Gødningsseminarer 2001 Hovborg, Viborg & Slagelse

Transkript

1 Gødningsseminarer 2001 Hovborg, Viborg & Slagelse Hvad er Mn-mangel hos planter? Mangans fysiologiske og biokemiske funktioner Mangans mobilitet i planter Mangan og plantesygdomme Hvorfor er forekomsten af Mn-mangel stigende? Mangan i rhizospheren Rt er unaturligt højt i Danmark Brugen af husdyrgødning De forkerte genotyper anvendes Hvad kan vi gøre for at undgå/afhjælpe Mn-mangel? Bejdsning af udsæd Berigelse af udsæd Mn-NPK gødninger Bladgødskning Valg af Mn-effektive sorter/genotyper Ændre nuværende gødskning- og kalkningspraksis 1 Hvad er Mn-mangel hos planter? Mangans biokemiske funktioner i planter Mangan aktiverer ca. 35 enzymer i planter Decarboxylering i citron syre cyklus en (bl.a. MDH) Shikimatsyntesevejen (substrater for fx lignin og auxin) Stimulerer peroxidaser (substrat i lignin biosyntesen) Der findes dog kun 3 Mn-holdige enzymer Enzym S (Hill reaktionen i PS2) Mn-SOD i mitokondrierne (antioxidant) Mn-OxO i apoplasten (rolle ukendt) 2 1

2 Mn i planters enzym-s er i ansvarlig for alt O 2 i atmosfæren H 2 O III+ Mn Mn Mn Mn 4 e - 4 H + + O 2 II+ Processen foregår kun i mitochondrierne 3 Hvad sker der med fotosyntesen når planter mangler Mn? Index Tilførsel af Mn 2+ Mn O 2 Chlorophyll Dage uden Mn tilførsel 4 2

3 Kloroser udvikles som et første symptom på Mn-mangel 5 Typiske symptomer på Mn-mangel 6 3

4 Men Senere hvorfor kommer stadie de af så Mn-mangel senere til at se sådan? ud 7 Mn-mangel giver oxidativt stress Dannelse af frit iltradikale med moderat reaktivitet ved Mehlers reaktion: O 2 + e - O 2 - Dannelse af meget reaktivt hydroperoxyl: O 2- + H + HO 2 Dannelse af hydrogenperoxid: HO 2 + HO 2 H 2 O 2 + O 2 Dannelse af extremt reaktivt hydroxylradikale ved Haber-Weiss reaktionen: H 2 O 2 + O - 2 OH - + O 2 + OH Dismutation katalyseret af Mn-SOD: O 2- + O H + H 2 O 2 + O 2 8 4

5 Lys øger oxidativt stress hos planter med Mn-mangel Biomass production (g FV plant -1 ) Shoot Root Mn concentration in solution culture (nm) 9 Rodudvikling hos Mn-manglende bygplanter +Mn -Mn 10 5

6 Rødderne påvirkes mest ved Mn-mangel! Blade Stængler Rødder +Mn -Mn +Mn -Mn +Mn -Mn Vægt (g/plante) 0,64 0,46 0,55 0,38 0,21 0,14 Protein 52,7 51,2 13,0 14,4 27,0 25,6 (mg/g) Opl. N 6,8 11,9 10,0 16,2 17,2 21,7 (mg/g) Opl. kulhydrat (mg/g) 17,5 4,0 35,6 14,5 7,6 0,9 11 Også mængden af strukturelle kulhydrater påvirkes Tabel 1. Sammenhængen mellem mangan og lignin indholdet i rod og skud hos unge hvedeplanter. (efter Brown, Graham and Nicholas, 1984) Mn indhold i planten (mg kg -1 TS) 4,2 7,8 12,1 18,9 Lignin (% af TS) Skuddet 4,0 5,8 6,0 6,1 Rødderne 3,2 12,8 15,0 15,2 12 6

7 Remobilisering af mikronæringsstoffer i planter Eksemplificeret ved sojabønne Element µg g -1 FW Ændring i koncentrationen af mikronæringsstoffer i vegetative blade af sojabønne Tidlige skulpefyldnings periode Sene skulpefyldnings periode Ændring Fe 48,9 30,2-38 % Zn 45,1 21,6-52 % Mn 36,3 56, % Cu 1,0 0,9-14 % B 17,4 24, % Mo 0,5 0,1-80 % Remobiliseringsgrad *) : Mo > Zn > Fe > Cu > B > Mn Remobilisering fra ældste blad på hvede dyrket med optimal ernæringsstatus 7

