Identifizierung und Quantifizierung von Trockenstressreaktionen an ausgewählten Zierpflanzenkulturen

Abstract

The present thesis gives attention to the development of a practicable screening process for the identification of drought-stress tolerant ornamental plants. Requirements are to be created in terms of reduced water use, market expansion to warmer regions and increased ability of transportation. The studies were included into a cooperative research project involving 4 plant breeding companies, research centre Jülich, research institute Geisenheim and the GFP. Scope of the thesis was the deployment and evaluation of an assessment scheme to quantify drought-stress reactions, the development of dehydration experiments under stationary climatic conditions and to search for physiological markers of drought-stress tolerance. The experiments were mainly conducted on Petunia Cultivars and Impatiens Neu Guinea Grp. Genotypes. Main results of the investigation are listed below: 1. The species specific assessment schemes are based on an accurate visual characterization of the wilting process. The wilting is rated using ranks from 1 ? 9. Assessed parameters were the phyllotaxy, surface texture and leaf color. The assessment schemes were proved to be acceptably objective and precise during the experiments and the genotypes were evaluated accordingly. 2. The plants were dried out under standardized conditions in climate chambers. The decrease of water as well as the occurrence of wilting was recorded. Climatic conditions (temperature, humidity and radiation) in dehydration experiments were set up to reach a rank of 9 in 5 to 9 days according to drought-stress tolerance and pretreatment of genotypes. For this reason, an adequate differentiation between genotypes was ensured even with a single assessment per day. However, the system weight (substrate and plant), which was used to characterize the stress intensity has to be corrected about the fresh weight of plants. The investigated genotypes of Impatiens behaved similarly regarding to their drought-stress tolerance in many replications and consequently allowed for a ranking. In contrast, the ranking order of investigated genotypes of Petunia was vague in experimental replications. However, an influence of water supply on the wilting behavior of plants was detected in this context. 3. In order to search for physiological markers of drought-stress tolerance, studies on water potential, gas exchange and thermal imaging were conducted in line with the dehydrogenation experiments. A tendency was shown, that drought-stress tolerant genotypes reacted later and less distinctive on drying of the substrate compared to susceptible plants. But a correlation between water potential of shoots and water supply in the substrate as well as a differentiation between genotypes was certainly week. This was mainly due to high variation of data. The transpiration rate of investigated plants reacted more on water supply though. The ranking, which was based on the parameter transpiration rate correlated well with the ranking of the wilting behavior from the dehydrogenation experiments. Consequently, the stomata management appears to be a promising indicator of drought-stress tolerance. Thermal imaging showed an increase of leaf temperature with decreasing moisture content of the substrate. Accordingly, the leaf temperature of Impatiens can serve as an indicator for the opening rate of stomata. 4. Currently, the dehydrogenation experiments can be considered as the easiest and most practicable approach to identify drought-stress tolerant genotypes of Impatiens and Petunia due to the results of the present thesis. Physiological measurements supported the ranking of genotypes, which was developed according to the dehydrogenation experiments. Especially, data on the opening rate of stomata illustrated differences between the tested genotypes. However, the dehydrogenation experiment does not provide information of the dependence of vegetative and generative performance of plants on water supply, which is very important for producers of ornamentals. 5. The ranking of drought-stress tolerance from climatic chambers corresponds only partly with results of experiments under field conditions. Therefore, a screening concept has to be developed in a subsequent project to investigate the complex context of climate-stress tolerance.

