Antagonismus und Synergismus von Ionen bekannte und unbekannte Kombinationen von Elementen

Antagonismus und Synergismus von Ionen bekannte und unbekannte Kombinationen von Elementen.

Pflanzen sind stationäre Organismen, die ständig verschiedenen Nährstoffbelastungen ausgesetzt sind, die häufig im Boden und in der Umwelt auftreten. Stickstoff (N), Phosphor (P), Schwefel (S), Zink (Zn) und Eisen (Fe) sind die fünf wichtigsten Nährstoffe, die das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen erheblich beeinflussen.

Trotz ihrer Bedeutung sind diese Elemente aufgrund ihrer geringen Löslichkeit und begrenzten Mobilität im Boden für die Pflanzen oft schwer zugänglich. Um mit diesen Herausforderungen fertig zu werden, haben die Pflanzen jedoch Mechanismen entwickelt, um unter den Bedingungen von multifaktoriellem Stress und begrenzter Nährstoffaufnahme zu überleben.

Die Wechselwirkungen zwischen N, Pi (anorganischem Phosphat), S, Zn und Fe sind auf physiologischer Ebene untersucht worden. Die molekularen Mechanismen und Signalwege, die diese Wechselwirkungen ermöglichen, sind jedoch noch weitgehend unerforscht. In diesem Artikel werden die neuesten Forschungsergebnisse über die biochemischen und physiologischen Wechselwirkungen zwischen Makro- und Mikroelementen in Pflanzen vorgestellt. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf dem Zusammenspiel von N, Pi, S, Zn und Fe. Dazu gehören die Aufnahme und die Homöostase dieser Elemente. Letztendlich ist ein umfassendes Verständnis des Zusammenspiels mehrerer Nährstoffsignalwege in Pflanzen von großer biologischer Bedeutung. Es ist entscheidend für die nachhaltige Weiterentwicklung der Landwirtschaft.

Das funktionelle Ion der Pflanzen: komplexe Wechselwirkungen zwischen Makro- und Mikronährstoffen (Kombinationen von Elementen)

Vor mehr als einem Jahrzehnt wurde der Begriff „Ion“ als „eine Zusammensetzung von Mineralstoffen und Spurenelementen eines lebenden Organismus“ verstanden. In jüngster Zeit haben einige Wissenschaftler ein neues Konzept eines „funktionellen Ions“ vorgeschlagen. Es umfasst alle für das Wachstum und die Entwicklung lebender Organismen notwendigen mineralischen Elemente. Diese lassen sich in die Makronährstoffe N, P, K, S, Mg und Ca sowie in die Spurenelemente Zn, Fe, Cu, Mn, Mo, Ni und B einteilen (Abb. 1). Mehrere frühere Studien haben jedoch gezeigt, dass drei weitere Elemente – Si (Silizium), Co (Kobalt) und Se (Selen) – ebenfalls für ein optimales Pflanzenwachstum erforderlich sind.

Wechselwirkungen zwischen Makro- und Mikronährstoffen oder Pflanzennährstoffen als Reaktion auf einen Mangel an einzelnen Mineralien.

Abbildung 1. Wechselwirkungen zwischen Makro- und Mikronährstoffen bzw. Pflanzennährstoffen als Reaktion auf einen Mangel an einzelnen Mineralien. Wechselwirkungen, die sich aus einem Mangel an einem Element (einem der 16 Elemente) ergeben, führen zu einer erhöhten (durchgezogene Linien) oder verringerten (gestrichelte Linien) Aufnahme anderer Mineralien.

Nährstoffmängel können das „funktionelle Ion“ von Pflanzengeweben verändern.

Die Wissenschaftler haben bei Rapspflanzen mit Mineralstoffmangel 18 verschiedene Wechselwirkungen auf der Ebene der Aufnahme festgestellt. Insbesondere die Mo-Aufnahme war bei Pflanzen mit einem Mangel an S, Fe, Zn, Cu, Mn oder B signifikant erhöht (Abb. 1). Es wurde vermutet, dass dieses Ergebnis auf direkte und indirekte Stoffwechselstörungen zurückzuführen sein könnte. Mo und S, was zu einer Verstärkung ihrer Transporter führt.

