„Strategien pflanzlicher Ernährung“ (UE SS2004, Albert & Bachmann) Zusammenfassung der Ergebnisse Teilnehmer: Assmann Daniela Fürnkranz Michael Gürtler Marianne Hammer Barbara Heitzlhofer Theresa Hochedlinger Gerald Pelikan Irma Petrasek Richard Schandl Ulla Suette Stefan Vogl Sylvia Tutoren: Jaindl Martina Österreicher Theo

Der Versuchsansatz: Maniok und Zuckerrohr (M & Z) in Mono- und Mischkultur (MZ), ungedüngt (-) und gedüngt (+). ( n=2) Daherfolgende Proben: M-.....Maniok in Monokultur ungedüngt M+....Maniok in Monokultur gedüngt Z-......Zuckerrohr in Monokultur ungedüngt Z+.....Zuckerrohr in Monokultur gedüngt MZ-...Mischkultur ungedüngt (MZM- M aus Mischkultur) (MZZ- Zuckerrohr aus Mischkultur) MZ+...Mischkultur gedüngt (MZM+ M aus Mischkultur) (MZZ+ Zuckerrohr aus Mischkultur)

1. Biometrie Oberirdische Biomasse Unterirdische Biomasse Anhang

Biometrie 1: Oberirdische Biomasse Z gewinnt in Mischkultur an Biomasse (bes. Blätter u. Wurzeln, vgl. nächste Seite) Maniok verliert in Mischkultur an oberirdischer Biomasse (bes. der Spross) Der Mischeffekt ist größer als der Düngeeffekt! Nähere Erläuterungen zur Biometrie im Anhang! Die Frage ist: Finden sich in der Folge in Pflanzen oder Böden Hinweise darauf, welcher Art die „positive“ Beeinflussung des Zuckerrohr durch Zupflanzung von Maniok ist?!

Biometrie 2: Unterirdische Biomasse Diese Werte sind mit Vorsicht zu genießen (Hochrechnung!) Besonders die Werte für Maniok sind zu hoch, die Wurzelmasse bei der Mischkultur ist zum Großteil Zuckerrohrwurzel (vgl. d13C!). Trotzdem ist der Trend zu erhöhter Wurzelbiomasse bei Mischkultur eindeutig! Die unterirdische Biomasse ist mindestens so groß wie die oberirdische!! Die an sich wichtige Frage, wie sich die Mischkultur auf die Knollenbildung von Maniok auswirkt ist wegen der geringen Stichprobenzahl und der inkonsistenten Ergebnisse nicht klärbar

2. Bodenparameter pH -Werte (Wasserextrakt, Calciumchloridextrakt) „Potentielle Acidität“ Bodenatmung (Basalrespiration BR) und Boden CO2 Substratinduzierte Respiration (SIR); „Induzierbarkeit“ der Böden bzw. Mikroorganismen Glucose im Boden (enzymatische Bestimmung) d13C, Kohlenstoffgehalt, Stickstoffgehalt, C/N Biolog („Ecoplate“): Substratnutzungstests Nährionen (K+, Mg2+, Ca2+) im Boden und Ionenmobilität

Was ist geschehen?! Der Boden-pH ist in der Mischkultur deutlich positiver (neutraler) als in Monokultur! Der Mischeffekt überwiegt den Düngungseffekt! Reproduzierbarkeit der pH-Messung!! Der Unterschied zwischen pH im H2O-Extrakt und pH im CaCl2-Extrakt ist in Mischkultur kleiner Was ist geschehen?!

Bodenatmung und CO2-Gehalt: Die Basalrespiration ist unabhängig von Düngung unter Maniok deutlich niedriger als unter Zuckerrohr. Die Mischkultur liegt dazwischen. Die Unterschiede in der Basalrespiration spiegeln sich im CO2-Gehalt der Bodenluft, die unter der Zuckerrohr in Monokultur fast viermal so hoch ist als unter Maniok. Dass das nicht allein auf die höhere Wurzelbiomasse unter Zuckerrohr zurückzuführen ist, zeigt die Mischkultur.

Substratinduzierte Respiration Die Böden unter Maniok in Monokultur zeigen einen deutlichen Anstieg der Bodenatmung nach ca. 10 h bei Zugabe von Asparagin. Asparagin induziert das Wachstum von MO-Populationen in diesen Böden. Die Böden unter Mischkultur verhalten sich diesbezüglich wie jene der Monokultur von Zuckerrohr, wo es zu keinem vergleichbaren Wachstum kommt.

