Ecophysiology of soursop seedlings fertilized with calcium silicate under different irrigation frequencies

Technische Zusammenfassung: Ökophysiologie von Soursop-Setzlingen unter Düngung mit Calciumsilikat bei unterschiedlichen Bewässerungshäufigkeiten

Problemstellung
Die Soursop-Pflanze (Annona muricata L.) ist eine tropische Fruchtpflanze von bedeutendem wirtschaftlichem und ernährungsphysiologischem Wert, insbesondere in den semi-ariden Regionen Brasiliens. Ihr Anbau wird jedoch stark durch Wasserknappheit und unregelmäßige Niederschlagsmuster eingeschränkt, die einen Wasserdefizitstress induzieren. Dieser Stress wirkt sich negativ auf die morphologische Entwicklung, die physiologischen Prozesse (wie Photosynthese und Gasaustausch) sowie die biochemische Stabilität aus, was letztlich die Biomasse und die Qualität der Setzlinge reduziert. Während Defizitbewässerung eine notwendige Managementstrategie in wasserarmen Regionen ist, beeinträchtigt sie oft die Produktivität der Pflanzen. Es besteht ein Bedarf an ergänzenden Minderungsstrategien, wie etwa der Anwendung von Calciumsilikat (CaSiO₃), das sowohl Silizium (Si) als auch Calcium (Ca) enthält – Elemente, die für die Steigerung der Stresstoleranz bei verschiedenen Arten bekannt sind, deren spezifische Interaktion bei Soursop-Setlingen unter variierenden Bewässerungsregimen jedoch bisher wenig erforscht wurde.

Methodik
Die Studie wurde in einem Gewächshaus an der Federal Rural University of the Semi-Arid (UFERSA) in Mossoró, Brasilien, von September bis Dezember 2023 durchgeführt. Das Experiment nutzte ein randomisiertes Blockdesign mit einem 4 × 2-Faktoriellen Schema und vier Replikationen.

• Faktoren:
  1. Bewässerungshäufigkeiten: Es wurden vier Zeitpläne getestet: TR1 (täglich), TR2 (alle zwei Tage), TR3 (alle vier Tage) und TR4 (alle sechs Tage).
  2. Düngung: Vorhandensein oder Abwesenheit von Calciumsilikat (CaSiO₃), angewendet auf den Boden in einer Dosierung von 3,5 g pro Pflanze.
• Experimentelle Bedingungen: Soursop-Setlinge (Sorte Morada) wurden in 5-Liter-Töpfe mit einer Mischung aus Sand und kommerziellem Substrat umgepflanzt. Die Bewässerung wurde gravimetrisch gesteuert, um spezifische Wasserrückhaltekapazitäten aufrechtzuerhalten. CaSiO₃ wurde 30 Tage nach der Anwendung des Behandlungsbeginns appliziert.
• Messungen: 120 Tage nach der Anwendung der Behandlung wurden Wachstumsparameter (Höhe, Stieldurchmesser, Blattfläche, Wurzelvolumen), Biomasseakkumulation, Blattgasaustausch (Transpiration, stomatäre Leitfähigkeit, CO₂-Assimilationsrate), Chlorophyll-a-Fluoreszenz, photosynthetische Pigmente, Marker der osmotischen Anpassung (Prolin und lösliche Gesamtzucker) sowie der Blattnährstoffgehalt (K, Ca, Si) evaluiert. Die Qualität der Setlinge wurde mittels des Dickson-Qualitätsindex (DQI) bewertet, und die Trockentoleranz wurde mittels der Drought Tolerance Efficiency (DTE) und des Drought Sensitivity Index (DSI) berechnet.

