Geri Dön

Physiological differences in the response of cereals to zinc deficiency

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  1. Tez No: 400559
  2. Yazar: EMİN BÜLENT ERENOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. VALKER RÖMHELD
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Ziraat, Agriculture
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2002
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Universität Hohenheim
  10. Enstitü: Yurtdışı Enstitü
  11. Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 193

Özet

Zinc (Zn) deficiency is one of the most widespread micronutritional disorder in crop plants, and occurs predominantly in calcareous soils of arid and semiarid regions. Zinc deficiency causes severe reductions in grain yield and also in nutritional quality of grains. To date, the mechanisms which are involved in Zn efficiency of cereals have not been clarified at a physiological level and mainly only two genotypes were used in such physiological studies. Therefore, it was the main goal of the present Ph.D. thesis to investigate the contribution of several different mechanisms that might contribute to Zn efficiency such as the release of Zn-mobilizing root exudates, inorganic Zn (Zn2+) uptake by roots, Zn retranslocation or the symbiosis with arbuscular mycorrhiza (AM). For this purpose a large range of different cereal species was tested that showed differential Zn efficiencies in field studies conducted in Turkey. To compare growth performances of various cereals, one rye, two bread wheat, and one durum wheat cultivars all differing in Zn efficiency were grown on a Zn-deficient soil under greenhouse conditions. Dry weight production under -Zn relative to +Zn decreased in the following order: rye cv. Aslim, bread wheat cv. Bezostaja, another bread wheat cv. BDME-10 and durum wheat cv. Kunduru-1149. This observation was in good accordance to the growth studies performed in the field. To test the importance/contribution of AM in/to Zn nutrition of two bread wheat and one durum wheat cultivars, plants were grown on an extremely Zn-deficient soil in a pot experiment in the greenhouse. Irrespective of P supply and AM, all cultivars showed Zn uptake rates that reflected their Zn efficiency in the field and under greenhouse conditions. As expected, mycorrhizal infection (%) enhanced the uptake of P in all cultivars, regardless of genotypical differences in Zn efficiency. However, under Zn deficiency AM led to lower Zn uptake. This decreased Zn uptake in the mycorrhizal plants coincided with a hindered growth pointing to an altered carbohydrate metabolism and/or partitioning in these plants. In general, no relationship could be found between Zn efficiency of wheat cultivars and the rate of mycorrhizal infection on the roots. To elucidate physiological mechanisms of Zn efficiency, PS release of one rye, one triticale, seven bread wheat, and two durum wheat genotypes that markedly differ in Zn efficiency were investigated in nutrient solution culture. The results obtained in both experiments showed that Zn deficiency stimulated PS release in wheat and the low sensitivity of bread wheat cultivars compared to durum wheat cultivars to Zn deficiency coincided with high PS release supporting a role of PS in Zn efficiency. Comparing rye, triticale, and bread wheat cultivars, however, PS release did not correlate with the observed Zn efficiency in the field at low Zn availability, indicating that PS release cannot be regarded as a major physiological mechanism involved in Zn efficiency in cereals. To test the role of the Zn uptake capacity for Zn efficiency, one rye, three bread wheat, and one durum wheat cultivars were grown in nutrient solution and short-term uptake of ^Zn supplied as ZnSCU was determined in plants precultured under -/+ Zn. While Zn-efficient rye cv. Aslim showed the highest uptake rate, Zn-inefficient durum wheat cv. Kunduru-1149 had the lowest, suggesting that a low Zn uptake capacity of durum wheat might be an important reason for its higher susceptibility to Zn deficiency. However, the differential Zn efficiency among the bread wheat cultivars was not related to their capacity for the uptake of inorganic Zn. Finally, the role of Zn retranslocation for the internal utilization efficiency of Zn was investigated in bread and durum wheat cultivars. There were no differences among these cultivars/ neither in the translocation of foliar applied 65Zn nor in retranslocation of pre-loaded 65Zn from older leaves to younger tissues. Thus, no indication was found for an important role of Zn retranslocation for the expression of Zn efficiency in wheat. All of the mechanisms which were tested in this Ph.D. thesis or in other studies cannot sufficiently explain the reason for the genotypical differences in Zn efficiency as observed in bread wheat. Although differential Zn efficiency in bread wheat as observed in field studies could be reproduced in pot experiments, all experiments that aimed to analyze individual components in Zn efficiency were unsuccessful to obtain significant differences among the bread wheat cultivars. Since these experiments were all conducted in nutrient solution, it is likely that a physiological mechanism that depends on the integrity of the rhizosphere triggers Zn efficiency. It is therefore suggested that future studies should focus on experiments that allow a reconstruction of rhizosphere processes as they are likely to occur in agricultural and natural soils.

Özet (Çeviri)

