Hitzestress im Kartoffelanbau mit Biostimulanzien begegnen?

 Adrian Gack und Henning Meinecke, Syngenta Agro GmbH, Frankfurt

Hitze und Trockenheit bereiten empfindlichen Kulturen wie der Kartoffel Probleme. Biostimulanzien können die Widerstandskraft der Pflanze gegenüber Hitzestress erhöhen und die Pflanze darin unterstützen, die Ertragsbildung auch unter widrigen Bedingungen zu sichern. Für das Produkt Quantis werden aktuelle Forschungsarbeiten sowie Exakt- und Praxisversuche vorgestellt.

Bedingt durch den Klimawandel kommt es im Sommer immer häufiger zu ausgeprägten Hitzephasen. Die Durchschnittstemperaturen in der Vegetationsperiode stiegen seit den 90er-Jahren kontinuierlich an und Prognosen gehen davon aus, dass sich dieser Trend weiter fortsetzen wird (Abb. 1). Auch die Sonnenscheindauer nimmt zu. Die Sommermonate Juni, Juli und August bescherten uns 2022 über 817 Sonnenstunden und lösten den alten Rekord aus dem Jahr 2003 mit 793 Sonnenstunden ab. Diese klimatischen Veränderungen werden ein immer größeres Problem in der Landwirtschaft, insbesondere für hitzeempfindliche Kulturen wie die Kartoffel. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass Kartoffeln bei moderaten Temperaturen (Krautwachstum zwischen 20- 25 °C und Knollenwachstum 15-20 °C) am besten gedeihen, dagegen Temperaturen über dem Optimum das Wachstum deutlich hemmen und den Ertrag mindern.

Abb. 1: Mittel der Temperaturen im Sommerhalbjahr

Seit den 90er-Jahren steigen die mittlere Temperaturen im Sommerhalbjahr (April-September) kontinuierlich an.

Was passiert bei Hitzestress in der Pflanze?

Hitzestress wird als ein zeitweiser Temperaturanstieg über einen Schwellenwert definiert, der ausreicht, um das Pflanzenwachstum und die Ertragsbildung nachhaltig zu schädigen. Untersuchungen aus England an Kartoffeln zeigen, dass bereits bei länger anhaltenden Temperaturen von über 25 °C erste negative Folgen auf das Wachstum festzustellen sind. Deutlichere negative Effekte treten dann bei Temperaturspitzen von über 30 °C auf.

Liegen die Temperaturen für mehrere Stunden am Tag über 25 °C, gerät die Kartoffel in eine Stresssituation: Die Effizienz der Fotosynthese ist vermindert und Knollenbildung sowie Knollenwachstum sind eingeschränkt.

Allgemein ist der Umsatz der Fotosynthese an der Sonneneinstrahlung orientiert. Das bedeutet: je stärker die Einstrahlung ist, desto ausgelasteter ist die Fotosynthese, Unter Hitze schließt jedoch die Kartoffelpflanze ihre Stomata (Spaltöffnungen), um Verdunstungsverluste zu meiden. Das hat zur Folge, dass die CO,-Konzentration (Kohlenstoffquelle) im Inneren der Pflanze abnimmt und weniger Kohlenhydrate in der lichtunabhängigen Fotosynthesereaktion assimiliert werden können. Gleichzeitig arbeiten allerdings die vorgelagerten lichtabhängigen Prozesse auf Hochtouren weiter und liefern Energie. Da jedoch die lichtunabhängige Reaktion, aufgrund des CO,-Mangels, eine deutlich geringere Aktivität aufweist und somit weniger Energie verbraucht, kommt es zum Energieüberschuss im System. Es entsteht die Gefahr, dass die ungenutzte Energie auf Sauerstoff übertragen wird, was zur Bildung hochreaktiver Sauerstoffradikale (ROS) führt. ROS sind Zellgifte für viele Prozesse. 

