Bio-effector based fertilization strategies to improve drought stress tolerance and phosphate efficiency in potato

Abstract

Due to shallow root systems, potato is considered as a drought sensitive crop. To counteract these limitations, application of plant growth-promoting microorganisms (PGPMs) is discussed as a strategy to improve nutrient acquisition and biotic and abiotic stress resilience. However, particularly initial root colonization by PGPMs can be affected by stress factors with negative impact on root growth and activity or the survival of PGPMs in the rhizosphere. Initial screening experiments (Chapter 3) investigated drought-protective effects of six fungal and bacterial inoculants and ten combinations thereof (microbial consortia) on vegetative growth, nutritional status and tuberization of potato under controlled conditions. It was hypothesized that microbial consortia would offer improved drought protection as compared with single strains due to complementary or synergistic effects, with a differential impact also of the N fertilization management. Under nitrate fertilization, a 70% reduction in water supply over six weeks reduced shoot and tuber biomass by 30% and 50%, respectively and induced phosphate (P) limitation. The P-nutritional status was significantly increased above the deficiency threshold by three single strain inoculants and eight consortia. This was associated with the presence of the arbuscular mycorrhizal (AM) inoculant Rhizophagus irregularis MUCL41833 (5 cases) and stimulation of root growth (5 cases). Additionally, Bacillus amyloliquefaciens FZB42 and an AM + Pseudomonas brassicacearum 3Re2-7 combination significantly reduced irreversible drought-induced leaf damage after recovery to well-watered conditions. However, despite beneficial effects on vegetative growth, the microbial inoculants did not mitigate drought-induced limitations in tuber formation, neither in greenhouse culture nor in field experiments. Contrary to nitrate supply, ammonium dominated fertilization significantly increased tuber biomass under drought stress, which was further increased by additional AM inoculation. This was associated with (i) improved enzymatic detoxification of drought-induced reactive oxygen species (ROS), (ii) improved osmotic adjustment in the shoot tissue (glycine betaine accumulation), (iii) increased shoot concentrations of ABA, jasmonic acid and indole acetic acid (IAA), known to be involved in drought stress signaling and tuberization, and finally (iv) reduced irreversible drought-induced leaf damage. Additional application of the bacterial inoculants FZB42, 3Re2-7 or Herbaspirillum further improved ROS detoxification by increased production of antioxidants. However, this resulted in stimulation of biomass allocation towards shoot growth at the expense of tuber development. The results demonstrated that compared with single strain inoculants, microbial consortia used as inoculants can increase the probability for complementary plant-protective effects under environmental stress conditions. However, the absolute effect size is not always different. Drought-protective effects on vegetative growth do not necessarily translate into yield benefits and are affected by the form of N supply and the selected inoculant strains. Application of silicatic soil conditioners to improve soil water relationships under drought stress may be strategy to support rhizosphere establishment of PGPM inoculants with drought-protective potential under conditions of water deficit. In Chapter 4, perspectives for the use of commercial silicatic soil conditioners (SC) supposed to improve soil water retention, were investigated. The SC products were based on combinations of silicatic rock powder with lignocellulose polysaccharides (Sanoplant® = SP) or polyacrylate (Geohumus® = GH). It was hypothesized that SC applications would support beneficial plant-inoculant interactions with Rhizophagus irregularis MUCL41833 & Pseudomonas brassicacearum 3Re2-7 on a silty loam soil-sand mixture under water deficit conditions. Although no significant SC effects on WHC and total plant biomass were detectable, the SC-inoculant combinations