Zinkmangel (Zn) ist eine der verbreitetsten Mikronahrstoffst&rungen in Pflanzen, und tritt hauptsachlich auf kalkhaltigen Boden in ariden und semiariden Regionen auf. Zinkmangel fuhrt zu erheblichen KornertragseinbuSen und beeintrachtig auch die Komqualitat hinsichtlich ihres Wertes fur die menschliche Ernahrung. Die Mechanismen, die eine Rolle fur die Zn-Effizienz auf physiologischer Ebene bei Getreide spielen, sind bis heute nicht vollstandig geklart und meist wurden nur zwei verschiedene Genotypen verwendet. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Beitrag, den verschiedene Mechanismen zur Zn-Effizienz leisten, zu untersuchen, wie z.B. die Abgabe von Zn-mobilisierenden Wurzelexsudaten, die Aufnahme von anorganischem Zn (Zn2+) durch die Wurzeln, die Zn-Retranslokation innerhalb der Pflanze. oder die Symbiose mit vesikular-arbuskularen Mykorrhiza (VAM). Diese genannten Mechanismen wurden an einer grofien Auswahl verschiedener Getreidearten, die unterschiedliche Zn-Effizienz in Feldstudien in der Turkei gezeigt haben, untersucht. Um das Wachstum verschiedener Getreidearten zu untersuchen, wurden eine Roggensorte, zwei Brotweizensorten und eine Durumweizensorte auf einem Zn-Mangelboden in einem Gewachshaus angezogen. Die Trockengewichtsproduktion bezogen auf -Zn relativ zu +Zn nahm in folgender Reihenfolge ab: Roggensorte Aslim, Brotweizensorte Bezostaja, Brotweizensorte BDME-10 und Durumweizensorte Kunduru-1149. Diese Beobachtungen stimmten gut mit den Ergebnissen von Feldstudien iiberein. Um den Beitrag von VAM zur Zn-Ernahrung von zwei verschieden Brotweizensorten und einer Durumweizensorte zu untersuchen, wurden die Pflanzen in GefaGen gefiillt mit einem extremem Zn-Mangelboden in einem Gewachshaus kultiviert. Unabhangig von der P-Versorgung und der Mykorrhizierung, widerspiegelte die Zn-Aufnahmerate aller Sorten ihrer im Feld und ihrer bei im Gewachshaus durchgefuhrten Gefafiversuche gezeigten Zn-Effizienz. Wie erwartet, erhohte eine Mykorrhizierung der Pflanzen die P-Aufnahme aller Sorten unabhangig von genotypischen Unterschieden in der Zn-Effizienz. Allerdings verringerte die Mykorrhizierung die Zn-Aufnahme der Pflanzen unter Zn-Mangelbedingungen. Diese verminderte Zn-Aufnahme der mykorrhizierten Pflanzen deckte sich mit einem gehemmten Wachstum und deutet auf einen veranderten Kohlenhydratmetabolismus in diesen Pflanzen an. Im Algemeinen bestand keine Beziehung zwischen der Zn-Effizienz der Weizensorte und der Mykorrhizierungsrate ihrer Wurzeln. Um die physiologischen Mechanismen der Zn-Effizieiiz nalier zu beleuchten, wurde die Abgabe von Phytosiderophoren (PS) bei Roggen, Tritikale, sieben Brotweizensorten und zwei Durumweizensorten in Nahrlosungskultur untersucht, wobei die verschiedenen Getreidesorten sich wesentlich in ihrer Zn-Effizienz unterschieden. Zn-Mangel stimulierte die PS-Abgabe bei Weizen. Die niedrige Empfindlichkeit gegentiber Zn-Mangel von Brotweizensorten im Vergleich zu Durumweizensorten stimmte mit einer hohen PS-Abgabe iiberein und untersrutzt somit die Rolle von PS bei der Zn-Effizienz. Ein Vergleich von Roggen, Tritikale und Brotweizensorten zeigte allerdings keinen Zusammenhang zwischen PS-Abgabe und Zn-Angebot im Boden und somit kann die PS-Abgabe nicht als ein bedeutender physiologischer Mechanismus fur die Zn-Effizienz in Getreide angesehen werden. Um den Einflufi der Zn-Aufnahmekapazitat auf die Zn-Effizienz von Weizenarten zu untersuchen, warden an Roggen, drei Brotweizensorten und Durumweizen Kurzeitaufnahmestudien mit 65Zn an Pflanzen durchgefuhrt, die auf -/+Zn in Nahrlosung vorkultiviert wurden. Wahrend die Zn-effiziente Roggensorte Aslim die hochste Aufnahmerate zeigte, hatte die Zn-ineffiziente Durumweizensorte Kunduru-1149 die Geringste. Dies laGt vermuten dass die niedrige Zn-Aufnahmekapazitat von Durumweizen, eine grofie Rolle fur seine hohe Empfindlichkeit gegenlxber Zn-Mangel spielt. Allerdings konnte die unterschiedliche Zn-Effizienz verschiedener Brotweizensorten nicht mit ihrer Zn-Aufnahmekapazitat in Beziehung gesetzt werden. Schliefilich wurde die Bedeutung, von der Zn-Retranslokation fiir die interne Zn-Nutzungseffizienz an Brot- und Durumweizensorten untersucht. Die verschiedenen Sorten unterschieden sich weder in der Translokation von Blatt-appliziertem ^Zn noch in der Retranslokation von zuvor beladenem 65Zn aus alten Blattern in junges Gewebe. Demzufolge gab es keinen Hinweis auf eine wichtige Rolle der Zn-Retranslokation fiir die Auspragung von Zn-Effizienz bei Weizen. Alle Mechanismen, die in der vorliegenden Arbeit oder auch in anderen Arbeiten untersucht wurden, konnen die genotypischen Unterschiede der Zn-Effizienz von verschieden Brotweizensorten nicht erklaren. Obwohl die auf dem Feld beobachtete Zn-Effizienz von verschiedenen Brotweizensorten, auch in Gefafiversuchen reproduziert werden konnte, Einzelkomponenten der Zn-Effizienz keine signifikanten Unterschiede. Da es sich hierbei um Nahrlosungsversuche handelte, ist es moglich, dass die physiologischen Mechanismen, die die Zn-Effizienz ausmachen, von der Unversehrtheit der Rhizospare abhangen. Zuktinftige Studien sollten auf Versuche konzentrieren, die die Rekonstruktion von Rhizospharenprozesse erlauben, die hochstwahrscheinlich in landwirtschaftlichen und natiirlichen Boden ablaufen.

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