Induzierbarkeit der Boden-Mikroorganismen: Die geringe Basalrespiration unter Maniok korreliert mit einer stark erhöhten Induzierbarkeit der MO – Populationen durch Asparagin! Es zeigt sich, dass jeweils in der gedüngten Variante die Induzierbarkeit deutlich höher ist als in der ungedüngten. Ist hier ein Mangelfaktor im Spiel? Auch bei Biolog mit asn als Substrat zeigt sich ein ähnliches Muster, nur dass hier die Düngung eine geringere Rolle spielt. Vielleicht, weil mit Ringerlösung extrahiert wurde und daher die Nährionen K, Mg und Ca im Überschuss vorhanden sind?

Trotz der besseren Umsetzung von Glucose unter Zuckerrohr (vgl. Biolog Trotz der besseren Umsetzung von Glucose unter Zuckerrohr (vgl. Biolog!) kann sich ein Pool von Glucose aufbauen, besonders bei fehlender Düngung! Diese Tatsache sowie die hohe Basalrespiration und CO2 in der Bodenluft weisen auf eine hohe Exudation von Glucose durch Zuckerrohrwurzeln hin! Bemerkenswert ist außerdem, dass dieser Effekt bei Düngung und Mischkultur zurückgeht

Die verwendeten Böden sind offensichtlich unter C3 Pflanzen entstanden (=„C3-Böden“) Die Böden unter der C4-Pflanze Zuckerrohr beginnen sich gegenüber dem Ausgangsboden mit C4 Material und damit mit 13C anzureichern. (Feinwurzelmaterial)! Aus solchen Experimenten lassen sich Bodenumsatzraten errechnen.

C- und N-Gehalt im Boden Die Böden der Mischkultur sind sowohl an C als auch an N abgereichert (jeweils bis zu 50%!!), was auf eine erhöhte Bodenumsetzung hindeutet! Vergleiche die Korrelation mit dem pH. Die Werte sind allgemein hoch („Blumenerde“)

Trotz großer Schwankungen ist zu erkennen, dass das für mikrobiellen Abbau wichtige C/N Verhältnis in Monokultur von Zuckerrohr niedriger ist als in Maniokmonokultur und in der Mischkultur

Alle Aminosäuren werden unter Maniok besser verwertet als unter Zuckerrohr, das wichtigste Substrat ist Glutamin. Unter Zuckerrohr werden Zucker tendenziell rascher umgesetzt, besonders die Glucose. Zucker Aminosäuren Die Mischkultur unterscheidet sich kaum von der M-Monokultur. Die Düngung verschärft tendenziell die Unterschiede. Die Reaktion ist die stärker vgl.: gln bei M gluc (+KCl) bei Z asn + MgCl2 bei MZ

Die wichtigsten Substrate bei Biolog: Hauptsubstrat Sonstige Substrate Die Zugabe von verschiedenen Nährionen zum Substrat spielt kaum eine Rolle, trotzdem die SIR eine Nährstofflimitierung bei den ungedüngten Böden indiziert. Vielleicht weil durch Extraktion mit Ringerlösung die relevanten Nährionen in ausreichendem Maß zugesetzt werden? Gesammelte Daten zu Biolog (Zeitverläufe) finden sich im Anhang

Nährionen im Boden Das wasserlösliche („mobilisierte“) Kalium korreliert mit der Bepflanzung: M >> MZ > Z Das säurelösliche (gesamte verfügbare) Kalium korreliert mit dem Düngeregime: Gedüngt >> ungedüngt Die Pflanzen stellen die gelöste Menge Ion trotz großer Unterschiede in der Gesamtmenge (z.B. Faktor 8 zw. Z+ und Z-) nach Bedarf ein?! Daher: Ungedüngte Pflanzen mobilisieren Nährionen! Dieser Effekt ist bei allen gemessenen Ionen (K, Mg, Ca) deutlich

Magnesium im Boden Calcium im Boden Mobilität Wasserlöslich: Bepflanzung! Säurelöslich: Düngung! Mobilität

Ein unmittelbarer Vergleich der Ionen zeigt allgemeine Gesetzmäßigkeiten: 1) Einwertige Ionen wie das Kalium sind aus elektrostatischen Gründen schwächer gebunden („mobiler“) als zweiwertige (die Werte für K sind hier relativ niedrig) 2) Bei gleicher Ladungszahl spielt der Atomradius bzw. die Hydrathülle die Hauptrolle: Ca2+ ist größer als Mg2+, seine Hydrathülle ist daher kleiner, die positive Kernladung entsprechend weniger abgeschirmt. Es sollte daher stärker gebunden sein. Das ist hier nicht regelmäßig der Fall. Warum?

3. Pflanzenparameter Ionen in den Pflanzenorganen (gesammelt im Anhang) d13C der Pflanzenorgane Kohlenstoffgehalt, Stickstoffgehalt, C/N Zuckergehalte in Blättern und Wurzeln (HPLC), gesammelt im Anhang

Ionen in den Pflanzen Maniok akkumuliert Calcium (sowohl im Blatt als auch in derWurzel) Das Calcium liegt in schwer löslicher Form vor („immobilisiert“). Hinweis auf Calciumoxalat-Bildung. Entzug von Calcium aus dem System durch Maniok.

