Auswirkungen der Sauerstoffdüngung auf die Schadensreduzierung bei überschwemmten Schnappbohnen (Phaseolus vulgaris L.)

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Nov 10, 2023

Auswirkungen der Sauerstoffdüngung auf die Schadensreduzierung bei überschwemmten Schnappbohnen (Phaseolus vulgaris L.)

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 4282 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Überschwemmungen sind eine der größten abiotischen Belastungen für die Gemüseproduktion in Florida. Es wurden Hydrokultur- und Topfversuche mit Zuckerbohnen durchgeführt, um die Auswirkungen der Sauerstoffdüngung auf den biochemischen und physiologischen Zustand überfluteter Bohnenpflanzen zu bewerten. In den Hydrokulturversuchen gab es drei Behandlungen: (1) überflutet (Kontrolle), (2) Blasenbelüftung mit Umgebungsluft und (3) zu Beginn des Versuchs angewendetes Wasserstoffperoxid (H2O2). Die Pflanzengesundheit wurde durch Bestimmung der Aufnahmeraten von Stickstoff (N) und Phosphor (P) bewertet. Die Topfversuche im Gewächshaus wurden verwendet, um die Auswirkungen von drei unterschiedlichen Aufwandmengen von festen Sauerstoffdüngern wie Kalziumperoxid (CaO2) und Magnesiumperoxid (MgO2) zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigten, dass die N- und P-Aufnahmeraten der Pflanzen mit H2O2 signifikant höher waren (p < 0,05) als ohne H2O2. Die N-Aufnahmeraten mit H2O2 entsprachen denen mit Blasenbildung. Die Aufnahmerate von NH4+ war unter den Blasen- und H2O2-Bedingungen deutlich höher als die von NO3−, aber die Aufnahmerate von NO3− war im Überschwemmungszustand deutlich höher als die von NH4+. Die Pflanzenhöhe, das Blattgrün, die Sprossbiomasse und der Ertrag waren mit CaO2 oder MgO2 alle deutlich größer als ohne festen Sauerstoffdünger. Der minimale Schaden an überschwemmten Bohnen wurde bei 2 g CaO2 oder 4 g MgO2 pro Topf festgestellt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Sauerstoffdüngung möglicherweise den Ertrag überfluteter Bohnenpflanzen verbessern kann.

Florida liegt bei der Anbaufläche und dem Gesamtwert der Produktion von Bohnen (Phaseolus vulgaris) an erster Stelle, die Produktivität von Bohnen (Phaseolus vulgaris) wird jedoch häufig durch starke Regenfälle infolge von Hurrikanen und tropischen Stürmen erheblich verringert. Zuckerbohnen sind anfällig für Überschwemmungen und leiden unter hypoxischem Stress, was zu einer Wachstumsunterdrückung und Ertragseinbußen führt1. Laut Holbrook und Zwieniecki2 ist Sauerstoffmangel im Boden die Hauptursache für hypoxischen Stress; Der Sauerstoffdiffusionskoeffizient ist in der Luft 10.000-mal größer (2,14 × 10–1 cm2 s−1) als in Wasser (1,97 × 10–5 cm2 s−1). Bei den meisten Pflanzenarten3 kommt es im Boden der Wurzelzone zu Sauerstoffmangel mit gelösten O2-Konzentrationen von weniger als 2 mg L−1. Daher erhalten Bohnenpflanzen auf überfluteten Feldern nicht genügend bioverfügbares O2 für einen normalen Wurzelstoffwechsel und leiden unter Schäden durch Staunässe.

Bei Hypoxie wird der anaerobe Stoffwechsel aktiviert und die oxidative Phosphorylierung gestoppt. Die aus der Glykolyse resultierende ATP-Biosyntheserate ist niedrig4,5,6,7. Aufgrund des Mangels an bioverfügbarem O2 als letztem Elektronenakzeptor kommt es im Krebszyklus zu einer Anhäufung von Zwischenprodukten, der NAD(P)+-Spiegel nimmt ab, Pyruvat reichert sich an und die ATP-Konzentration nimmt ab. Diese Veränderungen wirken sich negativ auf den Pflanzenstoffwechsel aus, einschließlich der Aufnahme von Nährstoffen wie Stickstoff (N) und Phosphor (P) und deren Assimilation3,8. Darüber hinaus leiden Pflanzen unter der Ansammlung von Ethanol und der Bildung von Toxinen im anaeroben Stoffwechsel9.

Alkoholdehydrogenase (ADH) ist ein gut untersuchtes Enzym in Pflanzen und kann in Wurzeln induziert werden, wenn es hypoxischen oder anaeroben Bedingungen ausgesetzt wird. Wenn die Sauerstoffbioverfügbarkeit in der Wurzelzone niedrig ist, steigt die ADH-Aktivität deutlich an, was die Toleranz der Pflanze gegenüber Hypoxie oder Anoxie verbessert10,11. Die ADH-Aktivität gilt als wesentlich für das Überleben von Pflanzen unter hypoxischen oder anaeroben Bedingungen12. Daher wird die ADH-Aktivität in den Wurzelspitzen überschwemmter Pflanzen als Indikator für die mögliche Toleranz gegenüber Überschwemmungen und die Schwere der Überschwemmung verwendet.