Die Vernetzung von Si und Zn beeinflusst das „funktionelle Ion“ von Mais. Die Versorgung der Maispflanzen mit Si und/oder Zn führt zu einer deutlichen Verringerung der Konzentration von Pi, K, Mg, Ca, Mn, Ni und Co in den Wurzeln, erhöht aber die Konzentration von Se. Eine positive Wirkung der Interaktion von Si und Fe auf das Wachstum und die Produktivität von Gemüse und Getreide wurde ebenfalls festgestellt. Die Dynamik des „funktionellen Ion“ von Pflanzen, die einem individuellen Mineralstoffmangel ausgesetzt sind, ist also nicht zu unterschätzen. Sie zeigt die Komplexität und Vielfalt der Wechselwirkungen zwischen einzelnen Pflanzenmineralien.

Im Allgemeinen bestätigen diese ionomischen Analysen (Elementkombinationen) –

-, dass es in Pflanzen zu komplexen Wechselwirkungen zwischen Mineralstoffen kommt, was darauf hindeutet, dass diese Wechselwirkungen bei bestimmten Mängeln die Anreicherung anderer Mineralstoffe stimulieren oder hemmen, wodurch sich die ionische Zusammensetzung von Pflanzengeweben verändert. Darüber hinaus wurden in einigen Studien physiologische und genetische Wechselwirkungen zwischen Pflanzennährstoffen untersucht, wobei kombinierte Ionomics- und genomweite Assoziationsstudien (GWAS) zum Einsatz kamen. Die Verwendung von niedrigem Pi beim Anbau von Stachelbeeren wirkte sich auf die Konzentrationen anderer Nährstoffe aus. Die Konzentrationen von Zn, Fe, S sowie Kupfer und Kobalt in den Versuchspflanzen stiegen deutlich an. Dank der raschen Entwicklung multipler Ansätze und der Systembiologie wurden Fortschritte beim Verständnis der molekularen Mechanismen erzielt, die den physiologischen und genetischen Prozessen zugrunde liegen, die auf mehrere Nährstoffsignale zurückzuführen sind.

In terrestrischen Ökosystemen sind höhere Pflanzen immobile Organismen, die unterschiedlichen Umweltbelastungen ausgesetzt sind. Dazu gehören Nährstoffdefizite im Boden und hochreaktive Metalle, die das Überleben und die Entwicklung der Pflanzen erheblich beeinträchtigen. Insbesondere Kulturpflanzen, die im Boden angebaut werden, sind während ihres gesamten Lebenszyklus Nährstoffbelastungen ausgesetzt. Dazu gehören zum Beispiel niedrige oder hohe Gehalte an essenziellen Mineralelementen wie N, P, S, Zn und Fe. Pflanzen haben daher wirksame Mechanismen zur Koregulierung dieser Reize entwickelt, um die Nährstoffhomöostase aufrechtzuerhalten. Die unerwartete Wechselwirkung zwischen Makro- und Mikronährstoffen in Pflanzen ist seit langem auf morphologischer und physiologischer Ebene bekannt. Doch trotz ihrer grundlegenden Bedeutung sind die molekularen Grundlagen, die regulatorischen Netzwerke und die biologische Bedeutung dieser Wechselwirkungen in Pflanzen nach wie vor nur unzureichend bekannt.

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In jüngster Zeit haben sich mehrere Studien auf die Analyse der Pflanzenernährung (und Elementkombinationen) konzentriert –

– und dabei zwei oder mehr Nährstoffkombinationen berücksichtigt. Sie legen nahe, dass die Homöostase von N, Pi, Zn und/oder Fe in Pflanzen auf verschiedenen hierarchischen Ebenen stark reguliert wird. Einerseits wurden synergistische Effekte zwischen N und P sowie N und Zn in Reispflanzen auf der Ebene der Nährstoffsignalisierung und des Transports nachgewiesen. Andererseits wurden in der Pflanzenernährung antagonistische Wechselwirkungen zwischen P und Zn, P und Fe sowie Zn und Fe auf den Ebenen der Transkriptionsreaktion, der Nährstoffwahrnehmung, der Signalübertragung und des Transports beobachtet.

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