Aufnahme, subzelluläre Verteilung und Translokation von blattappliziertem Phosphor und dessen Auswirkung auf die Entwicklung von Maispflanzen (Zea mays L.) unter Phosphormangel

Phosphor (P) ist ein unentbehrlicher Makronährstoff für das Wachstum von Pflanzen. Zum Beispiel hat Mais während der Jugendentwicklung einen hohen Bedarf an anorganischem Phosphat im wurzelnahen Raum. Kälte und Trockenheit können zudem die P-Aneignung von Mais verringern und sich negativ auf den Ertrag auswirken. Außerdem kommt erschwerend hinzu, dass herkömmliche P-Düngemittel eine geringe Nutzungseffizienz aufweisen. Dies verstärkt die Problematik der diffusen P-Verluste von landwirtschaftlich genutzten Flächen. Unter dem Aspekt einer effizienteren P-Versorgung von Kulturpflanzen, könnte die P-Blattdüngung eine Möglichkeit zur gezielten Behebung von auftretenden P-Mangelsituationen darstellen. Zwar ist die P-Blattdüngung kein neues Verfahren, jedoch ist wenig über die Aufnahme von P über das Blatt unter Mangelbedingungen bekannt. Die wissenschaftlichen Schwerpunkte dieser Arbeit lagen dabei in der Verteilung des blattapplizierten Phosphors auf die subzellulären Kompartimente Apoplast und Symplast, auf der Translokation innerhalb der Pflanze, auf der Entwicklung der Biomasse sowie auf dem Einfluss der Konzentration der Applikationslösung auf die Aufnahme und die notwendige Applikationshäufigkeit. In Hydrokultur, unter kontrollierten Bedingungen im Gewächshaus, konnte gezeigt werden, dass Maispflanzen mit akutem P-Mangel blattappliziertes Phosphat aufnehmen können. Dabei stellte sich heraus, dass die P-Konzentrationen von behandelten Pflanzen vor allem innerhalb der ersten 6 Stunden nach erfolgter Applikation in allen Pflanzenteilen stark angestiegen sind. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Zellwandeigenschaften und die Ionenverhältnisse im Blattapoplasten keinen negativen Einfluss auf die Bewegung der blattapplizierten P-Ionen hat. Vielmehr wurde das blattapplizierte P unmittelbar in die metabolisch aktiven zellulären Kompartimente der Epidermis- und Mesophyllzellen aufgenommen. Dabei erfolgte die Aufnahme von blattappliziertem P unabhängig von der benetzten Blattseite (ad-, abaxial). Die deutlich erhöhte P-Konzentration in den Leitbündeln belegte zudem eine rasche Translokation von blattappliziertem P aus dem Blatt. Dabei dominierten die Wurzeln und der wachsende Spross als Sinkorgane. Eine dreimalige Blattapplikation führte nicht nur zu einer erhöhten P-Konzentration und einem verstärkten Spross- und Wurzelwachstum, sondern konnte auch einem P-Mangel, beispielsweise in Form von verfrühter Blattseneszenz oder verringerter Blattfläche entgegenwirken. Durch eine Verdoppelung der Nährstoffkonzentration, bei gleichbleibender P-Aufwandmenge, konnte auf eine zusätzliche Blattapplikation verzichtet werden. Dennoch sollte die P-Konzentration nicht beliebig erhöht werden, da stark erhöhte Konzentrationen zu Schädigungen der Blattstruktur oder von physiologischen Prozessen im Blatt führen. In Gefäßversuchen mit Bodensubstrat führte die P-Blattdüngung zu einer höheren Konstanz der Trockenmasse und des Kornertrags. Der Anstieg der P-Konzentration war bei Pflanzen mit keiner oder geringer P-Bodendüngung stärker. Eine vollständige Translokation des blattapplizierten Phosphats erfolgte jedoch erst während der Kornfüllungsphase. Warum sich der aus einer Blattdüngung resultierende Effekt auf den P-Status der Pflanze nicht in einer signifikant erhöhten Biomasse oder einem höheren Kornertrag niedergeschlagen hat, muss jedoch in weiteren Forschungsvorhaben untersucht werden. Die Ergebnisse der vorgelegten Dissertation zeigen anschaulich, dass die P-Blattdüngung nicht nur als eine strategische Anwendung in günstigen Jahreszeiten zur Ausschöpfung des Ertragspotentials genutzt werden kann, sondern auch unter starken Mangelbedingungen die Möglichkeit zur Verbesserung des Nährstoffhaushaltes bieten kann.Phosphorus (P) is an essential macronutrient for plant growth. For example, maize has a high demand for inorganic P in the root zone during juvenile development. Cold and drought conditions can reduce P acquisition by maize and negatively impact yield. In addition, conventional P fertilizers have a low fertilizer-use efficiency. This increases the problem of diffuse P losses from agricultural land. Foliar P fertilization might however provide a more efficient P supply and specifically ameliorate P deficiencies. Although foliar P fertilization is not a new technique, little is known about foliar P uptake under deficiency conditions. The scientific focus of this work has been on the distribution of foliar-applied P to subcellular compartments of the leaf (e.g., apoplast and symplast), translocation within the plant, biomass development, and the influence of spray concentration on uptake and required application frequency. In the greenhouse, maize plants grown under conditions of acute P deficiency by hydroponics have been shown to be able to take up foliar applied P. The P concentrations within the treated plants increase significantly in all parts of the plant, especially during the first 6 hours after application. Moreover, cell wall properties and ion ratios in the leaf apoplast do not negatively affect the movement of foliar applied P ions. Instead, foliar applied P is taken up directly into the metabolically active cellular compartments of the epidermal and mesophyll cells. In addition, the uptake of foliar applied P occurs independently of the wetted leaf side (ad-, abaxial). The markedly increased P concentration in the vascular bundles provides evidence of the rapid translocation of foliar applied P from the leaf. The roots and the growing shoot dominate as sink organs. On the one hand, a triple foliar application results in an increased P concentration and enhanced shoot and root growth, and on the other hand, counteracts symptoms of P deficiency, e.g., premature leaf senescence or reduced leaf area. By doubling the nutrient concentration, but at the same P application rate, an additional foliar application can be omitted. Nevertheless, the P concentration should not be increased arbitrarily, since strongly increased concentrations lead to damage of the leaf structure or of physiological processes in the leaf. The results of this work show that foliar P fertilization not only can be used as a strategic application in favorable seasons to exploit yield potential, but can also provide the opportunity to improve nutrient balance under severe deficiency conditions