Die Sauerstoffdüngung der Wurzelzone ist eine mögliche Methode, um die Schäden durch Überschwemmungsstress zu mildern. Es gibt zwei Arten von Sauerstoffdüngern: feste Sauerstoffdünger (SOF) wie CaO2 und MgO2 und flüssige Sauerstoffdünger wie Wasserstoffperoxid (H2O2)13,14. Die hier aufgeführten festen Sauerstoffdünger setzen bioverfügbaren Sauerstoff langsam frei, d. h. Sauerstoffdünger mit langsamer Freisetzung, während der flüssige Sauerstoffdünger H2O2 bioverfügbaren Sauerstoff schnell freisetzt und als schneller Sauerstoffdünger gilt. Wasserstoffperoxid kann biologisch durch das Enzym Katalase (EC 1.11.1.16) abgebaut werden. Bei der Zersetzung von H2O2 werden 0,5 Mol bioverfügbares O2 pro Mol H2O2 freigesetzt, wie in der Gleichung15 dargestellt:

In überschwemmtem Boden zerfallen feste Sauerstoffverbindungen (z. B. CaO2, MgO2) zu H2O2, das dann der Rhizosphäre bioverfügbaren Sauerstoff liefert, wie in der Gleichung1,13 dargestellt:

Daher kann eine mit unlöslichen festen Sauerstoffdüngern angereicherte Erde potenziell den durch Überschwemmungen verursachten hypoxischen Stress in der Wurzelzone verringern.

Die Ziele dieser Studie bestanden darin, (1) die Sauerstoff-Bioverfügbarkeitsdynamik von Hydrokulturlösungen mit H2O2-Anwendung zu quantifizieren, (2) die Auswirkungen der Anwendung von Sauerstoffdünger auf die N- und P-Aufnahme durch überflutete Bohnenpflanzen zu bestimmen und (3) die Wirkung zu bewerten von langsam freisetzenden festen Sauerstoffdüngern mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf Wachstum und Ertrag von überfluteten Schnappbohnen.

Im hydroponischen Versuch 1–1 wird „Überschwemmung“ als Pflanzen definiert, die in einer Lösung wachsen, die weder Belüftung noch H2O2-Anwendung erhält. Bei allen Behandlungen nahmen die Konzentrationen von NO3− und P in der Nährlösung mit der Zeit ab (Abb. 1), was darauf hindeutet, dass NO3− und P von der Pflanze aufgenommen wurden. Es gab Unterschiede in den Nährstoffaufnahmeraten zwischen der Kontrolle und entweder der Belüftung oder der H2O2-Anwendung. Es gab jedoch keinen signifikanten Unterschied in der Aufnahmerate von NO3− zwischen der Behandlung mit H2O2 und der Belüftung (Abb. 2). Die NO3-Aufnahmerate war bei Flutung etwa 50 % geringer als bei Belüftung oder H2O2-Behandlung. Phosphor zeigte einen ähnlichen Trend wie NO3−; Es gab keinen signifikanten Unterschied zwischen der H2O2- und der Belüftungsbehandlung, aber die Überschwemmungskontrolle hatte eine deutlich geringere P-Aufnahmerate (Abb. 2) als jede der H2O2- und Belüftungsbehandlungen. Die Konzentration an gelöstem Sauerstoff (DO) unterschied sich im 10-Stunden-Experiment nicht signifikant zwischen der H2O2- und der Belüftungsbehandlung (Abb. 3). Der Sauerstoffgehalt der Kontrolle war nach 2 Stunden deutlich niedriger als bei jeder H2O2- und Belüftungsbehandlung. Dieses Ergebnis zeigte auch, dass die H2O2-Anwendung eine etwas bessere Wirkung auf die Sauerstoffanreicherung der Hydrokulturlösung hatte als die Belüftung.

Die dynamischen Änderungen der NO3− (I)- und P (II)-Konzentrationen in der Messlösung bei drei Behandlungen im Laufe der Zeit: (1) Fluten ohne Blasenbildung oder H2O2-Anwendung nach voreingestellter Zeit für die Messung (ungefähr 100 μM DO-Gehalt); (2) Belüftung (Sprudeln, 250 μM DO); und (3) Anwendung von 529 μM H2O2. Unterschiedliche Buchstaben zum gleichen Zeitpunkt weisen auf signifikante Unterschiede basierend auf dem Tukey's Honest Significant Difference (HSD)-Test hin (p ≤ 0,05).

