Changes in the concentration of particular hormones and carbohydrates in apple shoots after "bending" respectively chemical treatments and relationship to the flower induction process

Abstract

SUMMARY Apples are cultivated commercially throughout the temperate zone. A regular production however does not seem possible because of irregular yields from year to year. Main causes for this are the so called "alternate bearing" behavior which is the result of profuse flowering in one year but few or no flowers in the following year. It is reported that too vigorously growing shoots are part of the reasons for alternate bearing in apple trees. Applications of chemicals or conventional cultural practices, such as bending shoots have been widely used to restrict shoot growth and promote flower induction. However, the physiological mode of action of these methods in FI is still unknown. Phytohormones are thought to be involved in the process of flower induction (FI). In the above experiments, we investigated changes in endogenous hormones, starch and sugar contents after bending upright shoots into a horizontal position and spraying apple trees with the growth regulators Alar plus Ethrel to improve FI. The experiments were carried out during the years 2001 to 2003 at the Experiment Station, of the University of Hohenheim, Germany, whereby the apple cvs. ?Golden Delicious?, ?Boskoop?, ?Elstar? and ?Idared? were used. The apical part of growing shoots and non-growing bourse shoots, beside bark, wood and shoot diffusates were collected. Plant samples were frozen immediately in liquid nitrogen and freeze dried. Phosphate buffer 0.1M, pH 6.2 was used for collecting auxin in the shoot diffusates. All samples were stored at ?20C until extraction and purified, identified and quantified by Radio Immuno Assay (RIA). The results revealed, in general, that shoot bending and spraying with Alar plus Ethrel changed the endogenous hormone concentrations in the apical part of shoots, as well as in wood, bark and shoot exudates of apple trees. The ?Golden Delicious? cultivar and vigorously growing shoots showed clearer tendencies of hormonal changes than the other cvs. and non-growing bourse shoots. Cytokinin concentrations in the apical part of shoots, and in wood and bark increased after both treatments. Contrary to that, GAs and IAA concentrations in the apical part of shoots and in shoot exudates showed the opposite results. Both treatments had no effect on the concentration of ABA. Ethylene production in shoot tips was considerably stimulated by the combined treatment of Ethrel plus Alar probably due to Ethrel being a "synthetic precursor" of ethylene. Considerable variation existed in the mentioned hormonal changes in respect to the year of examination and the cv. under investigation. Time of treatments and in particular climatic conditions were probably the most influential variables. In spite of all this and on the basis of the above results the conclusion can be drawn that higher concentrations of cytokinins and lower concentrations of gibberellins and auxin are favorable for FI. Spraying with Alar plus Ethrel and bending of shoots seemed to decrease the reducing-sugars, as well as sucrose and starch concentrations in growing shoots and their leaves. In non-growing shoots, spraying seemed to reduce starch but to increase reducing-sugars and sucrose concentrations. A correlation between changes in carbohydrate contents (reducing sugar, sucrose and starch) caused by the spraying treatments and FI does not seem to exist. All the observed changes in the carbohydrate concentrations caused by spraying treatments were not particular impressive and did not really support the often published claim that the effect of spraying growth regulators, bending shoots or other cultural practices may mediate their stimulatory effect on FI via a change in carbohydrates. In contrast to that the above observed experimental results rather suggest that hormones are more effectively involved in the flower induction process of fruit trees.