increased the proportion of leaf biomass not affected by drought stress symptoms (chlorosis, necrosis) by 66% (SP) and 91% (GH). Accordingly, osmotic adjustment (proline, glycine betaine accumulation) and ROS detoxification (ascorbate peroxidase, total antioxidants) were increased. This was associated with elevated levels of phytohormones involved in stress adaptations (abscisic-, jasmonic-, salicylic-acids, IAA) and reduced ROS (H2O2) accumulation in the leaf tissue. In contrast to GH, the SP treatments additionally stimulated AM root colonization. Finally, the SP-inoculant combination significantly increased tuber biomass (82%) under well-watered conditions and a similar trend was observed under drought stress, reaching 81% of the well-watered control. The P status was sufficient for all treatments and no treatment differences were observed for stress-protective nutrients, such as Zn, Mn, or Si. By contrast, GH treatments had negative effects on tuber biomass, associated with excess accumulation of Mn and Fe in the leaf tissue close to the toxicity levels. The findings suggest that inoculation with the PGPMs in combination with SC products (SP) can promote physiological stress adaptations and AM colonization to improve tuber yield of potato, independent of effects on soil water retention. However, this does not apply for SC products in general. Chapter 5 investigated an optimized PGPM application technology based on granulated organic fertilizer formulations (Minigran®), specifically adapted to improve the shelf life of selected microbial consortia. Microbial consortia were based on selected strains of Pseudomonas brassicacearum (Cons1), Paraburkholderia phytofirmans (Cons2) and Paraburkholderia phytofirmans+ Trichoderma asperelloides (Cons3) in combinations with arbuscular mycorrhizal fungi (Rhizophagus irregularis), applied in the protective organic Minigran® formulations with or without additional application of the silicatic lignocellulose soil conditioner (Sanoplant®). At the end of a two-weeks recovery period from six weeks drought stress at a soil moisture level of 25% soil water holding capacity, all tested Minigran-Consortia formulations reduced the proportion of irreversibly drought-damaged leaves by 35-88%, irrespective of the soil conditioner treatments. Already the Minigran blank formulations had a certain beneficial effect on enzymatic (ascorbate peroxidase) and particularly non-enzymatic (total antioxidants) detoxification of reactive oxygen species (ROS), indicated by a significantly reduced ROS (H2O2) accumulation in the leaf tissue. This effect was further improved by introduction of the microbial consortia. Both, the Mingran blank formulations and the Minigran-consortia combinations, affected the hormonal status in the leaf tissue towards increased ABA/Gibberellic acid (GA) ratios and increased IAA levels, known to support tuber initiation and tuber growth and increased the jasmonic acid concentrations involved in abiotic stress signalling. The Minigran blank formulations also increased the root colonisation with AM fungi, which was further increased by introduction with the consortia, particularly in combination with the soil conditioner. Beneficial effects of the consortia on tuber biomass were mainly recorded in combination with the soil conditioner and even reached the values of well-watered controls with NPK fertilisation in case of Cons1. This was associated with a compensation of drought-induced reductions in P and K accumulation in the shoot tissue. Tuber quality was improved by increased starch concentrations with a simultaneous reduction of soluble sugars. The findings suggest that application of selected organic microbial consortia formulations in combination with silicatic soil conditioner has potential to improve the drought tolerance of potato and requires further investigation under field conditions.