Die kumulative Aufnahme von NO3− (I) und P (II) bei drei Behandlungen über 10 Stunden: (1) Flutung (ungefähr 100 μM DO-Gehalt bei 0 Stunden); (2) Belüftung (Sprudeln, 250 μM DO); und (3) Anwendung von 529 μM H2O2. Die Balken mit unterschiedlichen Buchstaben unterscheiden sich basierend auf dem HSD-Test (Tukey's Honest Significant Difference) deutlich (p ≤ 0,05).

Die Konzentrationen des gelösten Sauerstoffs (DO) bei drei Behandlungen über 10 Stunden: (1) Flutung ohne Belüftung oder H2O2-Anwendung); (2) Belüftung (Sprudeln, 250 μM DO); und (3) Anwendung von 529 μM H2O2. Die Balken mit unterschiedlichen Buchstaben unterscheiden sich basierend auf dem HSD-Test (Tukey's Honest Significant Difference) deutlich (p ≤ 0,05).

In Versuch 1–2 nahm die Anlage bei den H2O2- und Belüftungsbehandlungen zuerst NH4+ auf, während sie bei der Flutungsbehandlung zuerst NO3− aufnahm. Bei der Flutungsbehandlung sanken die DO-Werte von 0 bis 10 Stunden von 3 mg L−1 auf etwa 0,01 mg L−1, während die NO3−- und NH4+-Konzentrationen mit der Zeit abnahmen (Abb. 4). Der Abbau von NO3− war von 0 bis 8 Stunden schneller als der von NH4+, und die NH4+-Konzentration blieb höher als die von NO3−. Nach 10 Stunden unterschieden sich die NO3−- und NH4+-Konzentrationen nicht signifikant. Allerdings nahm bei den H2O2- und Belüftungsbehandlungen (Abb. 4) die Konzentration von NH4+ im Zeitraum von 0 bis 8 Stunden schneller ab als die von NO3−, und die Konzentration von NO3− blieb höher als die von NH4+. Die DO-Werte der H2O2-Behandlung blieben während 0 bis 10 Stunden über 8 mg L−1 und sanken nach 20 Stunden auf 3 mg L−1, was darauf hinweist, dass H2O2 alle 20 Stunden angewendet werden musste, um eine zufriedenstellende DO-Konzentration aufrechtzuerhalten.

Die dynamischen Änderungen für NO3−-, NH4+- und DO-Konzentrationen in Behältern mit drei Bedingungen. I = Belüftungsbedingung, II = Flutungsbedingungen (beginnend bei einem Gehalt von 3 mg L−1 DO, ohne Sauerstoffzusatz) für 20 Stunden und III = Flutungsbedingungen mit 529 μM H2O2 bei 0 Stunden. Ammonium = NH4+-Konzentration, Nitrat = NO3−-Konzentration, Sauerstoff = DO-Konzentration. Die Konzentrationsmessungen erfolgten alle 10 Minuten.

Für Versuch 1–3 betrug der DO-Gehalt in der Lösung zu Beginn 8 mg L−1, was luftgesättigt war. Die DO-Werte waren bei H2O2 (Abb. 5) durchgängig und signifikant höher als bei Belüftung (8 mg L−1) über einen Zeitraum von 0 bis 20 Stunden. Allerdings sank der DO-Spiegel nach 20 Stunden auf etwa 0,01 mg L−1, was darauf hindeutete, dass vor Beginn des zweiten Tages ein hypoxischer Stress auftrat. Zu Beginn des zweiten Tages vor der Anwendung von H2O2 war die Aufnahmerate von NO3− deutlich höher als der von NH4+, der auch bei der Flutungsbehandlung in Versuch 1–2 beobachtet wurde (Abb. 4). Nitrat enthält 3 Sauerstoffatome und kann Sauerstoff liefern, der als terminaler Elektronenakzeptor bei der Zellatmung fungiert, Ammonium enthält jedoch keinen Sauerstoff. Die Umkehr dieses Trends erfolgte 1 Stunde nach der H2O2-Gabe zu Beginn des zweiten Tages und 3 Stunden nach der H2O2-Gabe am 3. Tag.

Die dynamischen Änderungen der NO3−-, NH4+- und DO-Konzentrationen im Behälter über 96 Stunden. Die Lösung im Behälter wurde bei 0 Stunden mit O2 belüftet und 529 μM H2O2 wurden nach 48 Stunden aufgetragen. Die 5 mg L−1 NO3− und NH4+ wurden alle 24 Stunden appliziert. Ammonium = NH4+-Konzentrationen, Nitrat = NO3−-Konzentrationen, Sauerstoff = DO-Konzentrationen. Die Konzentrationsmessungen wurden alle 10 Minuten durchgeführt.