ZUSAMMENFASSUNG Kommerzieller Apfelanbau findet im gesamten gemäßigten Klimabereich statt. Die Produktion ist jedoch über die Jahre hinweg nicht konstant. In vielen Anbaugebieten schwanken daher die Produktionszahlen erheblich. Hauptgrund hierfür ist die Alternanz, was soviel bedeutet wie, dass die Apfelbäume in einem Jahr sehr stark, im Folgejahr hingegen kaum oder überhaupt nicht blühen und fruchten. All zu kräftiges Triebwachstum wird als eine der möglichen Ursachen der Alternanz von Apfelbäumen genannt. Es ist weithin bekannt, daß die Anwendung gewisser synthetischer Wachstumsregulatoren oder bestimmte Anbaumaßnahmen dazu geeignet sind das Triebwachstum zu begrenzen und die Blüteninduktion (BI) von Apfelbäumen zu fördern. Der im Hinblick auf die Blüteninduktion physiologisch wirksame Mechanismus dieser Verfahren ist jedoch immer noch weitgehend unbekannt. Intensiv wird eine Beteiligung von Phytohormonen an diesem Prozeß der BI diskutiert. In den vorliegenden Experiment untersuchten wir neben den Veränderungen der endogenen Hormonkonzentrationen auch diejenigen des Stärke- und Zuckergehalts als Folge des Herunterbiegens von Trieben, sowie des Spritzens von synthetischen Wachstumsregulatoren mit dem Ziel der Verbesserung der BI. Die Versuche wurden in den Jahren 2001 bis 2003 an der Versuchstation der Universität Hohenheim durchgeführt, wobei die Sorten ?Golden Delicious?, ?Boskoop?, ?Elstar? und ?Idared? aufgrund ihres unterschiedlichen Alternanzverhaltens als Versuchsobjekte ausgewählt wurden. Dazu wurden die Triebspitzen wachsender Langtriebe und nicht-wachsender Fruchtspieße (bourse shoots), sowie Rinde, Holz und Sprossspitzendiffusate gesammelt. Das Pflanzenmaterial wurde unmittelbar in flüssigem Stickstoff schockgefroren und gefriergetrocknet. Zur Gewinnung der Auxin-Sprosspitzendiffusate wurde 0,1M Phosphatpuffer, pH 6,2 verwendet. Alle Proben wurden bis zu ihrer Analyse bei ?20°C gelagert. Das Pflanzenmaterial wurde über Nacht in 80 prozentigem kaltem Methanol extrahiert und über eine Kombination aus PVP, DEAE-Sephadex A-25 Säulen sowie Sep-Pak C18 Kartuschen aufgereinigt. Der Gehalt an den endogenen Hormonen Cytokininen (CKs), Gibberellinen (GA1,3,20= GAs), Abszisinsäure (ABS) und Auxin (IES) wurde mittels Radioimmunoassay (RIA), Ethylen mittels GC qualitativ und quantitativ bestimmt. Generell wiesen die Ergebnisse auf veränderte Hormonkonzentrationen in Triebspitzen, Rinde, Holz und Triebexsudaten infolge des Biegens, bzw. Spritzens mit Alar und Ethrel hin. Wachsende Triebe im allgemeinen und die Sorte ?Golden Delicious? im besonderen zeigten deutlichere Tendenzen als das übrige Pflanzenmaterial. Hier zeigte sich, dass die Cytokinin-Konzentrationen in den Triebspitzen, Holz und Rinde nach beiden Behandlungsmethoden deutlich anstiegen. Im Gegensatz zu den Cytokininen zeigten die GAs- sowie IES Konzentrationen in Triebspitzen und Triebexsudaten nach Biegen und Wachstumsregulator Applikation rückläufige Tendenzen. Infolge der Spritzungen konnte auch ein Anstieg der Ethylen-Konzentrationen gemessen werden, vermutlich weil Ethrel eine synthetische Vorstufe von Ethylen darstellt. Ein Einfluß der Behandlungen hinsichtlich der ABS-Gehalte war nichterkennbar. Diese Ergebnisse stehen mit einigen Ergebnissen früherer Experimenten im Einklang. Für das über die 3 Jahre und 4 Sorten beobachtete nicht immer konstante Verhalten bezüglich der Hormon und Kohlenhydrat Veraenderungen kann man wahrscheinlich das Alter der Bäume, den Zeitpunkt der Behandlungen sowie unterschiedliche klimatische Bedingungen verantwortlich machen. Aus den vorliegenden Ergebnissen könnte die Schlussfolgerung gezogen werden, daß die BI von Obstbäumen hohe CKs-Konzentrationen und niedrige GAs und IES-Gehalte voraussetzt. Die Spritzung von Alar und Ethrel schien zu einer Verringerung der reduzierenden Zucker, Saccharose und Stärke in wachsenden Apfel-Trieben und ihren Blättern zu führen. In nicht wachsenden "bourse-Trieben" hingegen zeigten sich zwar die Stärkegehalte aufgrund der Spritzung verringert, die Konzentrationen an reduzierenden Zuckern und Saccharose wurden jedoch durch die Behandlung erhöht. Im Ganzen gesehen scheint jedoch keine positive Korrelation zwischen veränderten Kohlenhydratgehalten und den Spritzbehandlungen zu existieren. Bislang wurde häufig angenommen, dass der Anstieg der Blütenknospenbildung, z.B. wie er nach Anwendung von Wachstumsretardanzien, oder agronomischer Maßnahmen, wie Ringelung, Wurzelschnitt und Fruchtausdünnung zu beobachten, in irgendeiner Weise mit einem Ansteigen der Kohlenhydrate an den Orten der Blütenbildung in Verbindung stehe. Bislang gibt es dazu jedoch keinerlei direkte Beweise. Diese Befunde lassen u.U. den Schluss zu, dass den Kohlenhydrat-Reserven eine gewisse Bedeutung bei der Induktion von Blütenknospen zukommt, dass sie dabei jedoch nicht die Schlüsselrole spielen.