Variability of drought stress responses among barley genotypes and the impact of biologicals on drought stress tolerance
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Beschreibung
Trockenstress tritt derzeit immer häufiger und intensiver auf. Die dadurch verursachten Ertragsverluste bei Getreide wie Sommergerste sind das Hauptproblem für Landwirte. Im Gegensatz zu qualitiativ vererbten Pflanzenkrankheiten wie Braunrost ist Trockenstress sehr quantitativ hinsichtlich des Zeitpunkts, der Intensität und Dauer des Auftretens. Aus diesem Grund ist die Identifizierung von Parametern, die für die Trockenstresstoleranz bei bestimmten Gerstengenotypen verantwortlich sind, von entscheidender Bedeutung. Allerdings können Parameter, die für späten Trockenstress günstig sind, gleichzeitig nachteilig für Trockenstress in frühen Entwicklungsstadien sein und umgekehrt. Da sich die meisten Studien auf Trockenstress in den späteren Entwicklungsstadien fokussiert haben, wurden in dieser Arbeit physiologische, metabolische und ertragsrelevante Parameter bei verschiedenen Sommergerstengenotypen unter frühen Trockenstressbedingungen untersucht, um die Zusammenhänge zwischen den Parametern zu ermitteln und auch die Parameter, die am stärksten mit einer frühen Trockenstresstoleranz in Verbindung gebracht werden können.
Zuerst wurden elf Genotypen auf ihr Wurzelverhalten unter frühen Trockenstress im hydroponischen System mit Polyethylenglykol (PEG) als osmotischen Stressor untersucht. Jedoch zeigte sich, dass PEG konsistent den Wurzeldurchmesser im Vergleich zu den Kontrollvarianten erhöhte. Beim Vergleich von PEG-behandelten Wurzeln mit Wurzeln, die unter Trockenstress in Sand wuchsen, zeigte sich, dass der Wurzeldurchmesser bei den Pflanzen unter Trockenstress signifikant (P < 0.05) geringer war als bei der Kontrolle. Zudem war die Korrelation der Sproßbiomasse bei Pflanzen unter Feldbedingungen mit denen, in in Sand gefüllten Töpfern wuchsen, höher als bei denen, die im hydroponischen System mit PEG gewachsen waren. Dahingehend stellte sich als Reslutat dieser Studie heraus, dass PEG für die Untersuchung von Wurzelparameter unter frühen Trockenstress bei Sommergerste ungeeignet ist.
Der zweite Teil der Arbeit war die Untersuchung von 40 diversen Sommergerstengenotypen in einem Gewächshausexperiment auf ihre frühe Trockenstresstoleranz (BBCH 13 - BBCH 53) und sie anhand der untersuchten Parameter in verschiedene Trockenstresstoleranzgruppen (sensitiv, neutral, tolerant) einzuteilen. Anschließend wurden Parameter und deren Ausprägung identifiziert, die die trockenheitstolerante Gruppe am besten charakterisieren. In dieser Arbeit wurde die Trockenstresstoleranz durch eine hohe Kornbiomasse (d.h. Ertrag) definiert. Neben einem höheren Ertrag zeichneten sich die trockenstresstoleranten Genotypen durch eine signifikant (P < 0,05) höhere Wasseraufnahme während der Wiederbewässerungsphase und eine geringere Akkumulation von Prolin und löslichem Zucker im Fahnenblatt, sowie eine niedrigere Osmolalität im Vergleich zu den neutralen und sensitiven Genotypen, aus. Interessanterweise zeigten die sensitiven Genotypen neben einer signifikant (P < 0,05) erhöhten Akkumulation der oben genannten Metaboliten auch die signifikant (P < 0,05) höchste Wassernutzungseffizienz (WUE) während des Trockenstresses und der Wiederbewässerungsphase.
Darüber hinaus wurden zehn Genotypen für weitere Untersuchungen unter Feldbedingungen selektiert, wobei jede Trockenstresstoleranzgruppe vertreten war. Die Feldversuche wurden durchgeführt, um die zuvor beobachteten Zusammenhänge und Ausprägung der Parameter zu verifizieren. In diesem Zusammenhang wurden signifikante positive Korrelationen unter Trockenstress zwischen Gewächshaus- und Feldbedingungen insbesondere für ertragsbezogene Merkmale wie Anzahl Ähren (r = 0,58; P < 0,05), Körner pro Ähre (r = 0,84; P < 0,05) und Kornbiomasse (r = 0,41; P < 0,05) beobachtet. Überraschenderweise war der Prolingehalt in beiden Umwelten signifikant negativ mit der Kornbiomasse korreliert (r = -0,66 im Gewächshaus und r = -0,55 im Feld; P < 0,05), obwohl Prolin häufig im Zusammenhang mit Trockenstresstoleranz erwähnt wird. Diese Ergebnisse heben die Notwendigkeit hervor, Experimente mit frühem Trockenstress bis zur Reife fortzusetzen, da die Ausprägung und der Effekt eines bestimmten Merkmals während dieser frühen Trockenstressperiode auf diese Weise richtig bewertet werden kann.
Im dritten Teil dieser Arbeit wurde ein neuer und viel diskutierter Ansatz zur potentiellen Verbesserung der Trockenstresstoleranz untersucht, nämlich die Verwendung von sogenannte Biologicals, die als Produkte natürlichen Ursprungs (Mikroorganismen, Pflanzen) beschrieben werden. Hierfür wurden vier Biologicals im Detail hinsichtlich ihrer Wirkungsweisen unter Trockenstress auf Genexpressionsebene und Merkmale der Physiologie, des Ertrages und der Qualität analysiert. Ein wichtiges Ergebnis war, dass die Wirkung eines Biologicals stark (P < 0,001) vom Genotyp in allen Umwelten abhing. Die auf Trockenstress reagierenden Gene Dhn1 und HvA1, die mit dem Abscisinsäure-Signalweg in Verbindung stehen, wurden durch Biologicals bei den Genotypen herunterreguliert, die eine signifikante (P < 0,05) Ertragssteigerung für dieselben Biologicals unter Trockenstress aufwiesen. Interessanterweise wurden die Beziehungen zwischen den Merkmalen durch den Einsatz von Biologicals beeinflusst. Bei den physiologischen und ertragsrelevanten Parametern war die Wirkung von Biologicals auf Trockenstress stark von der Umwelt und dem Biological selbst abhängig, wobei die stärkste Wirkung bei Cropcover und Staudenknöterich beobachtet wurde. Im Gewächshaus wurde eine höhere und signifikante (P < 0,05) Wirkungen auf den Ertrag beobachtet (bis zu 30,5%) als unter Feldbedingungen (bis zu 14,1%).
Diese Arbeit liefert: 1) ein tieferes Verständnis der Auswirkungen von frühem Trockenstress bei Sommergerste und 2) neue Einblicke zu den Auswirkungen und Wirkungsweisen von Biologicals als Beitrag zur verbessteren Trockenstresstoleranz.
Autor*in
Veronic Töpfer