Bei Versuch 2 wiesen die Sämlinge mit SOF-Anwendung 2 Tage nach der Überschwemmung deutlich mehr Einheiten der Bodenpflanzenanalyse-Entwicklung (SPAD) auf als diejenigen ohne SOF (Tabelle 1). Der SPAD-Wert ist ein Indikator für die Blattgrünheit im Zusammenhang mit dem Chlorophyllgehalt in den Blättern. Bei den verschiedenen CaO2-Raten waren die SPAD-Werte bei 1 g CaO2 niedriger als bei höheren CaO2-Raten. Die Anwendungsmengen von MgO2 waren für die Blattgrünheit nicht signifikant. Darüber hinaus waren die Unterschiede in den SPAD-Messwerten der überfluteten Pflanzen bei jeweils 2 g, 4 g CaO2 und 8 g MgO2 deutlich größer als ohne Anwendung von Peroxid. Allerdings wiesen die Pflanzen ohne Flutung mit jeweils 2 g, 4 g CaO2 und 4 g, 8 g MgO2 deutlich höhere SPAD-Werte auf als mit entweder 1 g CaO2 oder ohne Peroxid. Die Messwerte mit 1 g CaO2 waren deutlich höher als bei der Kontrolle ohne Sauerstoffdüngung. Es wurde kein signifikanter Unterschied zwischen 2 g und 4 g CaO2 und allen MgO2-Gehalten festgestellt (Tabelle 1).

Die überfluteten Pflanzen waren mit CaO2 oder MgO2 deutlich höher als ohne Peroxidanwendung. Die Pflanzenhöhe ohne Überschwemmung war mit Sauerstoffdünger deutlich höher als ohne Sauerstoffdünger. Die nicht überfluteten Pflanzen mit 4 g CaO2 und 4 g MgO2 hatten die höchste Höhe (Tabelle 1).

Die Sprossbiomasse überfluteter Pflanzen war mit CaO2 oder MgO2 größer als ohne SOF (Tabelle 1). Bei der nichtflutenden Behandlung hatten nur diejenigen mit 2 g MgO2 und ohne SOF die geringste Pflanzenbiomasse (Tabelle 1).

Die Schotenerträge der überfluteten Bohnen waren bei der SOF-Behandlung höher als bei der Kontrolle (Abb. 6). Die Behandlungen mit 2 g CaO2 und 8 g MgO2 hatten eine um fast 50 % höhere Ausbeute als die Kontrolle, was deutlich höher war als die der übrigen Behandlungen (Abb. 6).

Auswirkungen von Überschwemmungen und der Anwendung von CaO2 und MgO2 auf die Erträge (I) und ADH (II) von Schnappbohnen in Töpfen. Die horizontale Achse zeigt unterschiedliche Mengen an aufgetragenem CaO2 und MgO2. CK1 repräsentiert die Gruppe ohne CaO2 und MgO2 mit Überflutung, CK2 repräsentiert die Gruppe ohne CaO2 und MgO2 und ohne Überflutung. Die Klassen mit unterschiedlichen Buchstaben unterscheiden sich bei p ≤ 0,05 signifikant.

Als Bioindikator wird die ADH-Aktivität verwendet, um die Auswirkungen unterschiedlicher SOF-Mengen auf das Wachstum und die Entwicklung überfluteter Pflanzen zu bewerten. Die ADH-Aktivitäten waren bei allen SOF-Behandlungen deutlich geringer als bei der Flutungsbehandlung. Beispielsweise lag die ADH-Aktivität in einem Bereich von 44 nmol NADH pro Minute und mg Protein für die überfluteten Bohnenpflanzen ohne Sauerstoffdüngung bis zu 5 nmol NADH pro Minute und mg Protein für die überfluteten Pflanzen mit 4 g CaO2 (Abb. 6). Die geringeren ADH-Aktivitäten deuteten darauf hin, dass die SOF-Behandlungen im Vergleich zur Flutungsbehandlung viel weniger Überschwemmungsstress hatten. Die Behandlungen mit 2 g CaO2, 4 g CaO2 und 8 g MgO2 hatten deutlich geringere ADH-Aktivitäten als die anderen Behandlungen (Abb. 6), was darauf hindeutet, dass diese Behandlungen im Vergleich zu den anderen Behandlungen noch weniger oder gar keinen Überschwemmungsstress aufwiesen. Dieses Ergebnis lieferte physiologische Beweise für die Bewertung des Potenzials von SOF zur Linderung des Überschwemmungsstresses.

Im Versuch 1 hatte die H2O2-Behandlung einen positiven Effekt auf die N- und P-Aufnahme der Pflanzen bei hypoxischem Stress. Die geringere Aufnahmerate überschwemmter Pflanzen wurde möglicherweise durch ATP-Mangel verursacht, der auf überschwemmungsbedingten Sauerstoffmangel und anaerobe Atmung zurückzuführen ist. Daher war die Anwendung von H2O2, also die direkte Zufuhr von O2, eine potenzielle Methode zur Linderung der Hypoxieschäden. Dieser Befund wird durch andere Studien gestützt. Jampeetong und Brix16 fanden heraus, dass mit NO3− versorgte Salvinia natans-Pflanzen in einer hypoxischen Lösung normal wuchsen, jedoch stark gehemmt waren, wenn nur NH4+ als Stickstoffquelle zugeführt wurde.