Pflanzliche Schutzmechanismen kosten Energie und Ertrag

Um der Bildung von ROS entgegenzuwirken, werden in der Kartoffelpflanze bei Hitzestress die photoprotektiven Reaktionen hochreguliert. Hierbei kommt es unter anderem zum sogenannten „Non-Photochemical Quenching“ (NPQ). Bei diesem Prozess wird die ungenutzte Energie in Form von Fluoreszenz und Wärmestrahlung an die Umgebung abgegeben. Da dieser Prozess zusätzliche Energie benötigt, nimmt die Produktivität der Pflanze weiter ab.

Abb. 2: Unter Hitzestress nimmt die Assimilatversorgung der Knollen ab und Assimilate bleiben vermehrt im Spross

Quelle: Syngenta; Foto: iStock

Des Weiteren beeinflusst Hitzestress den Hormonhaushalt der Kartoffelpflanzen. Im Allgemeinen sinkt der Gibberellinsäurespiegel ab dem Knollenansatz. Gleichzeitig nimmt die Konzentration an Cytokinin zu. Das Phytohormon Cytokinin fördert die Zellteilung und -expansion und hemmt die Zellstreckung. Folglich wird die Assimilatversorgung des Sprosswachstums reduziert und verstärkt Energie in das Knollenwachstum investiert (Abb. 2). Somit wird das Wachstum und die Entwicklung sowie die Stärkeanhäufung in den Knollen angetrieben. Durch Hitzestress wird der Hormonhaushalt gestört und der Cytokininspiegel sinkt. In der Folge steigt der Spiegel des Gegenspielers Gibberellinsäure wieder an. Hierdurch kommt der Assimilattransport in Richtung Knollen ins Stocken. Negative Auswirkungen dieser Prozesse auf Sortierung, Stärkegehalt und Ertrag sind das Resultat. Bei extrem hohen Temperaturen über 35 °C kommt der Ertragszuwachs vollständig zum Erliegen.

Syngenta hat in den letzten Jahren umfangreiche Prüfungen mit Biostimulanzprodukten an unterschiedlichen Kulturen durchgeführt. Hierbei zeigte das Produkt Quantis einen positiven Einfluss auf die Ertragsbildung der Kartoffel. Diese Effekte konnten insbesondere unter Temperaturstress beobachtet werden.

Quantis wird in einem mehrstufigen Fermentationsprozess aus Zuckerrohrmelasse, unter Zusatz von speziellen Hefekulturen, gewonnen. Bei dem fertigen Produkt handelt es sich um eine Mischung aus organischen Verbindungen, z.B. verschiedener Aminosäuren und Zucker, die für die Aufnahme in die Pflanze verfügbar sind. Die Inhaltsstoffe haben eine antioxidative Wirkung, die die Abwehrkräfte der Pflanze gegen Trockenheit und Hitzestress stärken. Weiterhin wird die pflanzeneigene Produktion von Antioxidantien stimuliert. Darüber hinaus trägt das Produkt dazu bei, den osmotischen Druck in den Pflanzenzellen und die Fotosynthese aufrechtzuerhalten.

Versuchsaufbau Gewächshausversuch, Universität Nottingham (England).

Studie bestätigt positiven Einfluss von Quantis 

Aktuelle Forschungsarbeiten an der Universität Nottingham (England) unter Leitung von Dr. Rumiana Ray, Professorin für Pflanzenpathologie, geben Aufschluss darüber, wie das Biostimulanz Quantis die Widerstandskraft der Kartoffel gegenüber Hitzestress verbessert. Hierzu wurden Kartoffelpflanzen mit Quantis behandelt und 24 Stunden später für sechs Tage Temperaturen von 28-35 °C im Gewächshaus ausgesetzt. Die Forscher untersuchten mithilfe von Spezialkameras und Gasmessgeräten verschiedene Parameter. Unter anderem, das Non-Photochemical Quenching (NPO) und die Quantenausbeute (photochemische Effizienz). Außerdem wurde die Stomataleitfähigkeit und die Transpiration untersucht. Die Messungen wurden parallel an einer unbehandelten Vergleichsgruppe durchgeführt.

