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Pflanzenwachstum und Wachstumsfaktoren
Grundprozess:
Photosynthese
CO2 + H2O + Lichtenergie
→
CH2O + O2
Weitere Aufbau-, Umbau- und Abbauprozesse
im pflanzlichen Stoffwechsel:
Synthese von Eiweißen, Fetten, Säuren, Vitaminen ...
Beteiligung mineralischer Nährstoffe
CH2O + X+Y-
Pflanzenernährung I
→
CnHmOp-XY
Feger 15.4.2009
Folie 1
Organische Pflanzeninhaltsstoffe
Stoffe
Beispiele
Kohlenhydrate
Zucker, Stärke, Cellulose
viele Derivate (z.B. Pektine,
Glykoside, Zucker-Ester,
Lignin…)
Fettstoffe
Fette, Öle
Eiweißstoffe (Proteine)
aus versch. Aminosäuren
häufig → Enzyme
→ Vitamine
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 2
Aufbau (C-Assimilation) durch Photosynthese
CO2 + H2O + Lichtenergie
PGS = Phosphoglycerinsäure
PGA = Phosphoglycerinaldehyd
Ribul. = Ribulosediphosphat (Ketopentose)
Pflanzenernährung I
→
CH2O + O2
aus Finck (2007)
Feger 15.4.2009
Folie 3
Abbau durch Atmung (Respiration)
C6H12O6 + O6 →
6 H20 + 674 kcal
1. Glykolyse
2. Citronensäure-Zyklus
3. Terminale Oxidation
→ Erzeugung energiereicher
Substanzen ATP, NADP-H
aus Finck (2007)
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 4
Zusammenwirken von Photosynthese und Atmung
mit dem Fett- und Eiweißstoffwechsel
Amberger (1996)
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 5
Ertrag ( = Nettoprimärproduktion) ist
temperaturabhängig
Aufbauprozesse (anabole P.) und Abbauprozesse
(katabole P.) aber in unterschiedlicher Weise!
Konsequenzen für den Pflanzenbau:
• tagsüber relativ warm (günstige Temperaturen
für Photosynthese
• nachts: relativ kühl ( = geringe Atmungsverluste)
aus Amberger (1996)
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 6
Nährelemente in Pflanzen
Spezifische Funktionen
1. Baustein von Pflanzenstoffen
•
durch kein anderes Element ersetzbar
N in Aminosäuren, Aminozuckern
P in Nukleinsäuren, ATP
Mg als Zentralatom des Chlorophylls
•
häufig Anreicherung in bestimmten Geweben bzw. Organen
2. Steuerung biochemischer Reaktionen
•
Bestandteil wichtiger Enzyme
z.B. Fe in Katalase*, Cytochromen**
•
Aktivierung von Enzymen
z.B.
K bei Energieübertragung
Mg bei Proteinsynthese und Phosphorylierung
* Enzym, Abbau von H2O2 (Verringerung von oxidativem Stress)
** Enzym bestimmter Redox-Reaktionen
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 7
Nährelemente in Pflanzen
Allgemeine Ionenfunktionen
Funktionen können durch verschiedene Nährelemente mit
vergleichbaren chemischen Eigenschaften erfüllt werden
- Regulierung des Redox-Potentials der Zellen
- Regulierung des pH-Wertes der Zellen
- Regulierung des Quellungszustandes der Zellen (Hydratation)
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 8
Nährelemente in Pflanzen
Allgemeine Ionenfunktionen
Regulierung des Redox-Potentials der Zellen
Beispiele:
Reduktion:
CO2
SO42-
→
→
(CH2O)
S, SH
Oxidation:
Fe2+
Mn2+
Cu+
→
→
→
Fe3+
Mn3+
Cu2+
Reduktion: Elektronen-Aufnahme!
Oxidation: Elektronen-Abgabe!
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 9
Nährelemente in Pflanzen
Allgemeine Ionenfunktionen
Regulierung des pH-Wertes der Zellen
• pH-senkend:
Produktion von Protonen bei Zuckerabbau
• pH-erhöhend:
Säure-Abbau
Dissoziation von Phosphaten bzw. Phosphorsäure-Ester
z.B.
H2PO4- ←→ HPO42- + H+
Kationen- / Anionenaufnahme aus Bodenlösung
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 10
Nährelemente in Pflanzen
Allgemeine Ionenfunktionen
Regulierung des Quellungszustandes der Zellen (Hydratation)
optimaler Quellungszustand → Ionenzusammensetzung im Cytoplasma
Quellung:
Förderung von Synthese-Prozessen
Entquellung:
Förderung von Abbau-Prozessen
Na+ > K+, NH4+
quellend
>
Mg2+ > Ca2+ > Fe3+
entquellend
OH- > Cl- > HCO3- , NO3- >> SO42- > PO43- > H2BO3-
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 11
Nährstoffe in Pflanzen
• Antagonismus
Hemmung der Wirkung bzw. Senkung der Konzentration eines
Ions durch ein anderes (negative Wechselwirkung der
Antagonisten = „Gegenspieler“)
• Aufnahme Antagonismus (z.B. Al3+/ Mg2+, Ca2+/ K+)
• Verlagerungs-Antagonismus (z.B. gegenseitige Ausfällung)
• Funktions-Antagonismus (Antagonismus i.e.S.)