In Versuch 2 zeigten die Ergebnisse, dass die Anwendung von SOFs das Wachstum und die Entwicklung von Bohnenpflanzen bei Überschwemmungsstress steigerte. Lakitan17 berichtete, dass der Gesamtertrag und das Überleben von Bohnen anfällig für Überschwemmungen nach Beginn der Fortpflanzungsentwicklung waren (28 DAP), und dass Überschwemmungen bei späterem Wachstum (> 28 DAP) die Gesamterträge erheblich reduzierten. Nur wenige Pflanzen überlebten und es gab keinen messbaren Ertrag, als bei 36 DAP eine Überschwemmung verhängt wurde. In Zukunft müssen weitere Versuche mit SOF mit unterschiedlichen Überschwemmungsdauern in verschiedenen Pflanzenwachstumsstadien durchgeführt werden.

Nach der Aufnahme erfolgt die Stickstoffassimilation in mehreren Schritten, darunter die Reduktion von NO3− zu NH4+ und der anschließende Einbau von NH4+ in Aminosäuren18. Die NO3−-Reduktion wird durch das Enzym Nitratreduktase (NR, EC 1.6.6.1-3) katalysiert. Nitratreduktase reduziert NO3− zu NO2−, das dann auf den Chloroplasten übertragen wird, wo es durch Nitritreduktase (NiR, EC 1.6.6.4) zu NH4+ reduziert wird. Danach wird NH4+ zur Biosynthese von Glutamin durch Glutaminsynthase (GS, EC 6.3.5.1)19 verwendet. Nitratreduktase ist ein Schlüsselenzym, das von vielen Umweltfaktoren wie Überschwemmungen streng reguliert wird20,21. Anoxie und Hypoxie erhöhen die NR-Aktivität, und NO3− ohne verfügbaren molekularen Sauerstoff wird verwendet, um organische Moleküle zu oxidieren, um Energie zu gewinnen, ein Phänomen, das als „Nitratatmung“22 bezeichnet wird. Diese Studie könnte das Ergebnis stützen, dass Snap Beans bei Hypoxie mehr NO3− als NH4+ absorbieren, da die erhöhte NR- und NiR-Aktivität die NO3−-Aufnahme und -Assimilation fördern würde. Frühe Versuche verwendeten markiertes 15 NO3− zur Überwachung der Nitratassimilation während der anaeroben Keimung von Reis und zeigten, dass 15N in Aminosäuren eingebaut wurde23. Die Ergebnisse bestätigten, dass exogenes NO3−, das während des Sauerstoffmangels zugeführt wurde, von Pflanzen aufgenommen wurde23. Auch wenn die NO3−-Versorgung überschwemmter Kulturpflanzen die Überlebensrate erhöht, sind die biochemischen und molekularen Mechanismen, die seinen positiven Auswirkungen zugrunde liegen, noch nicht vollständig verstanden. Daher wird künftige Forschung erforderlich sein, um die Mechanismen für das Überleben von Pflanzen bei Überschwemmungen durch NO3−-Änderung zu untersuchen.

Die Ergebnisse dieser Studie zeigten den Trend, dass die Ergänzung von NO3− die NH4+-Aufnahme steigern kann (Abb. 4). Beispielsweise konnte eine ausreichende Versorgung mit NO3− die Folgen einer Wurzelanoxie oder -hypoxie bei Gerste lindern9. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass NO3− unter hypoxischen oder anoxischen Bedingungen als alternativer terminaler Elektronenakzeptor dienen kann8. Nitrat kann die Folgen einer Anoxie auf andere Weise lindern. Da eine ausreichende Versorgung mit NO3− direkt die Nitratreduktase-Aktivität induzieren kann24, wodurch NADH von der Reduktion von Acetaldehyd zu Ethanol umgeleitet wird. Die Anreicherung schädlicher Ethanolkonzentrationen in den Zellen wird verzögert. Außerdem kann NO3− das Redoxpotential der Rhizosphäre beeinflussen und durch Einstrom in O2-defiziente Wurzeln oder durch Aufnahme in teilweise belüftete flache Wurzeln als Sauerstoffquelle wirken9.

Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass die Peroxide CaO2 und MgO2 das Potenzial haben, die Überschwemmungsschäden in Bohnen zu mildern. Mehrere Forscher haben beobachtet, dass längere Überschwemmungen zum Aufhören des Wurzel- und Sprosswachstums, zum Welken, zu einer verringerten Nährstoffaufnahme und häufig zum Absterben der Pflanzen führen25. Laut Lakitan17 hatten Überschwemmungen in verschiedenen Wachstumsstadien der Bohnenpflanze unterschiedliche Auswirkungen auf Wachstum und Ertrag, und es gibt Hinweise darauf, dass eine längere Überschwemmungsdauer zu geringeren Überlebensraten und geringeren Erträgen führen würde17. Daher sind weitere Studien erforderlich, um die Auswirkungen fester Sauerstoffdüngung auf die Reduzierung von Überschwemmungsstress und die Überlebensraten von Bohnen in verschiedenen Wachstumsstadien und mit unterschiedlicher Dauer von Überschwemmungsbehandlungen zu bewerten.

Schnappbohnen sind anfällig für hypoxischen Stress und leiden häufig unter Überschwemmungen, insbesondere in der Hurrikan- und Tropensturmsaison. Wir haben sowohl Hydrokultur- als auch Topfversuche durchgeführt, um zu untersuchen, wie sich die Sauerstoffdüngung auf die Aufnahmeraten von NH4− und NO3− und P, das Wachstum und die Erträge überfluteter Bohnen auswirkt. Drei Peroxide, darunter H2O2, CaO2 und MgO2, wurden bewertet. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass die Sauerstoffdüngung das Potenzial hat, Überschwemmungsschäden an überschwemmten Bohnen zu minimieren. Die Anwendung von Wasserstoffperoxid erhöhte den Gehalt an gelöstem Sauerstoff und die Aufnahmerate von NH4+, NO3− und P durch die Bohnen deutlich. Bohnen hatten eine Vorliebe für die Aufnahme von NH4+-N mit ausreichend bioverfügbarem Sauerstoff. Bei Überschwemmungen wird jedoch NO3-N bevorzugt. Die richtige Dosierung von festem Sauerstoffdünger von 2 g CaO2 oder 8 g MgO2 erbrachte den höchsten Ertrag unter allen überschwemmten Bohnenpflanzen. Somit hatten sowohl CaO2- als auch MgO2-Sauerstoffdüngung das Potenzial, weiterhin Nährstoffe wie N und P von überfluteten Bohnenpflanzen zu absorbieren, Überschwemmungsschäden zu reduzieren und den Ertragsverlust zu minimieren. Diese neuartigen Methoden der Sauerstoffdüngung können wirtschaftliche Verluste abmildern und der Landwirtschaft zugute kommen, die häufig verschiedenen hypoxischen Belastungen ausgesetzt ist.

Die Bohnenbohne (P. vulgaris. cv. „Bronco“) ist eine primäre Gemüsepflanze und wird in den USA häufig angebaut. Die „Bronco“-Samen sind für Forschungs- und Züchtungszwecke im Handel erhältlich und wurden vor Beginn der Studie im Frühjahr 2015 von einem Saatgutunternehmen, HOSS TOOLS mit Sitz in Norman Park, GA (GPS-Koordinaten: Breitengrad: 31,2462 und Längengrad -83,6549), gekauft. Wunder -Gro®-Gartenerde wurde von Lowes in Gainesville, FL, bezogen.

In Versuch 1 wurden Bohnensamen 24 Stunden lang in 0,15 % H2O2 eingeweicht und fünfmal mit entionisiertem (DI) Wasser gespült und dann in eine 12-cm-Petrischale mit angefeuchtetem Filterpapier gegeben und in einem Reißverschluss verschlossen Plastiktüte verpackt und über Nacht bei 33 °C inkubiert. Nach dem Auflaufen der Sämlinge wurde jeder Sämling in einen Kunststoffkorb mit einem Durchmesser von 5,1 cm verpflanzt. Die Körbe (Net Pots Net Cups, Heavy Duty Plastic Net Pot mit Wide Rim Design) wurden in einem Aeroponiksystem platziert, um ein schnelles Wurzelwachstum und eine schnelle Wurzelentwicklung zu ermöglichen. Das Aeroponiksystem bestand aus einem Tank, der zur Hälfte mit 10 %iger Hoagland-Lösung26 gefüllt war, einer Nebelpumpe, Schläuchen und drei Sprinklern, die die Wurzeln kontinuierlich besprühten. Nach zwei Wochen wurden die Sämlinge mit drei echten Blättern vom Aeroponiksystem in ein Hydroponiksystem überführt, wo die Wurzeln zu Messzwecken in eine 1000 ml 0,2 mM CaSO4-Lösung getaucht wurden. Die Verwendung einer 0,2 mM CaSO4-Lösung diente dem Schutz der Membranen, da Calcium für die Unversehrtheit und Selektivität biologischer Membranen unerlässlich ist27.

Im Versuch 2 wurden zwei Topfgrößen für unterschiedliche Zwecke verwendet. Die kleineren Töpfe mit einem Durchmesser von 7,6 cm und einer Höhe von 8,9 cm dienten der Samenkeimung. Die größeren Töpfe mit 15 cm Durchmesser × 16,5 cm Höhe für die Produktion. Es wurde Miracle-Gro®-Gartenerde verwendet und die Düngemittel pro Topf wie folgt ausgebracht: NH4NO3, 2,92 g; Dreifaches Superphosphat, 1,65 g; Kaliumchlorid, 0,44 g pro Topf.

