Effect of nutrient limitation on physiological and morphological plant traits related to growth and quality of tomato

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es, das Verständnis über Reaktionen von Tomaten auf limitiertes Nährstoffangebot zu verbessern. In der Kontrollbehandlung (100% Biomassewachstum) wurden Pflanzen ohne Nährstofflimitierung kultiviert. Bei den Mangelvarianten wurde entweder K, Mg oder N kontinuierlich in Raten angeboten, die das Wachstum auf etwa 80% (leichter Mangel) oder 60% (starker Mangel) der Kontrolle reduzierten. Dieser Versuchsansatz ermöglichte es, pflanzliche Reaktionen auf eine gut definierte Intensität von Mangel an K, Mg und N zu vergleichen. Nährstofflimitierung veränderte die Biomasse- und Nährstoffallokation auf die verschiedenen Pflanzenorgane, wobei diese Veränderungen sich je nach Nährstoff unterschieden, aber nicht von der Intensität des Mangels abhängig waren. Die Wirkungen von Nährstofflimitierung auf morphologische Wurzel- und Sprosseigenschaften waren ebenfalls Nährstoff-spezifisch und nicht abhängig von der Intensität des Mangels. Die Wirkungen auf die Fruchtqualität, z.B. den Gehalt an Zuckern, Lycopin und Vitamin C waren Nährstoff-spezifisch und bei einigen Parametern auch von der Intensität des Mangels abhängig. Die Pflanzenreaktionen auf Mg-Mangel wurden in größerem Detail untersucht. In den ersten 6 Tagen nach Beginn der Limitierung nahmen die Mg-Konzentrationen in allen Organen stark ab, ohne Wirkung auf das Wachstum und die Photosynthese. Mangel erhöhte die Blattzuckergehalte, aber die Zuckerakkumulation stand in keiner Beziehung zur Photosyntheserate. Diese nahm erst ab, wenn die Blatt-Konzentrationen auf Werte unterhalb von 0,1 bis 0,2 mg Mg g-1 Frischmasse abgesunken waren. In Mg-Mangelpflanzen akkumulierten Zucker in den Sourceblättern sogar wenn das Source/Sink-Verhältnis in den Pflanzen durch Beschattung der basalen Blätter stark verringert wurde. Das stimmt mit der Annahme überein, dass Mg-Mangel aufgrund einer Inhibierung der Phloembeladung den Zuckerexport aus den Blättern verringert.

This thesis aims to increase our understanding about plant responses to K, Mg and N limitation and their relationship with fruit quality of tomato. In the control treatment (100% biomass growth), plants were grown at high nutrient concentration. In the nutrient-limitation treatments, either K or Mg or N was supplied continuously at rates, which reduced biomass growth to about 80% (mild deficiency) or 60% (severe deficiency) of the control. This experimental approach allowed comparing long-term plant responses to deficiency of K, Mg or N at well-defined intensities of nutrient limitation. Nutrient limitation was associated with changes of biomass and nutrient allocation among various plant organs, whereby these changes were nutrient specific (e.g., biomass allocation to leaves was increased in Mg deficient plants, and decreased in N deficient plants), but not much dependent on the intensity of nutrient limitation. Effects of nutrient limitation on root and shoot morphological traits were also nutrient-specific and independent on the intensity of deficiency. Effects of nutrient limitation on fruit quality, e.g, sugar, lycopene and ascorbic acid content, were also nutrient-specific, and for specific parameter dependent on the intensity of deficiency. Responses to Mg deficiency were studied in more detail. In the first 6 days after start of Mg limitation, Mg concentrations in all plant organs drastically decreased without any effects on growth and leaf photosynthetic rates. Mg-deficiency increased leaf sugar concentrations, but sugar accumulation was not directly related to leaf photosynthesis which only decreased after leaf Mg concentrations were below 0.10 to 0.20 mg Mg g-1 leaf fresh mass. In Mg-deficient plants, sugars accumulated in source leaves even when the source/sink ratio was strongly decreased by shading of basal leaves. This is in accordance with the suggestion that sugar export is reduced due to inhibition of phloem loading.