Die Beobachtungen waren über den Versuchszeitraum konstant. So zeigte sich, dass die mit Quantis behandelten Pflanzen eine erhöhte Funktionalität der Stomata hatten. Die Spaltöffnungen in den Blättern blieben bei Hitze weiter geöffnet. Mithilfe der Fluorcam (Chlorophyll-FluoreszenzBilderfassung) konnte das Non-Photochemical Quenching (NPQ) der Pflanze erfasst werden. Es konnte beobachtet werden, dass die behandelten Pflanzen eine deutlich geringere Rate an NPO zeigten, was darauf zurückzuführen ist, dass die mit Quantis behandelten Pflanzen weniger Energie ungenutzt abgeben mussten. Diese Ergebnisse spiegeln sich auch bei der Erfassung der Quantenausbeute wider. Hierbei wird ermittelt, wie viel des absorbierten Lichtes für die photochemische Reaktionen genutzt wird. Es konnte belegt werden, dass die mit Quantis behandelten Pflanzen eine signifikant höhere Quantenausbeute hatten als die unbehandelten Pflanzen.

Auswertung von Fluorcam-Aufnahmen, Universität Nottingham (England).

In weiteren Untersuchungen wurden die Veränderungen der Genexpression der Pflanzen bestimmt. In mit Quantis behandelten Pflanzen war die Genexpression von pflanzeneigenen Abwehrproteinen und des Cytokinin-Biosynthesewegs gesteigert. Durch Analysen des Hormonhaushaltes konnte festgestellt werden, dass mit Quantis behandelte Pflanzen eine höhere Konzentration von Abscisinsäure und Cytokininen aufwiesen und gleichzeitig die Konzentration an Gibberellinsäure geringer war. All diese ineinander verzahnten Effekte führten zu positiven Ertragseffekten. So erhöhte die Anwendung mit Quantis vor dem Hitzestress das Gewicht der Knollen um 5 %. Auch die Sortierung der Knollen war positiv verschoben im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle.

Praxiserfahrungen und Exaktversuche im Stressjahr 2022

Die in der Nottingham-Studie gewonnenen Erkenntnisse spiegeln sich in den gesammelten Praxiserfahrungen aus dem Hitzejahr 2022 in Deutschland wider. Quantis wurde in der Saison 2022 sowohl in Exaktversuchen (LWK Niedersachsen und TU München-Weihenstephan) als auch in 66 Praxisstreifenversuchen in den wichtigsten Kartoffelanbauregionen getestet. In den Exaktversuchen konnte im Schnitt mithilfe von Quantis der Stärkegehalt um 1,72 % (rel.) gesteigert werden. Der Stärkemehrertrag im Vergleich zur Kontrolle betrug 3 % (rel.). Ferner verringerte sich der Anteil der Untergrößen leicht. Die positiven Effekte durch Quantis zeigten sich auch in den Praxisstreifenversuchen. So konnte in 51 der insgesamt 66 Praxisstreifenversuche ein Mehrertrag durch die Behandlung mit Quantis beobachtet werden. Besonders ausgeprägt waren die Effekte auf beregneten Flächen. Hier zeigte sich im Schnitt ein Mehrertrag von 3,1 t/ha (n = 30).

Fazit

Es ist davon auszugehen, dass sich der Klimawandel fortsetzt und außergewöhnliche Hitzephasen im Sommer zunehmen. Das stellt insbesondere den Kartoffelanbau vor neue Herausforderungen. Biostimulanzien, die nachweislich die Widerstandskraft der Pflanze gegenüber Hitzestress erhöhen und die Ertragsbildung auch unter widrigen Bedingungen fördern, werden in Zukunft eine immer wichtigere Rolle spielen, um die hohe Produktivität des Kartoffelanbaus in Europa abzusichern. 

Der positive Effekt von Quantis auf die Sortierung. Unbehandelte Kontrolle links und Quantis-Variante rechts. Standort: Linnich (Rheinland), Sorte Venezia, 2022. Fotos: Syngenta

Erfahren Sie hier mehr über Quantis

Der Artikel erschien im Magazin Kartoffelbau 3/2023: