Rhizosphärenprozesse als Schlüssel für P-Effizienz in Reis

Reis ist Grundnahrungsmittel für mehr als die Hälfte der Erdbevölkerung. Insbesondere im Trockenreisanbau ist das Wachstum der Pflanzen häufig durch geringe P-Verfügbarkeit der Böden mit ausgeprägter P-Fixierung, sowie durch fehlende P-Dünger eingeschränkt. Es ist daher wichtig zu verstehen, welche Prozesse zu einer hohen P-Akquisitionseffizienz (PAE) der Pflanzen führen. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass Unterschiede in der PAE in Reislinien die an den Trockenreinanbau angepasst sind, weder durch morphologische Wurzelparameter (Wurzelsystemgröße, Wurzelhaare) noch durch Wurzelphysiologie (P-Depletionsseffizienz) erklärt werden können. Die Vermutung liegt daher nahe, dass biogeochemische Prozesse, die an der Wurzel-Boden-Schnittstelle, d. h. der Rhizosphäre, stattfinden, eine wichtige Rolle in der P Aufnahmeeffizienz bei Reis spielen. Ziel des Projektes ist es das Zusammenspiel biogeochemischer Prozesse in der Rhizosphäre von vier Reisgenotypen mit gegensätzlichen PAE- und Wurzelhaareigenschaften zu untersuchen (Oryza sativa DJ123 - hohe PAE, hohe Wurzelhaarlänge und -dichte (RLD); Nerica4 - niedrige PAE, niedrige RLD, Santhi Sufaid - hohe PAE, niedrige RLD; Sadri Tor Misri - niedrige PAE, hohe RLD). Wir vermuten, dass eine hohe PAE durch folgende Prozesse erklärt werden kann: (i) hohe Wurzelexsudationraten pro Wurzeloberfläche, (ii) hohe Freisetzung von Verbindungen wie Phenolen, Phosphatasen und Mucilage, von denen angenommen wird, dass sie P besonders effizient mobilisieren (iii) eine Rhizosphären-Mikrobiomzusammensetzung, mit einem großen Anteil and Mikroorganismen, die P löslich machen und das Pflanzenwachstum fördern (iv) einen hohen Mykorrhizierungsgrad. In Zusammenarbeit mit dem Pflanzengenetiker Matthias Wissuwa (JIRCAS) werden wir die Wurzelexsudation, den Grad der Genotyp-spezifischen Mykorrhizierung sowie die Zusammensetzung der Rhizosphären-Mikrobengemeinschaft der ausgewählten Reislinien unter niedriger und hoher P Verfügbarkeit in einem Feldversuch in Tsukuba, Japan untersuchen.In einem zweiten Schritt werden wir die P-Mobilisierungseffizienz von genotypspezifischen Wurzelexsudaten aus dem Feldversuch in Batch-Experimenten bestimmen, um herauszufinden ob Unterschiede in der Zusammensetzung der Wurzelexsudate zwischen den Genotypen die Unterschiede in der PAE erklären können. In einem dritten Schritt, werden wir uns auf das räumliche und zeitliche Zusammenspiel von P-Akquisition und biogeochemischen Rhizosphärenprozessen konzentrieren und verschiedene bildgebende Verfahren (Phosphor-Imaging, Zymographie, planare Optodenmessungen) sowie 33P-Markierung unter kontrollierten Bedingungen anwenden. Durch die Kombination von Bildgebungsverfahren- und Isotopenmarkierungstechniken können wir nicht nur Wurzeltypen und -regionen, die eine erhöhte Wurzelausscheidung und Enzymaktivität zeigen, mit den Regionen korrelieren, in denen P aufgenommen wird, sondern auch den Beitrag der Mykorrhiza zur P-Aufnahme quantifizieren. Unsere Ergebnisse werden offenlegen, welche Rhizosphärenprozesse eine hohe P-Aufnahmeeffizienz im Trockenreisanbau bewirken. Dies wird es ermöglichen, Rhizosphärenprozesse in Züchtungsprogrammen zu berücksichtigen, um die Erträge in landwirtschaftlichen Systemen mit niedrigem Input aufrecht zu erhalten.