Wichtigste Ergebnisse

• Einfluss der Bewässerungshäufigkeit: Schwerer Wasserdefizit (TR4, Bewässerung alle sechs Tage) reduzierte die Pflanzenhöhe, die Blattanzahl, die Blattfläche, das Wurzelvolumen und die gesamte Trockenmasse im Vergleich zur täglichen Bewässerung (TR1) signifikant. TR4 führte auch zu einer Verringerung des Chlorophyllgehalts und einem Anstieg der initialen Fluoreszenz (F₀), was auf eine Schädigung des Photosystems II hindeutet. Umgekehrt hielten Bewässerungsintervalle von bis zu vier Tagen (TR3) das Wachstum und die physiologische Leistung vergleichbar mit der täglichen Bewässerung (TR1) in Abwesenheit von CaSiO₃ aufrecht.
• Effekt von Calciumsilikat (CaSiO₃):
  • Gasaustausch: Es wurde eine signifikante Interaktion beobachtet. Unter moderatem Stress (TR3) steigerte die Anwendung von CaSiO₃ die Transpiration (E), die stomatäre Leitfähigkeit (gs) und die CO₂-Assimilationsrate (AN) im Vergleich zu ungedüngten Setlingen signifikant. Insbesondere wiesen die mit CaSiO₃ behandelten Pflanzen unter TR3 die höchsten Gasaustauschwerte aller Behandlungen auf, was Steigerungen von 1beck 142,25 %, 122,31 % bzw. 68,44 % gegenüber der niedrigsten beobachteten Leistung (TR1 ohne CaSiO₃) darstellte.
  • Biomasse und Nährstoffe: Die Anwendung von CaSiO₃ erhöhte die Blatt-Trockenmasse über alle Bewässerungshäufigkeiten hinweg um etwa 15 %. Sie steigerte signifikant den Silizium- und Calciumgehalt im Blattgewebe, insbesondere unter TR3 und TR4.
  • Osmotische Anpassung: Die Anwendung von CaSiO₃ regulierte die Prolynsynthese. Unter moderatem Stress (TR3) zeigten Setlinge ohne CaSiO₃ eine massive Akkumulation von Prolin (192,30 % höher als bei gedüngten Setlingen), während gedüngte Setlinge signifikant niedrigere Prolinwerte beibehielten. Dies deutet darauf hin, dass CaSiO₃ die Stressintensität unter TR3 abmilderte und somit den Bedarf der Pflanze an übermäßiger osmotischer Anpassung durch Prolynsynthese reduzierte.
  • Trockentoleranz: Die Anwesenheit von CaSiO₃ verbesserte die Drought Tolerance Efficiency (DTE) und reduzierte den Drought Sensitivity Index (DSI), insbesondere unter TR3 und TR4.

Zentrale Beiträge und Bedeutung
Die Arbeit zeigt, dass Calciumsilikat als effektiver Mitigator für Wasserdefizitstress in Soursop-Setlingen fungiert, speziell unter moderaten Bewässerungsintervallen.

• Physiologischer Mechanismus: Die Studie postuliert, dass CaSiO₃ die Trockentoleranz erhöht, indem es die Stomafunktion und das osmotische Gleichgewicht aufrechterhält. Die Ablagerung von Silizium in den Zellwänden verstärkt vermutlich die strukturelle Steifigkeit und reduziert den übermäßigen Wasserverlust, während Calcium als Signalmolekül fungiert, um die Stomataöffnung und die antioxidativen Mechanismen zu regulieren.
• Agronomische Lebensfähigkeit: Die Ergebnisse zeigen, dass eine Bewässerung alle vier Tage (TR3) in Kombination mit einer CaSiO₃-Düngung ein erhebliches Wassereinsparungspotenzial bietet, ohne die Entwicklung der Setlinge, den Gasaustausch oder die Biomasseakkumulation zu beeinträchtigen. Diese Kombination übertraf die schwere Defizitbewässerung (TR4) und zeigte eine überlegene physiologische Effizienz im Vergleich zu ungedüngten Setlingen unter demselben Stress.
• Nachhaltiges Management: Die Erkenntnisse legen nahe, dass für die Soursop-Produktion in semi-ariden Regionen die Integration der Calciumsilikat-Düngung mit moderater Defizitbewässerung (Intervalle von bis zu vier Tagen) eine praktikable Strategie ist, um die Wassernutzungseffizienz zu optimieren und die Qualität der Setlinge zu erhalten.

Fazit
Die Anwendung von CaSiO₃ erhöht die Toleranz von Soursop-Setlingen gegenüber Defizitbewässerungsregimen, primär unter moderaten Stressbedingungen (vier Tage Bewässerungsintervalle). Diese Behandlung erhält die stomatäre Regulation aufrecht, verbessert die photosynthetische Effizienz und steigert die Nährstoffaufnahme (Si und Ca), wodurch die physiologischen Auswirkungen der Wasserknappheit gemindert werden. Während eine Bewässerung alle sechs Tage das Wachstum unabhängig von der Düngung stark unterdrückt, bietet die Kombination aus einem vier-tägigen Bewässerungsplan und CaSiO₃-Düngung einen nachhaltigen Ansatz für die Setlingsproduktion in wasserarmen Umgebungen. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass weitere Forschung notwendig ist, um verschiedene Dosierungen von CaSiO₃ zu evaluieren und dessen agronomisches Potenzial für diese Art vollständig auszuschöpfen.