Field studies on the interaction of mineral nitrogen supply and free air CO2 enrichment on grain protein content and grain protein composition of winter wheat
Plant Physiology
Final Report Abstract
Der Hintergrund für dieses Projekt war der häufig und insbesondere in Kammerversuchen gemachte Befund, dass der CO2-Anstieg bei Weizen zu einer Reduktion der Kornproteinkonzentration und einer Beeinträchtigung der Backqualität führt. Zusätzlich wurden die Messergebnisse aus diesem Projekt dazu verwendet, um die Wechselwirkung von CO2- und Stickstoffversorgung auf Wachstum, Ertrag und den saisonalen Wasserverbrauch sowie die daran beteiligten Kernprozess zu ermitteln. Es wurden folgende Ergebnisse erzielt: eCO2 fördert die N-Remobilisierung und postanthetische N-Aufnahme und verhindert so starken Abfall der Korn N Konzentration: Die N-Remobilisierung (Nrem) und die postanthetische N- Aufnahme (Nabs) werden durch eCO2 nicht gehemmt sondern eher gesteigert. Beide Prozesse sowie die N-Aneignung in der gesamten oberirdischen Biomasse und insbesondere in der Kornfraktion sind sehr stark abhängig von Kornzahl. Durch Erhöhung der Kornzahl unter eCO2 wird auch die N-Aneignung in der Kornfraktion über Nrem und Nabs erhöht. Keine Verbesserung von Korn-N% unter eCO2 durch sehr hohe Düngung. eCO2 verringert Korn-N% stärker bei hoher und sehr hoher N-Düngung (bis <-6%) als bei bei N-Mangel (nur um -1%). Gleichzeitig gab es unabhängig von der CO2-Behandlung zwischen den beiden Versuchsjahren einen großen Unterschiede im Korn-N% (>10%). Es wird angenommen, dass dies auf interannuellen Differenzen im photothermischen Quotient und damit verbundenen Differenzen in der Kornzahl beruht. Die unterschiedlichen CO2-Effekte auf Korn-N% wird auf den Effekt auf das Einzelkorngewicht zurückgeführt, dass durch eCO2 bei N-Mangel kaum aber bei guter N-Versorgung stärker erhöht wurde, sodass es hier zu einem Verdünnungungseffekt kam. eCO2 Effekt auf Backqualität und Proteinzusammensetzung. eCO2 verändert die Proteinzusammensetzung im Korn, wobei es scheint, dass dieser Effekt von weiteren Umweltfaktoren wie N-Verfügbarkeit abhängig ist. Die Backqualität wurde durch eCO2 nicht negativ beeinträchtigt. Jedoch verschob sich das maximale Backvolumen hin zu geringerer Korn-Proteinkonzentration. Hemmung der Nitratreduktase unter eCO2? Die Aktivität und Genexpression der Nitratreduktase im Blatt wird durch eCO2 nicht gehemmt sondern gefördert und trägt so bei zu einer Erhöhung der N- Aneignung des Weizens unter eCO2. Eine N-Versorgung der Pflanze über Ammonium statt Nitrat ist aufgrund der hohen Nitrifizierungsraten in Ackerböden technisch sehr schwierig umzusetzen und bringt keine Verbesserung des CO2-Düngeeffekts auf Weizen einschließlich der Wirkung auf das Kornprotein. Interaktion von CO2 x N auf Wasserverbrauch und Nutzung: eCO2 verringert den saisonalen Wasserverbrauch (um bis zu -15%) und erhöht die Wassernutzungseffizienz der Biomasseproduktion viel stärker bei guter N-Versorgung (+30%) als bei N-Mangel (+20%). Dies wird zurückgeführt auf die unterschiedlichen Bestandesdichten und die damit verbundenen Differenzen in der Evaporation. Danach wird die durch eCO2 bedingte transpiratorische Wasserersparnis bei N-Mangel durch eine Zunahme der Evaporation wieder „vergeudet“. Interaktion von CO2 x N auf Wachstum und Ertrag: Der relative Effekt von eCO2 auf Wachstum und Ertrag von Weizen fällt mit zunehmendem N-Mangel ab. Ursache für diese CO2 x N Interaktion ist die Abschwächung des positiven eCO2 Effekts auf die Strahlungsausnutzungseffizienz, was wiederum auf einer Reduktion des spezifischen Blattstickstoffgewichts und der Kornzahl beruht.
Publications
- (2016). Winter wheat grown under free air CO2 enrichment (FACE) does not perform less with nitrate than ammonium based fertilization in terms of N assimilation, growth and grain N concentration. EMBO conference: The nitrogen nutrition of plants, 22-26 August, Montpellier, Frankreich
Dier, M., Meinen, R., Erbs, M., Hänsch, R., Kollhorst, Kücke, M., Weigel, H.-J., Zörb, C., Manderscheid, R.
- (2016). Wirkung von CO2-Anreicherung und N-Düngung auf die Nitrat-Assimilation bei Winterweizen: Ist eine Ammonium betonte N-Düngung besser als eine Nitrat basierte? Mitt. Ges. Pflanzenbauwiss. 28, 34-35
Dier, M., Meinen, R., Erbs, M., Kollhorst, L., Baillie, C.-K., Kaufholdt, D., Kücke, M., Weigel, H.-J., Zörb, C., Hänsch, R., Manderscheid, R.
- (2017). Kommt es unter einer zukünftigen atmosphärischen CO2-Konzentration zu einer Abnahme der Backqualität. Mitt. Ges. Pflanzenbauwiss. 29, 42-43
Dier, M., Erbs, M., Köhler, P., M., Weigel, H.-J., Zörb, C., Manderscheid, R.
- (2017). Wechselwirkung von Free Air CO2 Enrichment (FACE) und N-Düngung auf die Ertragsbildung von Winterweizen. Mitt. Ges. Pflanzenbauwiss. 29, 213-214
Dier, M., Sickora, J., Erbs, M., Weigel, H.J., Manderscheid, R.
- (2018) Decreased wheat grain yield stimulation by Free air CO2 Enrichment under N deficiency is strongly related to decreased radiation use efficiency enhancement. European Journal of Agronomy 101, 38-48
Dier, M., Sickora, J., Erbs, M., Weigel, H.J., Zörb, C., Manderscheid, R.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.eja.2018.08.007) - (2018). Effects of free air carbon dioxide enrichment (FACE) on nitrogen assimilation and growth of winter wheat under nitrate and ammonium fertilization. Global Change Biology 24, e40-e54
Dier, M., Meinen, R., Erbs, M., Kollhorst, L., Baillie, C.-K., Kaufholdt, D., Kücke, M., Weigel, H.-J., Zörb, C., Hänsch, R., Manderscheid, R.
(See online at https://doi.org/10.1111/gcb.13819) - (2018). Nitrogen supply – A determinant in water use efficiency of winter wheat grown under free air CO2 enrichment. Agricultural Water Management 210, 70- 77
Manderscheid, R., Dier, M., Erbs, M., Sickora, J. and Weigel, H.J.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.agwat.2018.07.034)
