Chemical Imaging der Phosphordynamik in der Rhizosphäre

Die Phosphoraufnahmen von Pflanzen ist ein Schlüsselfaktor, der die Produktivität von Kulturpflanzen limitiert. Die Bioverfügbarkeit von P in Böden ist, wie auch die P-Nutzungseffizienz von Mineraldüngern durch Pflanzen, generell niedrig. Detailliertes Verständnis der P-Aufnahme ist daher entscheidend für eine Steigerung der P- Nutzungseffizienz von Kulturpflanzen z.B. durch Planzenzüchtungsprogramme. Viele Prozesse, die zum P- Kreislauf in der Rhizosphäre und somit zur P-Aufnahme von Pflanzen beitragen sind bekannt. Wurzeln erhöhen die bioverfügbare Fraktion von P im Boden durch Ausscheidung von Protonen und organischen Anionen (z.B. Citrat). Ausserdem können organische, P-haltige Verbindungen in der Rhizosphäre mineralisiert und freigesetzter P von Pflanzen aufgenommen werden. Obwohl man über Rhizosphärenprozesse, die zur P-Ernährung von Pflanzen beitragen, viel weiß, ist über die exakte Lokalisierung dieser Prozesse entlang der Wurzelachse und im Wurzelraum wenig bekannt. Schwierigkeiten bei der Probengewinnung entstehen durch sehr kleine Beprobungsabstände (vorzugsweise ca.100m) und den daraus resultierenden sehr kleinen Probenmengen. Die Messung der gelösten P- Fraktion ist anspruchsvoll, da die P-Konzentration in der Rhizosphäre im niedrigen mol L-1 Bereich liegt. Wir konnten kürzlich erstmals das Potential von in situ Chemical Imaging mit hoher räumlicher Auflösung für die Erlangung neuer Erkenntnisse im P-Kreislauf der Rhizosphäre durch 2-d Chemical Imaging der gelösten P- Konzentration im Wurzelraum von Brassica napus zeigen. Auf Basis dieser Studie planen wir die Entwicklung von Chemical Imaging Methoden, die geeignet sind, weitere für den P-Kreislauf wichtige Parameter zu messen. Wir werden dazu "diffusive gradients in thin films" (DGT) Techniken für Chemical Imaging von P, Fe, Al und Ca entwickeln. P, Fe, Al und Ca werden mittels Laser Abtragungs - induktiv gekoppelter Plasma - Massenspektrometrie (LA-ICP-MS) gemessen werden. Außerdem werden wir planare Optoden zur Abbildung des Rhizosphären-pHs verwenden. Diese neuen Methoden werden ausführlich getestet werden. Mit diesen neuen Techniken werden (1) Unterschiede in der Lokalisierung der Rhizophären-P-Dynamik von B. napus Sorten mit unterschiedlicher P Aufnahmeeffizienz und (2) lokale Änderungen der Phosphor-Löslichkeit in der Rhizosphäre von B. napus in kalkhaltigen und nicht kalkhaltigen Böden nach Ansäuerung und Alkalinisierung des Wurzelraumes gemessen werden. Die neu in diesem Projekt entwickelten Methoden sind eine Gruppe von leistungsfähigen und vielseiti-gen Techniken für Chemical Imaging in der Rhizosphäre. Da die Analyten für DGT und planare Op-toden erweiterbar sind ist dieses Projekt auch die Basis für die Analyse von weiteren Nährstoffen und Kontaminanten in der Rhizosphäre und in Böden. Diese Studie erweitert das Verständnis des P-Kreis-laufs in der Rhizosphäre. Detaillierteres Wissen um die P-Aquisition von Wurzeln wird die Entwik-klung von mathematischen Modellen der P-Aufnahme unterstützen. Außerdem können die Ergebnisse zur Verbesserung von Pflanzenzüchtung und -auswahl durch Berücksichtigung von Wurzel- u. Rhizo-phäreneigenschaften der P- Nutzungs-effizienz beitragen und dadurch mitwirken, die Notwendigkeit von P-Düngung vor dem Hintergrund der limitierten globalen P-Düngerreserven zu reduzieren.

Dieses Forschungsprojekts war der Entwicklung, Charakterisierung und Anwendung neuartiger bildgebender Verfahren (Chemical Imaging) zur Erfassung labiler und somit potentiell bioverfügbarer Elementverteilungen (Nähr- und Schadstoffe) in der Umgebung von Pflanzenwurzeln (Rhizosphäre) sowie wichtiger biogeochemischer Einflussgrößen (pH, O2) mit räumlicher Auflösung im sub-mm Bereich gewidmet. Mit Hilfe dieser Methodik konnten wir simultan die Verteilung labiler Anteile des essentiellen Pflanzennährstoffs Phosphor und seiner wichtigsten Reaktionspartner (Ca, Al, Fe, Mn) in hoher Auflösung entlang einzelner Pflanzenwurzeln darstellen. Damit konnten wir zeigen, dass aktive Lösung von Phosphor im Wurzelbereich von wichtigen Nutzpflanzen (Weizen, Buchweizen, Lupine) zumeist an der Wurzelspitze lokalisiert ist und teilweise mit Hotspots seiner löslichkeitskontrollierenden Reaktionspartner korreliert. Aus den Verteilungsmustern konnten wir auf wichtige biogeochemische Prozesse an der Grenzfläche zwischen Wurzel und Boden schließen. Darüber hinaus konnten wir Phosphordüngermaterialien klar aufgrund der Mobilität des abgegebenen Phosphors im Boden unterscheiden. In einer laufenden Untersuchung zur Phosphoraufnahme durch marine Seegraswurzeln konnten wir die Rolle von aktiver Phosphorlösung auch in diesem Ökosystem zeigen. Weitere Anwendungen von chemischer Bildgebung in diesem Projekt waren die Lokalisierung von Schadstofflösung und Aufnahmeprozessen (Zn, As, Cd, Pb) von Pflanzen, die für Bodensanierungsmaßnahmen verwendet werden. Die in diesem Projekt entwickelten bildgebenden Verfahren zur Erfassung von labilen, bioverfügbaren Elementfraktionen in der Rhizosphäre sind auch für die Aufklärung von Prozessen in anderen (biologischen) Hotspots geeignet und haben somit Potential für eine breite Anwendung in der Biogeochemie, Ökologie und den Umweltwissenschaften.