8 Mn er stort set ubevægeligt i jorden Fordelingen af essentielle næringsstoffer på de tre grundlæggende transportformer i jordvæsken Næringsstof Rod Mass flow Diffusion interception N P K Ca Mg S B Cu Fe Mn Mo Zn Ni??? Co??? Med en D e på cm 2 s -1 tager det ca. 18 måneder for Mn 2+ at tilbagelægge en afstand på 1 mm 15 Goldfodssyge forårsaget af svampen Gaeumannomyces graminis var. Tritici (Ggt) er koblet til planters Mn-status mg Mn/ kg jord Længde af Ggt infektion (mm) Lignin indhold (AU) , , , ,28 Angreb af Goldfodssyge er stærkt korreleret med plantens Mn-status. Alle faktorer der reducerer tilgængeligheden af Mn forværrer angreb af G. graminis. G. graminis er endvidere Mn-oxiderende Meget stor genotype variation blandt hvede og bygplanter i modtagelighed og blandt G. graminis isolaters Mn-oxidations kapacitet. 16 8

9 Effekt af jordens reaktionstal og smitte med G. graminispå høstudbyttet hos vårhvede Høstudbytte (g/potte) Høstudbytte (g/potte) Strå Kerner Kalkning (g/potte) Rt Kontrol Smittet Kontrol Smittet 0 4, , , , Hvorfor er forekomsten af Mn-mangel stigende? Mn O 2 + H 2 O MnO 2(s) + 2H + G * = Kj mol -1 DTPA-ekstraherbart Mn i DK: ~ 3.4 mmol kg -1 Ved 10% fugtighed svarer det til 24 mm Mn 2+ hvis det ekstraherbare kunne bringes i opløsning i jordvæsken. Median-værdien for Mn 2+ i Danmark er dog kun 250 nm i jordvæsken Den kritiske grænse for plantevækst (korn) = 100 nm 18 9

10 ] Plantetilgængeligheden af Mn 2+ i landbrugsjord 0-2 Stabilitetsdiagram for MnO 2 (pe + ph) = 16.6 (red.) -4 log [Mn (pe+ph) = 20.6 (ox.) ph 19 Mn-mangel på en klassisk Mn-problem jord i Nordjylland 20 10

11 Mn-mangel - Humus- og kalkholdig jord (JB 4) 21 Kalkforbrug og udvikling i Rt 700 6,8 JB 1-2 6,0 JB 3-4 6,2 +/- 0,3 JB 5-6 6,3 JB 7 6,5 JB ,0 JB 11 5,5 kg CaCO 3 ha -1 år Østjylland Nordjylland Vestjylland 6,6 6,4 6,2 6,0 Rt 200 5, , År 22 11

12 Udviklingen i arealanvendelsen Vinterhvede Vinterbyg Vinterrug 40 % af det samlede kornareal År 23 Betydningen af husdyrgødning på udvikling af Mn-mangel er meget usikker ph TS (g/kg) TIC M VFA M TAN M Kvæg 7, ,11 0,10 0,11 Svin 7, ,14 0,06 0,15 Rå Biogas 7, ,07 0,20 0,17 Afgasset 8, ,27 0,02 0,18 1 ton gylle indeholder ca. 10 kg opløseligt og meget reaktivt CaCO 3, hvilket mange steder vil svare til 20 % af det samlede kalkbidrag ved 2-5 tons kalk hvert 4 de år 24 12

13 Art- og sortsforskelle hos kornarterne Durum wheat Bread wheat Rye Kunduru Bezostaja Aslim (µmol 48 plants -1. 3h -1 ) 1.2 ± ± ± Stor genotype variation i planters tolerance overfor Mn-mangel (Mn-effektivitet) To australske bygsorter: Weeah WI

