten aus den Blattern in die wachsende Teile der Pflanzen benötigt K/Mg K/Mg

17 Anreicherung von Kohlenhydraten in Bohnenblaettern unter Mg und K Mangel Cakmak et al., 1994b, J. Exp. Bot.

18 Einfluss von Mg- Ernährung auf Gehalte von Saccharose und Chlorophyll in Blattern Hermans et al., 2004 Plan

19 Starke Anreicherung von Saccharose in Mg- Mangelblättern durch eine Hemmung der Phloembeladung - Mg Days 12 +Mg - Mg Days 16 +Mg Messung von Stärke über Jod - Verfärbung. Die intensive Blau- Verfärbung zeigt höhere Anreicherung von Starke - Mg Days 20 +Mg Hermans et al., 2005 Planta 220:

20 Saccharose-Anreicherung in Blattern in Abhängigkeit von Blatt-K-Gehalte in Baumvolle Blstt-Saccharose Blatt- K Relationship between sucrose and potassium concentrations in the first expanded leaves of cotton Gerardeaux et al., 2009, Plant Soil

21 Einfluss von K + und Mg 2+ auf die Sucroseakkumulation in isolierten Vakuolen von Roter Rübe Angebot K + Mg Sucrosespeicherung ( 14 C Aktivitaet) Nach Doll et al., Planta 144, (1979)

22 Konsequenzen für Pflanzenwachstum

23 Bevor das Sprosswachstum beeinflusst wird, wird das Wurzelwachstum durch Mg-Mangel stark vermindert +Mg -Mg -Mg Cakmak et al., 1994a J. Exp Bot.

24 Einfluss von Kalium auf Spross und Wurzel-Wachstum in Bohnen Genugend Mangel Cakmak et al., 1994 J. Exp Bot

25 Weizenpflanzen Sehr Gering Gering Medium Ausreichend Zunehmende Mg-Angebot Low Mg Adequate Mg

26 Verteilung von Kohlenhydraten zwischen Wurzeln und Spross in Bohnenpflanzen in Abhängigkeit von K- und Mg-Angebot Control K deficiency Mg deficiency Root 16 % Root 3 % Root 1 % Shoot 84 % Shoot 97 % Shoot 99 % Cakmak, 2005; Plant Nutr. Soil Sci;

27 Veränderungen in Spross/Wurzel Verhältnis in Abhängigkeit von N-,P-, K- und Mg-Angebot in Silver Birch (Gelb Birke?) Keimlingen McDonald et al J. Exp. Bot

28 Ein gehemmtes Wurzelwachstum kann vielseitige Konsequenzen haben, z.b., verminderte Aufnahme von Wasser und Nährstoffen auf ertragsschwachen Böden

29 Soluble Carbohydrate Concentrations (mg cm -2 ) of Old and Young Maize Leaves Mengutay et al, 2013, Plant and Soil

30 Empfindlichkeit von K- und Mg- Mangelpflanzen gegenüber hohe Lichtintensität

31 Photosynthetische Elektronentransport und Bildung von freien Radikalen LIGHT STROMA THYLAKOID O 2 O 2.-, H 2 O 2, OH. Toxic O 2 Species PSII PSI e - 2H 2 O O 2 ADP Cakmak, 2005, Soil Sci. Plant Nutr. ATP CO 2 Stomatal CO 2 Flux Sucrose Phloem Export

32 Photosynthetische Elektronentransport und Bildung von freien Radikalen LIGHT STROMA CELL DAMAGE THYLAKOID O 2 O 2.-, H 2 O 2, OH. Toxic O 2 Species PSII PSI e - KMg DEFICIENCY 2H 2 O O 2 ADP ATP Cakmak and Kirkby, 2008 Physiol. Plant Stomatal CO 2 Flux CO 2 Sucrose Phloem Export

33 Mg-Mangelpflanzen sind sehr Lichtempfindlich hohes Licht niedriges Licht Wachstum von Bohnenpflanzen unter niedrigem Mg-Angebot Cakmak and Kirkby, 2008, Physiol Plant

34 Nicht-schattiert schattiert Einfluss von Blattschattierung auf Entwicklung von Mg-Mangelsymptome Cakmak and Kirkby, 2008, Physiol Plant

35 Einfluss von teilweiser Schattierung auf Erscheinung von Mg-Mangelsymptomen

36 Mg-Mangelpflanzen sind sehr empfindlich gegenüber hohe Lichtstrahlung Schattiert Nicht Schattiert Cakmak and Kirkby, 2008, Physiol Plant

37 Partially shaded Mg-deficient leaves

38 K-Mangelpflanzen sind auch Lichtempfindlich Low light High light Marschner and Cakmak, 1989

39 Enhancement of photooxidative damage in K-deficient leaves NON-SHADED SHADED Partially shaded K-deficient bean leaves Marschner and Cakmak, 1989, J. Plant Physiol

