Phosphat induziert Eisenmangel; Zusatz von Sand zur Nährlösung (Sandkultur) verbessert Eisenaufnahme der Pflanze

Signatur: 01.11.039
Ursprüngliche Signatur: PCD-480
Bildnachweis: Volker Römheld

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Maispflanzen wurden bei unterschiedlichem Phosphatangebot in belüfteter Nährlösung (links und Mitte im Bild) sowie in Sandkultur (rechts im Bild) kultiviert. Einzige Eisenquelle war jeweils Eisen-III-Hydroxid (500 µM). Die Phosphatkonzentration waren bei allen 3 Prüfgliedern unterschiedlich: in der Nährlösung war sie 0,1 mM (links) und 0,5 mM (Mitte) und in der Bodenlösung der Sandkultur war sie 5 mM (rechts). Die Bodenlösung der Sandkultur wurde nicht belüftet. Es ist ersichtlich, dass bei den in der Nährlösung (ohne Sandzusatz) kultivierten Pflanzen (links, Mitte) eine Braunverfärbung der Wurzeln auftritt. Die Sprosse waren jedoch unterschiedlich: Bei der niedrigen Phosphatkonzentration von 0,1 mM (links) waren die Pflanzen nahezu frei von Chlorosen, bei der Phosphatkonzentration von 0,5 mM (Mitte) traten jedoch starke Eisenmangelchlorosen auf. Die Pflanzen in Sandkultur (rechts) waren trotz des hohen Phosphatangebotes von 5 mM frei von Chlorosen und ihre Wurzeln blieben weiss.

Erläuterung

Bei der Braunverfärbung der Wurzeln (Nährlösung; Gefäße links und Mitte) handelt es sich um Eisen-III-Hydroxid und nicht um Eisen-III-Phosphat; denn die Intensität der Braunfärbung ist etwa gleich, obwohl die Phosphatkonzentration im mittleren Gefäß das 5-fache beträgt. Die Braunfärbung kommt folgendermaßen zustande: Infolge Belüftung ist die Nährlösung ständig in Bewegung. Die Wurzeln "kämmen" das in Wasser unlösliche Eisen(III)-Hydroxid nahezu quantitativ aus der Nährlösung heraus. Auf der Wurzeloberfläche schlägt sich somit reichlich braun gefärbtes Fe(III)-Hydroxid nieder. Demgegenüber bleiben die Wurzeln der Pflanzen in Sandkultur weiß (Gefäß rechts), weil bei einer stehenden Bodenlösung ein "Herauskämmen" von Fe(III)-Hydroxid durch die Wurzeln nicht erfolgen kann. Die Erhöhung der Phosphatkonzentration in der Nährlösung auf das 5-fache hatte eine starke Eisenmangelchlorose (Gefäß Mitte) zur Folge. Die Ursache dafür ist darin zu sehen, dass die von den Wurzeln in den Wurzelapoplasten abgeschiedenen Protonen durch Phosphat (hauptsächlich Umwandlung von Hydrogenphosphat in Dihydrogenphosphat) gebunden werden, wodurch ein lokal niedriger pH-Wert, der für die Eisen(III)-Reduktion benötigt wird, verhindert wird. Außerdem nehmen die Pflanzen mit dem höheren P-Angebot in der Nährlösung deutlich mehr P auf, was in der Pflanze zu einer verminderten Fe-Verfügbarkeit führt. Bei Sandkultur weist Fe(III)-Hydroxid eine ausreichende Eisendüngewirkung auf, denn diese Pflanzen sind völlig frei von Chlorosen. Dies kann wie folgt erklärt werden: Das Eisen(III)-Hydroxid schlägt sich auf der Oberfläche des Quarzsandes zwar nur in geringem Maße (wegen der stehenden Bodenlösung!) nieder (keine Braunverfärbung!); diese genügt aber, um die Pflanze ausreichend mit Eisen zu versorgen, denn die Wurzeln stellen durch Schleimabsonderung einen engen Kontakt zu dieser Oberfläche her. In dieser Schnittstelle von Wurzel und Sandkorn entstehen von der Nährlösung isolierte Räume (Wurzel-Sand-Interfaces), in welche die Wurzeln Protonen und Chelatoren abscheiden. Diese liegen hier in konzentrierter Form vor und können so Eisen (in Form von Eisenchelaten und Eisen(II)-Ionen) mobilisieren. Da Phosphationen aus der Nährlösung in diese Interfaces nicht eindringen können, kann auch bei hoher Phosphatkonzentration in der Nährlösung eine ausreichende Eisenaufnahme der Pflanze erreicht werden. Beachte: Phosphat und andere Teilchen der Nährlösung vermögen in den Wurzelapoplasten einzudringen, nicht aber in die Wurzel-Sandkorn-Interfaces.