14 Også i DK ser vi markante genotypeforskelle Hanna 4 Ludo 1 Regina 7 Resolut 7 Rafiki 2 Carola 1 Isolde 6 Vanessa 1 Antonia 9 Siberia 1 10 = 100 % udv. Isolde Vanessa Antonia 27 Hvad er årsagen til genotypeforskellene? Forskelle i vækstpotentiale og evne til at nedregulere væksten ved Mn-mangel Udskillelse af rodeksudater (Malat/Æblesyre) Stress-tolerance 28 14

15 WI2585 Weeah WI2585 Weeah 29 Mn-ineffektive genotyper er dårlige til at regulere væksten ved lav Mn-tilgængelighed 7 Biomass production (g DM plant -1 ) Weeah WI Mn concentration in nutrient solution (nm) 30 15

16 Vækstreguleringen er specielt problematisk i stængel og blad Table 1. Mn-concentration and biomass in root, stem and leaf tissue of barley plants grown in chelated nutrient solution with Mn-levels ranging from 10 to 320 nm. Root: (ppm Mn) (g DM plant -1 ) Stem: (ppm Mn) (g DM plant -1 ) Leaf: (ppm Mn) (g DM plant -1 ) Chlorophyll SPAD 10 nm 20 nm 40 nm 80 nm 160 nm 320 nm WI W WI W WI W WI W WI W WI W Stor forskel i udskillelse af Mn-reducerende rodeksudater Table 2. Root tissue concentrations and root exudation rates of phenols and carboxylates in four different barley genotypes grown at different degrees of Mn-deficiency. Experiments were done in triplicate and errors are designates as SE. Mnlevel (nm) Genotypes Weeah WA Skiff WI Root tissue phenols ± ± ± ± 0.5 ( m -1 mol g DM) ± ± ± ± ± ± ± ± 3.7 Root exudate ± ± ± ± 3.6 phenols ± ± ± ± 1.6 (nmol g-1 DM h -1 ) ± ± ± ± 0.1 Malate Citrate Malate Citrate Root tisssue organic 5 acids 3.7 ± ± ± ± 0.2 ( m -1 mol g DM) ± ± ± ± ± ± ± ± 3.7 Root exudate ± ± ± 0.2 carboxylates ( m mol g-1 DM h-1) ± ± ± ± ± ± ± ±

17 Hvad kan vi gøre for at undgå/afhjælpe Mn-mangel? I Landsforsøgene fra udført et større antal forsøg med følgende: Bejdsning af udsæd Berigelse af udsæd Mn-NPK gødninger Bladgødskning Hvilken behandlingsstrategi kan man udlede af disse forsøg? 33 Effekt af gødningsform på ph i gødningsstreng 0,5 3 weeks 6 weeks 8 weeks 0,0 Change in soil ph -0,5-1,0-1,5-2,0-2,5 Urea Nitrate Ammonium Nitrate Urea + Ammonium Thiosulphate Ammonium Sulphate Ammonium Thiosulphate 34 17

18 Effekt af gødningsform på optagelse af Mn i overjordiske plantedele Mn concentration in arial plant parts (ppm) weeks 6 weeks 0 Urea Nitrate Ammonium Nitrate Urea + Ammonium Thiosulphate Ammonium Sulphate Ammonium Thiosulphate 35 Klæbemidler er meget effektive til at øge assimilationen af bladgødsket Mn-sulfat 0,1 % Mn-sulfat 0,1 % Mn-sulfat + klæbemiddel 36 18

19 Fordeling af bladgødsket Mn 54 i vinterbyg (cv. Hanna) Epicuticulært 28.2 % Symplast 70.5 % Apoplast 1.3 % 37 0,1 % Mn-sulfat + klæbemiddel 0,1 % Mn-sulfat 38 19

20 Stratificering af bladgødsket Mn 54 Vinterbyg Stængel Mobiliseringsgrad af bladgødsket Mn 54 (%) Øvre blade Rod 0 Nedre Blade Mn status i rodmediet (µm Mn) 39 Hvad gør vi så?? Sænk Rt Brug de Mn-effektive sorter Brug forsurende gødninger (NH 4+ og/eller red-s) Placeret gødskning hvor det er muligt Anvend klæbemiddel ved bladgødskning Vi mangler gode eksperimentelle data på effekten af husdyrgødning 40 20