Die vorgelegte Dissertation befasst sich mit der Entwicklung eines praxistauglichen Screening-Verfahrens zur Identifizierung trockenstresstoleranter Genotypen von Zierpflanzen. Damit sollen Voraussetzungen zur Wassereinsparung in der Produktion, zur Ausdehnung der Märkte auf wärmere Regionen und zur Verbesserung der Transporttoleranz geschaffen werden. Die Untersuchungen wurden schwerpunktmäßig an Genotypen von Petunia Cultivars und Impatiens Neu Guinea Grp. durchgeführt. Hierbei wurden folgende Ergebnisse erzielt: 1. Das im Rahmen von Dehydrierungsexperimenten erarbeitete artspezifische Boniturschema basiert auf einer exakten Beschreibung des Welkeverlaufs. Bewertet wird der Welkegrad mit Hilfe von Boniturnoten (Note 1 bis 9). Berücksichtigt wurde dabei neben der Blattstellung auch die Oberflächenbeschaffenheit und Farbe der Blätter. Das Schema erwies sich in den Untersuchungen als hinreichend objektiv und präzise. Mit seiner Hilfe konnten die Genotypen hinsichtlich ihrer Trockenstresstoleranz bewertet werden. 2. In Klimakammern wurden die Genotypen unter standardisierten Bedingungen ausgetrocknet. Dabei wurde sowohl der Wasserverlust im Substrat festgehalten, wie auch das Auftreten von Welke. Die Dehydrierungsexperimente wurden hinsichtlich der Klimabedingungen (Temperatur, Luftfeuchte und Bestrahlungsstärke) und des Spross- und Substratvolumenverhältnisses so gestaltet, dass die Boniturnote 9 je nach Stresstoleranz der Genotypen und der Vorbehandlung in etwa 5 bis 9 Tagen erreicht wurde. Damit war auch bei einer nur einmal täglichen Bonitur eine ausreichende Differenzierung zwischen den Genotypen gewährleistet. Das zur Charakterisierung der Stressintensität verwendete Systemgewicht (Substrat und Pflanze) ist allerdings um das Frischgewicht der Genotypen zu korrigieren. Die untersuchten Impatiens Genotypen verhielten sich hinsichtlich ihrer Trockenstresstoleranz in vielen Wiederholungen als ähnlich und ermöglichten somit ein klares Ranking. Bei den geprüften Petunien Genotypen war die Rangfolge in den einzelnen Wiederholungen dagegen nicht so klar. In diesem Zusammenhang wurde jedoch auch festgestellt, dass das Wasserangebot in der Anzuchtphase ebenfalls einen Einfluss auf das Welkeverhalten nehmen kann. 3. Um physiologische Marker für eine Trockenstresstoleranz aufzuspüren, wurden Wasserpotenzialstudien, Gaswechselmessungen und thermografische Untersuchungen im Rahmen von Dehydrierungsexperimenten durchgeführt. Hierbei hat sich gezeigt, dass trockenstresstolerante Genotypen hinsichtlich der Absenkung des Trieb-Wasserpotenzials tendenziell später und weniger ausgeprägt auf ein Austrocknen der Substrate reagieren als sensible Genotypen. Die Abhängigkeit des Trieb-Wasserpotenzials vom Wasserangebot im Substrat war allerdings nur schwach ausgeprägt und die Differenzierung zwischen den in den Untersuchungen befindlichen Genotypen gering, unter anderem auf Grund der großen Streuung der Messwerte. Deutlich sensibler reagierte die Transpirationsrate der Pflanzen auf das Wasserangebot. Das mit Hilfe dieses Parameters aufgestellte Ranking der Genotypen stimmte mit dem Ranking das aufgrund des Welkeverhaltens im Rahmen der Dehydrierungsexperimente aufgestellt wurde überein. Somit erscheint das Stomatamanagement als aussichtsreicher Indikator für die Identifizierung von Trockenstresstoleranz. Mit Hilfe der thermografischen Aufnahmen konnte gezeigt werden, dass sich die Pflanzen mit abnehmender Substratfeuchte und dem Schließen der Stomata deutlich erwärmen. Für Impatiens kann die Pflanzentemperatur als Indikator für den Öffnungsgrad der Stomata dienen. 4. Aus den vorgelegten Ergebnissen kann man schließen, dass sich die beschriebenen Dehydrierungsexperimente derzeitig als das einfachste und für die Praxis am besten realisierbare Verfahren zur Identifizierung trockenstresstoleranter Genotypen von Impatiens und Petunien präsentieren. Parallel zur Erfassung des Welkeverlaufs durchgeführte physiologische Messungen, insbesondere die Erfassung des stomatären Öffnungsgrades, unterstützen das Ranking und erklären einen Teil der Ursachen für das unterschiedliche Verhalten der Genotypen. Das Dehydrierungsexperiment erfasst allerdings nicht die für den Produzenten besonders wichtigen Parameter der Trockenstresstoleranz wie zum Beispiel die Abhängigkeit der vegetativen und generativen Leistung vom Wasserangebot. 5. Evaluierungsuntersuchungen im Freiland haben gezeigt, dass das in Klimakammern aufgestellte Ranking der Trockenstresstoleranz nur bedingt mit der komplexen Stresstoleranz gegenüber hohen Temperaturen, hoher Einstrahlung und Trockenstress korrespondiert. In einem Folgeprojekt soll deshalb ein Screeningkonzept entwickelt werden, in dem die komplexe Klimastresstoleranz geprüft werden kann