Phosphor ist einer der essenziellen Makronährstoffe für das Pflanzenwachstum, da es Bestandteil von Energiemolekülen (ATP), Nukleinsäuren und Phospholipiden ist und die Prozesse der Zellteilung und Photosynthese direkt beeinflusst.
Obwohl der Boden große Mengen an Gesamtphosphor enthält, liegt weniger als 0,1 % davon in einer für die Pflanze verfügbaren Form vor (Pi – anorganisches Phosphat), was auf dessen starke Bindung an Kalzium, Eisen oder Aluminium zurückzuführen ist.
Eine im Jahr 2021 in der Fachzeitschrift Frontiers in Plant Science veröffentlichte Studie mit dem Titel:
„Phosphate-Dependent Regulation of Growth and Stresses Management in Plants“
weist darauf hin, dass das Phosphorgleichgewicht im Boden und in der Pflanze einen Schlüsselfaktor für gesundes Wachstum und die Toleranz gegenüber Umweltbelastungen darstellt.
Bedeutung von Phosphor und die Herausforderung seiner Verfügbarkeit
- Die optimale Konzentration an verfügbarem Phosphor im Boden liegt zwischen 10 und 15 mg P/kg Boden. Dies ist der Grenzwert, der es der Pflanze ermöglicht, ihren Lebenszyklus mit normalem Wachstum abzuschließen.
- In der konventionellen Landwirtschaft wird Phosphor üblicherweise mit einer Rate von 100 bis 120 kg P₂O₅ pro Hektar jährlich hinzugefügt, um Verluste auszugleichen und eine ausreichende Versorgung zu gewährleisten.
- Studien zeigen jedoch, dass sich mehr als 70 % des in Düngemitteln hinzugefügten Phosphors nach kurzer Zeit in nicht verfügbare Formen umwandeln, was eine verbesserte Nährstoffverwaltung anstelle einer bloßen Erhöhung der Menge erforderlich macht.
Auswirkung von Phosphormangel auf Wachstum und Photosynthese
Wenn die Pi-Konzentration sinkt, nimmt die Effizienz der Pflanze bei der Energieproduktion und -übertragung ab, und die Symptome beginnen sich als verlangsamtes Wachstum und Vergilbung alter Blätter zu zeigen. Die Ergebnisse der Forschungsarbeit zeigten:
- Die Photosyntheserate sank bei Phosphormangel im Vergleich zum Optimalzustand um 30,1 % bei Sojabohnen, 43,9 % bei Weizen und 19,9 % bei Mais.
- Der Chlorophyllgehalt sank bei Sojabohnen um etwa 46 % und bei Hafer um 31 %.
- Die Trockenmasse von Blättern und Wurzeln sank je nach Pflanzenart um durchschnittlich 40–135 %.
- Im Gegensatz dazu stieg die Phosphoraufnahme bei Verfügbarkeit in einigen Kulturen um 56–70 %.
Rolle von Phosphor bei der Resistenz gegen Umweltstress
Phosphor fungiert als interner Regulator für die Reaktion der Pflanze auf Trockenheit, Salzgehalt, Schwermetalle und Hitze.
1. Trockenheit
- Unter Trockenheit führte die Versorgung von Sojabohnen mit ausreichend Phosphor zu einer Steigerung der Phosphorkonzentration in den Blättern um 96,8 % im Vergleich zu mangelhaften Pflanzen.
- Auch die Aktivität antioxidativer Enzyme stieg, wodurch die Akkumulation freier Radikale (ROS) reduziert und das Einsetzen von Welkeerscheinungen verzögert wurde.
2. Salzgehalt
- Die Versorgung der Pflanze mit P trug zur Aufrechterhaltung der Photosyntheseaktivität und zur Reduzierung der Natriumaufnahme bei, auch wenn die Auswirkungen des Salzgehalts nicht vollständig aufgehoben wurden.
- Beim Mais führte P-Mangel beispielsweise zu einer höheren $\text{Na}^{+}$-Aufnahme in den Blättern als bei gut versorgten Pflanzen.