Maniok hat unabhängig von der Düngung einen hohen Kaliumgehalt in den Wurzeln Zuckerrohr hat va. In der Mischkultur einen höheren Magnesiumgehalt im Blatt als Maniok (und daher einen höheren Bedarf u./o.. Nachschub, vgl. die Blattbiomassen!).

Unterscheidung C3-Pflanze (d13C ist ca. –30)/C4 Pflanze (d13C ist ca Wurzeln aus der Mischkultur sind vom Zuckerrohr (d13C von C4)! Vgl. auch die Werte im Boden oben. Die Methode ist sehr gut reproduzierbar!

Stickstoff-Gehalt in Maniokblättern wesentlich höher als in Zuckerrohrblättern. Düngung erhöht N-Gehalt Kohlenstoffgehalt in allen Pflanzenfraktionen annähernd gleich um die 40%. Der C-Gehalt im Boden ist sehr hoch

C/N in Maniok deutlich niedriger als in Zuckerrohr. In Blättern höher als in Wurzeln. In gedüngten Pflanzen niedriger als in ungedüngten. Bei Maniok steigt in Mischkultur der C/N im Blatt (N-Mangel?)

Zucker in Blättern und Wurzeln : HPLC Deutliche mehr Saccharose in Zuckerrohrwurzeln (Unterschied in Sprossen sicher noch größer)! Tendenziell weniger Fructose und Glucose in Zuckerrohrblättern (außer Z+) Relativ hohe Raffinosegehalte in Z-Blättern der Mischkultur (Wasserstress?). Restliche Werte im Anhang

4. Anhang Biometrie (Masse/Blatt, Masse /Spross Trieblängen) Biolog gesammelte Daten (Zeitkurven) Ionen in den Pflanzenorganen, Mobilitäten Zucker (HPLC)

Biometrie 3: Vergleich Masse/Blatt und Masse/Spross Die Zuckerrohrblätter sind in der Mischkultur schwerer als in Monokultur. Maniokblätter sind im Gegensatz dazu in Mischkultur sogar leichter als in Monokultur, besonders bei fehlender Düngung (wider den Trend sogar geringere Masse als unter Düngung!) Ansonsten nimmt die Masse pro Blatt mit Düngung ab! Idem, allerdings sehr variable Formen beim Zuckerrohr!

Biometrie 4: Blattzahl Zuckerrohr In Mischkultur hat Zuckerrohr weniger Blätter als in Monokultur, Fazit: Die erhöhte Gesamt-Blattbiomasse (und daher Gesamtbiomasse) von Zuckerrohr resultiert aus der starken Zunahme der Masse pro Blatt! Düngung erhöht die Blattzahl sowohl in Mono- als auch in Mischkultur Anteile grüner, halbverdorrter und verdorrter Blätter in etwa konstant;

Biometrie 5: Vergleich Blattmasse und Blattzahl bei Maniok Die auffällig erhöhte Blattmasse bei M- gleicht sich offenbar durch geringere Blattzahl aus. In Mischkultur hat Maniok mehr Blätter aber mit kleinerer Masse. Die Gesamt-Blattbiomasse ist daher in etwa konstant.

Biometrie 6: Sprosslängen bei Maniok Maniok hat in der Mischkultur kürzere Sprosse. Verlust an Biomasse (s.o.) manifestiert sich hier! Düngungseffekt in der Einzelkultur kaum zu erkennen.

Biometrie 7: Zuckerrohr Trieb- und Blattlängen, Triebzahl Die erhöhte Blattbiomasse in Mischkultur resultiert aus einer Verlängerung der Blätter. Düngung scheint die Blätter zu verkürzen (?) Auch bei den Sprossen ein Trend zur Verkürzung bei Düngung Düngung führt Sprossvermehrung. allerdings: Die Biomasse ist in etwa konstant, dh die Sprosse sind bei Düngung leichter. Fazit: Düngung führt beim Zuckerrohr zu „verzweigtem“ Wachstum

Folgend gesammelte Daten vom Biolog-Substratverwertungstest: Zu sehen sind die zeitlichen Verläufe der Farbreaktion, welche das Wachstum der MO-Populationen wiederspiegeln: 1) Lag-Phase 2) Exponentielle Wachstumsphase 3) Stagnationsphase Nicht erschrecken:

Alle Ionen in der Pflanze auf einen Blick: Die Ionengehalte in der Pflanze sind variabler als jene in den Böden

Ionenmobilität in Wurzeln und Blättern

Zucker in Wurzeln: HPLC