Die Versuche wurden alle im Horticultural Sciences Department der University of Florida/IFAS, Gainesville, Florida, durchgeführt. Die Hydrokulturversuche bestanden aus drei Unterversuchen. In den Versuchen 1–1 und 1–2 wurden die gleichen Behandlungen mit vier Wiederholungen durchgeführt. Der Versuch 1–1 wurde in einer klimakontrollierten Wachstumskammer mit einem Temperaturbereich von 23–27 °C, 16 Stunden Tageslicht und 8 Stunden Dunkelheit durchgeführt. Die Versuche 1–2 und 1–3 wurden in einem Standardgewächshaus mit einem Temperaturbereich von 23–27 °C durchgeführt. Der Versuch 2 wurde in einem hohen Tunnel unter natürlicher Atmosphäre durchgeführt. Die Behandlungen wurden durchgeführt durch (1) Überschwemmungskontrolle ohne Blasenbildung oder Anwendung von H2O2 nach der voreingestellten Zeit (ungefähr 100 μM DO-Gehalt zu Beginn, keine Sauerstoffzugabe), (2) Belüftung (kontinuierliche Sauerstoffzufuhr mit einer Luftpumpe), und (3) H2O2 (Anwendung von 529 μM H2O2 bei 0 h). Das Wachstumsmedium war 1 l entionisiertes Wasser mit 0,22 g L−1 KH2PO4, 0,373 g L−1 KNO3, 0,02 g L−1 CaSO4, 0,012 gL−1 MgSO4, 0,29 mg L−1 H3BO3, 0,18 mg L−1 MnCl2∙ 4H2O, 0,02 mg L−1 ZnSO4∙7H2O, 0,008 mg L−1 CuSO4∙5H2O, 0,002 mg L−1 H2MoO4∙H2O, 0,65 mg L−1 Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) und 0,62 mg L−1 FeSO4∙7H2O. Für Versuch 1–1 wurden 10 Stunden lang alle 2 Stunden 2-ml-Proben aus der Mitte der Töpfe entnommen. Die Proben wurden mit einem diskreten Seal AQ-2-Analysegerät (2006 SEAL Analytical Ltd. Mequon, WI) auf ortho-P (EPA-Methode 365.3) und NO3− (EPA-Methode 352.1) analysiert (Abb. 1).

Für die Versuche 1–2 wurden Neulog™-Sensoren für gelösten Sauerstoff, Neulog NO3−-Sensoren und Neulog NH4+-Sensoren für jeden Behälter eingerichtet, um Konzentrationsänderungen zu überwachen (Abb. 7). Diese drei Sensoren wurden kombiniert und in jedem Behälter installiert, und Aluminiumfolie wurde verwendet, um die Sensoren und Pflanzen zu halten und das Sonnenlicht zu blockieren. Die Daten wurden 20 Stunden lang alle 10 Minuten überwacht und mit dem NeuLog™-Sensor für gelösten Sauerstoff, Nitrat-Logger-Sensoren und Ammonium-Logger-Sensoren (Sensor für gelösten Sauerstoff der Marke Neulog, EISCO Scientific, Rochester, NY, USA) aufgezeichnet.

Das Diagramm von Behältern und Sensoren, die zur Überwachung von Konzentrationsänderungen von NH4+, NO3− und DO in Hydrokulturen mit einer Bohnenpflanze verwendet werden.

In den Versuchen 1–3 wurden dieselben Sensoren und Einstellungen wie in den Versuchen 1–2 verwendet, um die konstant dynamischen Stickstoffveränderungen 96 Stunden lang (96 Stunden) zu überwachen. Das Wachstumsmedium war 1 l entionisiertes Wasser mit den gleichen Inhaltsstoffen wie Versuch 1–1, verwendete jedoch 0,57 g L−1 NH4H2PO4 und 1,8 g L−1 KNO3 anstelle von 0,22 g L−1 KH2PO4 und 0,373 g L−1 KNO3. Zusätzlich wurden alle 24 Stunden 0,57 g L−1 NH4H2PO4 und 1,8 g L−1 KNO3 verabreicht, um 5 mg L−1 NO3− und 5 mg L−1 NH4+ bereitzustellen. Die Daten wurden 4 Tage lang (96 Stunden) alle 30 Minuten aufgezeichnet.

In Versuch 2 wurde ein vollständig randomisiertes Design mit 4 Wiederholungen verwendet. Es gab zwei SOFs mit unterschiedlichen Mengen, nämlich CaO2 mit 0, 1, 2 und 4 g pro Topf und MgO2 mit 0, 2, 4 und 8 g pro Topf. Die Samen wurden zwei Wochen lang in 7,6-cm-Töpfe gepflanzt und nach der Keimung in die 15,2-cm-Töpfe (Innenvolumen: 2.622 cm3) überführt. Das SOF, CaO2 oder MgO2 wurde mit der Erde gemischt (ungefähr 2.000 cm3 pro Topf), die gemischte Erde wurde in die 15,2-cm-Töpfe gegeben und dann wurden die Sämlinge jeweils in die Töpfe verpflanzt. Pro Topf wurde ein Sämling gepflanzt. Die Düngemittelmengen basierten auf dem Gemüseproduktionshandbuch von Florida28. Die N-, P- und K-Ausbringungsmengen betrugen für die gesamte Saison 112 kg ha-1, 134 kg ha-1 und 134 kg ha-1. Nach einer Woche wurden beide Gruppen mit CaO2 und MgO2 in jeweils zwei Untergruppen aufgeteilt. Eine Untergruppe wurde einzeln in mit Wasser gefüllten 18,9-L-Eimern geflutet, um die Überschwemmungsbedingungen zwei Tage lang zu simulieren, während eine andere Untergruppe nicht geflutet wurde.