Aufgrund ihres flachen Wurzelsystems gilt die Kartoffel als besonders trockenheitsempfindliche Kulturpflanze. Um diesen Einschränkungen entgegenzuwirken, wird unter anderem der Einsatz von pflanzenwachstumsfördernden Mikroorganismen (PGPMs) als Strategie zur Verbesserung der Nährstoffaufnahme sowie der Widerstandsfähigkeit gegen biotischen und abiotischen Stress diskutiert. Insbesondere die anfängliche Wurzelbesiedlung durch PGPMs kann jedoch durch Stressfaktoren beeinträchtigt werden, die sich negativ auf das Wurzelwachstum und die Wurzelaktivität oder das Überleben von PGPMs in der Rhizosphäre auswirken. Erste Screening-Experimente (Kapitel 3) untersuchten die Schutzwirkung von sechs Pilz- und Bakterienstämmen sowie zehn Kombinationen (mikrobielle Konsortien) auf das vegetative Wachstum, den Ernährungszustand und die Knollenbildung von Kartoffeln unter kontrollierten Trockenstressbedingungen. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass mikrobielle Konsortien im Vergleich zu Einzelstämmen aufgrund komplementärer oder synergistischer Wirkungen die Trockenstressresistenz verbessern können, mit unterschiedlichen Auswirkungen auch durch die Form des Stickstoffangebotes. Unter Nitratdüngung führte eine Reduzierung der Wasserzufuhr um 70% über einen Zeitraum von sechs Wochen zu einer Reduzierung der Spross- und Knollenbiomasse um 30% bzw. 50% und zu Phosphat (P)-Limitierung. Der P-Ernährungsstatus der Pflanzen wurde durch drei mikrobielle Einzelstämme und acht Konsortien signifikant über die Mangelgrenze erhöht. Dies war mit der Anwendung des AM-Stammes Rhizophagus irregularis MUCL41833 (5 Fälle) und der Stimulierung des Wurzelwachstums (5 Fälle) verbunden. Darüber hinaus reduzierten Bacillus amyloliquefaciens FZB42 und eine Kombination aus AM + Pseudomonas Brassicacearum 3Re2-7 durch Trockenstress verursachte, irreversible Blattschäden auch nach Beendigung der Defizitbewässerung. Trotz der positiven Wirkung auf das vegetative Wachstum konnten die mikrobiellen Inokulanzien jedoch weder in Gewächshauskultur, noch in Feldversuchen den Trockenstress-bedingten Einschränkungen bei der Knollenbildung entgegenwirken. Im Gegensatz zur Nitratdüngung erhöhte eine Ammonium-dominierte N-Versorgung die Knollenbiomasse unter Trockenstress signifikant, was durch zusätzliche AM-Inokulation noch weiter gesteigert wurde. Dies war verbunden mit (i) einer verbesserten enzymatischen Entgiftung Trockenstress-induzierter reaktiver Sauerstoffspezies (ROS); (ii) einer verbesserten osmotischen Anpassung im Sprossgewebe (Glycin-Betain-Akkumulation); (iii) einer erhöhten Sprosskonzentrationen von ABA, Jasmonsäure und Indol-essigsäure (IAA), mit Beteiligung an physiologischen Signalwegen zur Anpassung an Trockenstress und der Knollenbildung; und schließlich (iv) reduzierte, irreversible, durch Trockenstress verursachte Blattschäden. Die zusätzliche Anwendung bakterieller Inokulantien (FZB42, 3Re2-7; Herbaspirillum) verbesserte die ROS-Entgiftung durch eine erhöhte Produktion von Antioxidantien zusätzlich. Dies führte jedoch zu einer Stimulierung der Biomasseallokation für das Sprosswachstum auf Kosten der Knollenentwicklung. Die Ergebnisse zeigten, dass mikrobielle Konsortien, im Vergleich zu Einzelstamminokulanzien die Wahrscheinlichkeit komplementärer Schutzwirkungen gegen Trockenstress erhöhen können. Allerdings ist die absolute Effektgröße nicht immer unterschiedlich. Schutzeffekte auf das vegetative Wachstum führen nicht unbedingt zu Ertragsvorteilen und werden auch von der Form der N-Düngung und den ausgewählten Impfstämmen beeinflusst. Der Einsatz von silikatischen Bodenverbesserern zur Verbesserung der Boden-Wasser-Verhältnisse bei Trockenstress könnte eine Strategie sein, um die Etablierung von PGPMs mit Schutzpotenzial bei Wassermangel in der Rhizosphäre zu unterstützen. In Kapitel 4 werden Perspektiven für den Einsatz kommerzieller, silikatischer Bodenverbesserer (SC) zur Verbesserung der Wasserhaltefähigkeit (WHC) von Böden untersucht. Die SC-Produkte basierten auf Kombinationen von Gesteinsmehlen mit Lignozellulose-Polysacchariden (Sanoplant® = SP) oder Polyacrylat (Geohumus® = GH), die in Kombination mit einem PGPM Konsortium (Rhizophagus irregularis MUCL41833 + Pseudomonas brassicacearum 3Re2-7) appliziert wurden. Obwohl keine signifikanten SC-Effekte auf WHC und die gesamte Pflanzenbiomasse nachweisbar waren, erhöhten die SC-Konsortium-Kombinationen den Anteil der Blattbiomasse, die nicht von Trockenstresssymptomen (Chlorose, Nekrose) betroffen war, um 66% (SP) bzw. 91% (GH). Entsprechen war die Blattakkumulation osmotisch wirksamer Substanzen (Prolin, Glycin-Betain) und die ROS-Entgiftung (Ascorbatperoxidase, Antioxidantien) erhöht. Dies war mit erhöhten Spiegeln von Phytohormonen verbunden, die an Stressanpassungen beteiligt sind (Abscisinsäure, Jasmonsäure, Salicylsäure, IAA), und führte in der Konsequenz zu einer verringerten Anreicherung von ROS (H2O2) im Blattgewebe. Im Gegensatz zu GH, stimulierten die SP-Behandlungen zusätzlich die AM-Wurzelbesiedlung. Schließlich steigerte die SP-PGPM-Kombination die Knollenbiomasse unter gut bewässerten Bedingungen signifikant (82%), und ein ähnlicher Trend wurde unter Trockenstress beobachtet, der 81% der gut bewässerten Kontrolle erreichte. Der P-Status war für alle Behandlungen ausreichend, und es wurden keine Behandlungsunterschiede für Nährstoffe mit Schutzpotenzial wie Zn, Mn oder Si beobachtet. Im Gegensatz dazu hatten GH-Behandlungen negative Auswirkungen auf die Knollenbiomasse, was mit einer stark erhöhten Anreicherung von Mn und Fe im Blattgewebe im Bereich der Toxizitätswerte verbunden war. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Inokulation mit PGPMs in Kombination mit SC-Produkten (SP) physiologische Stressanpassungen und AM-Kolonisierung fördern kann, um den Knollenertrag von Kartoffeln zu verbessern, unabhängig von Auswirkungen auf die Bodenwasserretention. Dies gilt jedoch offensichtlich nicht für alle SC-Produkte im Allgemeinen. Kapitel 5 untersuchte eine optimierte PGPM Anwendungstechnologie auf Basis granulierter organischer Düngemittelformulierungen (Minigran®), die speziell zur Verbesserung der Vitalität ausgewählter PGPM-Konsortien angepasst wurden. Die Konsortien basierten auf Stämmen von Pseudomonas brassicacearum (Cons1), Paraburkholderia phytofirmans (Cons2) und Paraburkholderia phytofirmans + Trichoderma Asperelloides (Cons3) jeweils im Kombination Rhizophagus irregularis MUCK41833 in den schützenden, organischen Minigran®-Formulierungen mit oder ohne zusätzliche Anwendung des silikatischen Lignozellulose-Bodenverbesserers Sanoplant®. Zwei Wochen nach einer sechswöchigem Trockenstressphase reduzierten alle getesteten Konsortien den Anteil irreversibler Blattschäden um 35–88%, unabhängig von der Applikation des Bodenverbessers. Bereits die Minigran-Blankformulierungen hatten eine gewisse positive Wirkung auf die enzymatische (Ascorbatperoxidase) und insbesondere nicht-enzymatische (Gesamtantioxidantien) Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), was sich in einer deutlich verringerten Anreicherung von ROS (H2O2) im Blattgewebe zeigte. Dieser Effekt wurde durch die Verwendung der mikrobiellen Konsortien weiter verstärkt. Sowohl die Mingran-Blankformulierungen als auch die Minigran-Konsortien-Kombinationen beeinflussten den Hormonstatus im Blattgewebe in Richtung eines erhöhten Verhältnisses von ABA/Gibberellinsäure (GA) und eines erhöhten IAA-Spiegels, was bekanntermaßen den Knollenansatz und das Knollenwachstum fördert. Weiterhin wurden erhöhte Jasmonsäure-Konzentrationen detektiert, die u.a. an der Signalübertragung für abiotischem Stressanpassungen beteiligt sind. Die Minigran-Bank-Formulierungen fördeten auch die Wurzelbesiedlung mit arbuskulären Mykorrhizapilzen, die durch die Einführung der Konsortien insbesondere in Kombination mit dem Bodenverbesser noch weiter gesteigert wurde. Positive Auswirkungen der Konsortien auf die Knollenbiomasse wurden hauptsächlich in Kombination mit dem Bodenverbesserer festgestellt und erreichten bei Cons1 sogar die Werte gut bewässerter Kontrollen mit NPK-Düngung. Dies war mit einer Kompensation Trockenstress-bedingter Verringerungen der P- und K-Anreicherung im Sprossgewebe verbunden. Die Knollenqualität wurde durch erhöhte Stärkekonzentrationen bei gleichzeitiger Reduzierung löslicher Zucker verbessert. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Anwendung ausgewählter organischer mikrobieller Konsortienformulierungen in Kombination mit dem silikatischem Bodenverbesserer das Potenzial hat, die Trockenheitstoleranz von Kartoffeln zu verbessern, und dass weitere Untersuchungen unter Feldbedingungen erforderlich sind.