40 Magnesium und Kalium schützen Pflanzen vor hoher Strahlung

41 Pflanzen unter Mg-Mangel sind auch sehr empfindlich gegenüber Hitze-Stress

42 Pflanzen unter Mg-Mangel sind sehr Hitze-Empfindlich Gering Mg Ausreichend Mg Gering Mg Ausreichend Mg 25 O C 35 O C

43 Mais unter Mg-Mangel ist mehr Hitze-Empfindlich Gering Mg Ausreichend Mg Gering Mg Ausreichend Mg 25 O C 35 O C

44 Low Mg at 25 O C Mengutay et al., 2013

45 Low Mg at 35 O C Mengutay et al., 2013

46 Adequate Mg at 35 O C Mengutay et al., 2013, Plant Soil

47 Low Mg at 35 O C Mengutay et al., 2013, Plant Soil

48 Genugend K-Ernahrung ist benötigt um hohe Rate von Photosynthese unter Trockenheit zu Gewährleisten no water stress severe water stress Photosynthesis (µmol CO 2 m -2 s -1 ) Low Medium Adequate K supply Sen Gupta et al., 1988, Plant Physiol.

49 Pflanzen sind oft einem Überschuss an Lichtenergie ausgesetzt Lichtschaden

50 Abfuhr überschüssiger Energie aus dem Chloroplasten durch Xanthophyll-Kreislauf Überschussige Lichtenergie Ableitung von Überschussige Energie als Warme Violaxanthin Antheraxanthin Zeaxanthin

51 Tägliche Veränderungen in Xanthophylle in Sonnenblumen-Blättern VIOLAXANTHIN ZEAXANTHIN

52 Der Einfluss von exogenem Ca auf die Ableitung überschüssiger Anregungsenergie im Fotosystem II (PSII) und im Xanthophyll-Kreislauf von Erdnusspflanzen unter Hitzeeinfluss (40 C) und Strahlungsstress wurden untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Ca 2+ dazu beitragen kann, das Fotosynthese-System von Erdnusspflanzen unter Hitze- und Strahlungsstress vor schwerwiegender Fotoinhibition zu schützen. Dies geschieht durch Xanthophyll-Kreislauf abhängige thermale Energieableitung

53 Vom Xanthophyll-Kreislauf abhängige thermale Energieableitung in Erdnussblättern in Abhängigkeit von der Ca-Behandlung unter Hitze und Bestrahlungsstress NPQ (non-photochemical quenching): Vom Xanthophyll-Kreislauf abhängige thermale Energieableitung Ca- behandelte Pflanzen Kontrollpflanzen Zeit (h) Yang et al., 2013, PLOS

54 Lipid-Peroxidation (Membranschädigung) beeinflusst durch niedrige und hohe Ca- Behandlung in Pflanzen unter Hitzestress Kontrolle: ohne Hitzestress Lipid-Peroxidation peroxidation (nmol g -1 FW) Low Ca High Hoch Ca Control Niedrig Ca Kontrolle Days of Tage treatment Jiang and Huang, 2001, J. Exp. Botany

55 Oxidative Schädigung und Überlebens-Fähigkeit in Arabidopsis in Abhängigkeit von Hitze und Ca-Behandlung µg MDA g -1 FW Membrane Schädigung 20 o C 40 o C % survival Überlebens-Fähigkeit Control CaCl 2 Control CaCl 2 Larkindale et al., Plant Physiol. 2002, 128:

56 Schlussfolgerungen Verminderte Phloemtransport von Kohlenhydraten in die generativen Organe unter K- oder Mg-Mangel reduziert beachtlich Samenbildung und Samengrösse

57 +Mg -Mg Hemmung des Wurzelwachstums ist die erste Störung in Pflanzen unter Mg-und K-Mangel Ein gehemmtes Wurzelwachstum kann vielseitige Konsequenzen haben, z.b., verminderte Aufnahme von Wasser und Nährstoffen auf ertragsschwachen Böden

58 Blattapplikation Während der Samenbildung gibt es einen verstärkten Abtransport von Kohlenhydraten aus den Blättern in die generativen Organe. Aufgrund dessen ist eine Ausreichende Mg- oder K- Ernährung der Pflanzen unentbehrlich für eine hohe Translokation von Kohlenhydraten aus den Blättern in die generativen Organe. Daher ist eine späte Blattapplikation von Mg- und K-Düngern empfehlenswert.

59 Mg und K schützen Pflanzen gegen hohe Strahlung, welche unter Stressbedingungen eine erhöhte Produktion von aggressiven Radikale auslösen.

60 Calcium reguliert und verbessert die pflanzliche Abwehrmechanismen gegen Stressfaktoren, vor allem Hitze. Kurzzeitige [Ca 2+ ]-Erhöhung in Cytosol ist eine universelle Antwort auf Stress und für die Erzeugung einer physiologischen Reaktion entscheidend.

61 Sabanci University Vielen Dank... Thank you Sabanci University