→ Toxizität!
• Synergismus
Förderung der Wirkung bzw. Steigerung der Konzentration eines
Ions durch ein anderes; positive Wechselwirkung der Synergisten
• Aufname-Synergismus (z.B. Mg2+ / SO42- )
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 12
Nährstoffe in Pflanzen
entsprechend ihrer Funktion Einbau in Körpersubstanz
Angabe als Elementgehalt
Menge des Nährelements
Menge der Pflanzen(trocken)substanz
Gehalte
von Nährelementen
inder
Blättern
von Kulturpflanzen
Mittlere
Zusammensetzung
pflanzlichen
Trockensubstanz
(bezogen auf Tr.S.)
Kohlenstoff
Sauerstoff
N,Wasserstoff
K
mineralische
Ca,
Mg, P, S, Cl
Elemente
C
O
H
44 - 49 %
42 - 46 %
5 -17 –%5 %
5 - 10 %
0,1 – 2 %
Fe, Mn, Zn, Cu, B
5 – 200 ppm
Mo
0,2 – 5 ppm
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 13
Nährstoffe in Pflanzen
Aschegehalte
- Verbrennungsrückstand nach Erhitzen der Trockensubstanz auf 500°C
- Nährelemente in Form von Salzen oder Oxiden
- gewisser Teil der Nährelemente verflüchtigt (v.a. N, S)
- Anhaltswert für Summe an mineralischen Elementen
Aschegehalte (% Tr.S.)
Kulturpflanzen
5 – 10
Wildpflanzen armer Böden
1–2
Salzpflanzen
10 – 25
Meeresalgen
bis > 50
Blätter
10 – 20
Wurzeln, Knollen
3–6
Früchte, Samen
2–4
Hölzer
0,2 – 0,4
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 14
Nährstoffe in Pflanzen
innerhalb der Pflanzenarten:
Gräser
viel Si; rel. wenig Ca, Mg, B
Leguminosen
rel. viel Ca, Mg, B; wenig Si
Cruciferen
rel. viel S
säuretolerante Pflanzen
rel. viel Fe, Mn, Al
Salzpflanzen
rel. viel Na, Mg, Cl, S
Verteilung innerhalb einer Pflanze:
Blätter
viel K, Ca, Mg, S, N, P
junge Bl.
i.d.R. hohe Gehalte an allen Elementen
ältere Bl.
häufig Anreicherung wenig mobiler Elemente (z.B. Ca, Cu, B)
Holz, Rinde
geringe Gehalte (rel. viel Ca)
Samenkörner
rel. viel N, P, Mg
Wurzel
geringe Gehalte (rel. viel Ca)
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 15
Elementgehalte
in verschiedenen
Baumkompartimenten
(60-jährige Fichte,
Granit-Podsol, Südschwarzwald)
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 16
Nährstoffe in Pflanzen
Versorgung mit Nährelementen
• kontinuierlicher Anstieg der Menge mineralischer Nährelemente
• meist beträchtliche Abnahme der Gehalte im Verlauf der
Vegetationsentwicklung (trotz gleichbleibender guter Versorgung)
„Verdünnungseffekt“
entscheidende Schwierigkeit bei Blattanalyse zur Beurteilung
Versorgungszustandes bzw. des Düngerbedarfs
des
Verdünnungseffekt
•
Absinken der Gehalte an mineralischen Nährelementen trotz steigender
Menge in den Pflanzen
Ursache:
Pflanzenernährung I
relativ stärkere Produktion organischer Substanz (C-O-H)
Feger 15.4.2009
Folie 17
„Verdünnung“ von
Nährelementen
durch Bildung von
Trockensubstanz
Beispiel: Hafer
aus GISI et al. (1997)
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 18
Nährstoffe in Pflanzen
Versorgung mit Nährelementen
Versorgung der physiologisch
aktiven Gewebe abhängig von:
1. aufgenommener Nährstoffmenge
2. Beweglichkeit (Mobilität) der Nährelemente
innerhalb der Pflanze
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 19
Nährstoffe in Pflanzen
Transport + Mobilität
Xylemtransport
Phloemtransport
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 20
Nährelemente in Pflanzen
Mangelsymptome
Diagnose von Ernährungsstörungen
Rückschluss auf Funktionen
Chlorose*
(meist gelbliche) (Blatt-) Verfärbungen, reversibel
Nekrose**
bräunliche, irreversible (Blatt-) Verfärbungen,
Zerstörung von Gewebe
Mangelsymptome an:
älteren Blättern:
jüngeren Blättern:
Fehlen eines mobilen Elements
Fehlen eines immobilen Elements
außerdem typische Wuchsveränderungen
______________________________________________________________
*) griech. chloros = gelbgrün
**) griech. nekros = Leichnam
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 21
Nährelemente in Pflanzen
Mangelsymptome
Nekrose
Chlorose
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 22