3. Schwermetalle
- Weizen zeigte eine Reduzierung der Akkumulation von Cadmium (Cd) und Blei (Pb) um etwa 55 %, wenn ausreichend Phosphor verfügbar war.
- Mais verzeichnete hingegen eine Reduzierung von 14 % für Cadmium, 35 % für Blei und 37 % für Zink.
- Phosphor führte auch zur Aktivierung schützender Enzyme wie Katalase (CAT) und Peroxidase (APX), wodurch Zellschäden durch Metalltoxizität verringert werden.
4. Säuregehalt und nährstoffarme Böden
- In sauren Böden (pH-Wert unter 5,5) wandelt sich Phosphor in unlösliche Verbindungen mit Aluminium und Eisen um, aber die Zugabe von Pi in moderaten Konzentrationen (10–15 mg/kg Boden) verbesserte die Biomasse der Wurzeln um bis zu 25 %.
- Auch Wurzelmikroben (wie Bacillus und Pseudomonas) trugen zur Erhöhung der biologischen Löslichkeit von komplexem Phosphor und zur Verbesserung seiner Aufnahme bei.
Genetische Signalwege im Zusammenhang mit der Phosphorregulierung
Die Regulierung der Pi-Aufnahme und -Verwertung basiert auf einem Netzwerk von Genen, von denen die wichtigsten sind:
- PHT1 family: Phosphattransporter, die für die Pi-Aufnahme aus dem Boden verantwortlich sind.
- PHO1: Reguliert den Pi-Transport von der Wurzel zum Spross.
- SPX: Kontrolliert die Phosphor-Homöostase innerhalb der Zellen.
- GmPHR25 und GmPAP12 in Sojabohnen: Stehen in Verbindung mit der Stimulierung der Aufnahme und der Steigerung der Sekretion von sauren Phosphatase-Enzymen zur Freisetzung von Pi.
Diese Gene werden automatisch aktiviert, wenn der Pi-Spiegel niedrig ist, und koordinieren sich mit Stresshormonen wie Abscisinsäure (ABA) und Ethylen, um das Wachstum zu modifizieren.
Landwirtschaftliche Praktiken zur Verbesserung der Phosphoreffizienz
Die Studie schlägt mehrere praktische Lösungen vor, die Landwirte anwenden können:
- Verwendung von intelligenten Phosphordüngemitteln (langsam freisetzend oder nano-basiert), um Verluste zu minimieren und die schrittweise Verfügbarkeit zu verbessern.
- Anwendung von Phosphor-lösenden Mikroben im Boden, um die biologische Löslichkeit der nicht verfügbaren Formen zu erhöhen.
- Blattdüngung mit Phosphat in einer Konzentration von 0,5–1 %, um das Wachstum in kritischen Phasen zu stimulieren, ohne den Boden zu überlasten.
- Auswahl von Pflanzensorten mit hoher Pi-Aufnahmeeffizienz durch Züchtungsprogramme, die auf die Gene zur Regulierung von Transport und Speicherung abzielen.
- Nutzung des „Legacy P“ (im Boden gespeicherter Phosphor) durch besseres Management von Wasser, Bodenbearbeitung und Fruchtfolge.
Zusammenfassung
Phosphor ist nicht nur ein Pflanzennährstoff, sondern ein zentraler Faktor für Anpassung und Nachhaltigkeit.
Von der Verbesserung des Wachstums und der Produktion bis hin zur Steigerung der Resistenz gegen Trockenheit und Salzgehalt zeigt dieses Element eine integrierte Rolle bei der Unterstützung einer intelligenten und nachhaltigen Landwirtschaft.
Da seine Nutzungseffizienz in vielen landwirtschaftlichen Systemen 20–30 % der jährlich hinzugefügten Mengen nicht übersteigt, stellt die Verbesserung des Phosphormanagements eine strategische Priorität für die Erzielung einer hohen und nachhaltigen Produktion in der Zukunft dar.
Referenz
- Bechtaoui, N., Rabiu, M. K., Raklami, A., Oufdou, K., Hafidi, M., & Jemo, M. (2021). Phosphate-Dependent Regulation of Growth and Stresses Management in Plants. Frontiers in Plant Science, 12, 679916. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.679916