Die mit einem SPAD-Messgerät (Knoica-Minolta, Osaka, Japan) ermittelten Daten zur Blattgrünheit, die den Chlorophyllgehalt der Blätter repräsentieren, die Pflanzenhöhe, die ADH-Aktivitäten und die Sprossbiomasse wurden gemessen, als die überfluteten Pflanzen zu welken begannen. Um Ertragsdaten zu sammeln, wurde dieser Versuch identisch wiederholt und die Erträge wurden bei 55 DAP gemessen.

In Versuch 2 wurde zwei Tage nach der Überschwemmung pro Behandlung etwa 1 g Wurzeln (4–5 cm von den Spitzen entfernt) geerntet und in einen mit flüssigem Stickstoff gefüllten Behälter gegeben. Die Wurzel-ADH-Aktivität wurde gemäß einer Modifikation der Methode30 wie folgt bestimmt. Die Wurzelspitzen (1 g) wurden in einem Extraktionslösungspuffer (10 ml) homogenisiert, der aus 7,88 g L-1 Tris-HCl (pH 8,0), 0,29 g L-1 EDTA, 0,5 μg L-1 DTT und 0,08 mg bestand L−1 β-Mercaptoethanol. Anschließend wurde die Extraktionslösung des ADH-Enzyms 10 Minuten lang bei 4 °C und 15.000 U/min zentrifugiert. 100 μl Enzymlösung wurden zu 900 μl einer Reaktionslösung bestehend aus 7,88 g L-1 Tris-HCl (pH 9,0), 0,29 g L-1 EDTA und 0,66 g L-1 NAD hinzugefügt. Die Mischung wurde in 1,5-ml-Mikrozentrifugenröhrchen in einem Wasserbad bei 30 °C 3 Minuten lang inkubiert. Um die messbare Reaktion zu starten, wurden 100 µL 100 % Ethanol zu der 900 µL Reaktionsmischung gegeben. Die Messungen wurden nach 15 s durchgeführt und die Absorption bei A340 wurde alle 15 s zwei Minuten lang aufgezeichnet. Nach einer Reaktionszeit von 1 Minute in der Küvette wurde eine Messung bei 340 nm mit einem Spektrophotometer (Eppendorf BioSpectrometer®, Hauppauge, NY, USA) durchgeführt, um die Konzentration von NADH zu bestimmen. Die Aktivität wurde unter Verwendung eines Werts von 6,22 mmol−1 cm−1 als molarem Extinktionskoeffizienten von NADH bei 340 nm31 berechnet.

Alle statistischen Analysen wurden mit der Statistiksoftware R Studio (RSTUDIO, INC., Boston, MA) durchgeführt. Eine einfaktorielle ANOVA wurde angewendet, um die Signifikanz von SPAD-Messwerten, Pflanzenhöhen, Sprossbiomasse, Ertrag und ADH-Aktivitäten zu testen. Vergleiche der Mittelwerte für signifikante Effekte wurden mithilfe von Tukey-HSD-Tests ermittelt. Die gesammelten Daten wurden alle einer statistischen Analyse durch ANOVA unterzogen, und der Wert von (HSD bei 5 % wurde berechnet, um alle zwei Mittelwerte zu vergleichen. Unterschiede zwischen den Mittelwerten und Korrelationskoeffizienten wurden auf dem Niveau p < 0,05 als statistisch signifikant erachtet.

Alle Experimente an Pflanzen, einschließlich der Sammlung von Bohnenmaterial, der Sorte „Bronco“, wurden strikt in Übereinstimmung mit den einschlägigen Richtlinien, Vorschriften und Gesetzen durchgeführt.

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Anna-Lisa Paul

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GDL, DL, AL.P. und KTM konzipierten die Experimente. DL führte die Experimente durch, analysierte die Daten und verfasste den ersten Entwurf des Manuskripts. Alle Autoren haben zur Bearbeitung und Verbesserung des Manuskripts beigetragen. GDL hat das Manuskript fertiggestellt.

Korrespondenz mit Guodong Liu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Liu, D., Paul, AL., Morgan, KT et al. Auswirkungen der Sauerstoffdüngung auf die Schadensreduzierung bei überfluteten Schnappbohnen (Phaseolus vulgaris L.). Sci Rep 12, 4282 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-08165-5

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Eingegangen: 29. September 2021

Angenommen: 03. März 2022

Veröffentlicht: 11. März 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-08165-5

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