Nährelemente in Pflanzen
Mangelsymptome
Beispiel:
Schwefel-Mangel bei Raps
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 23
Nährelemente in Pflanzen
Mangelsymptome
Beispiel:
Magnesium-Mangel bei Waldbäumen
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 24
Nährelemente in Pflanzen
Diagnose von Ernährungsstörungen
THÜRINGER LANDESANSTALT FÜR LANDWIRTSCHAFT
http://www.tll.de/visuplant/vp_idx.htm
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 25
Aufnahme und Nachlieferung von Nährstoffen im Boden
aus FINCK (2006)
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 26
i
Pflanzenernährung I
aus FINCK (2007)
Feger 15.4.2009
Folie 27
aus GISI et al. (1997)
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 28
Aufnahme und Transport
von Stoffen in der Pflanze
aus AMBERGER (1996)
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 29
Stoffaufnahme über das Blatt
Längsschnitt durch ein Blatt
und Feinbau der Epidermis
(aus FINCK, 1991)
aus FINCK (2007)
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 30
Stoffaufnahme über das Blatt
Bedeutung:
→ Blattdüngung
→ Immissionen
aus AMBERGER (1996)
Längsschnitt durch epidermale Zellwand mit Mikrokanälen
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 31
Stoffaufnahme über die Wurzel
Längsschnitt durch eine Feinwurzel
aus FINCK (2007)
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 32
Aufnahme von Wasser und Nährelement-Ionen
in der Rhizosphäre
Zellmembran
Aufnahme von Wasser:
•
entlang osmotischem Gefälle
(passiver Transport)
Aufnahme von (Nähr-) Ionen:
•
•
gegen osmotisches Gefälle
(aktiver Transport unter
Aufwendung von Energie)
Abgabe von Gegen-Ionen
(H+, HCO3-)
Pflanzenernährung I
(Plasmalemma)
Bodenlösung
+ ATP
Cytoplasma
+ ATP
H2O
Feger 15.4.2009
Folie 33
Wege der Nährstoffaufnahme in der Wurzel
1. Aktive Aufnahme in Plasma der
Außenzelle und Weiterleitung zur
Endodermis über Plasmodesmen
2. Passives Eindringen innerhalb
von Zellwänden u. Interzellularen
(freie Beweglichkeit, schwache Sorption)
verändert aus FINCK (2007)
symplastisch: Weg durch das Zellplasma
apoplasisch:
Pflanzenernährung I
Weg durch Zellwände (Interzellularraum)
Feger 15.4.2009
Folie 34
Grundprinzipien und –phänomene
der Ionenaufnahme durch Wurzeln
ATP
Carrier-Proteine
Pflanzenernährung I
aus FINCK (2007)
Feger 15.4.2009
Folie 35
Grundprinzipien und –phänomene
der Ionenaufnahme durch Wurzeln
FINCK (2007)
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 36
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 37
Aufnahme von organischen Molekülen
Lipoidfilter-Theorie:
Plasmahaut für organische Moleküle Ultrafilter
und selektives Lösungsmittel
kleine Moleküle:
passives Eindringen durch Filterporen
z.B. Harnstoff
große Moleküle:
Verbindungen mit Lipoiden
der Plasmagrenzflächen
nur Aufnahme von Molekülen
mit lipophilen Gruppen
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 38
Prozesse in der Boden-Wurzel-Grenzschicht
( = Rhizosphäre)
(aus GISI et al., 1997)
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 39
Prozesse in der Boden-Wurzel-Grenzschicht
( = Rhizosphäre)
(aus GISI et al., 1997)
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 40
Prozesse in der Boden-Wurzel-Grenzschicht
( = Rhizosphäre)
aus: Amberger (1996)
Mobilisierung von Mikronährstoffen und Phosphat in der Rhizosphäre
(nach Marschner)
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 41
Prozesse in der Boden-Wurzel-Grenzschicht
Bau und Funktion von Mykorrhiza*
*) „Pilzwurzel“
Symbiose Pilz + Pflanze
http://www.ipb-halle.de
http://www.waldwissen.net
Fotos: S. Egli (WSL, Birmensdorf)
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 42
Bau und Funktion von Mykorrhiza
(aus GISI et al., 1997)
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 43
Prozesse in der Boden-Wurzel-Grenzschicht
Bau und Funktion von Mykorrhiza
Pflanzenernährung I
Feger 15.4.2009
Folie 44