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

Technische Samenvatting: Ecofysiologie van Zuurzakplantjes Bemest met Calciumsilicaat onder Verschillende Irrigatiefrequenties

Probleemstelling
De zuurzak (Annona muricata L.) is een tropische fruitsoort van aanzienlijke economische en nutritionele waarde, met name in de semi-aride regio's van Brazilië. De teelt wordt echter ernstig beperkt door waterschaarste en onregelmatige neerslagpatronen, die watertekortstress veroorzaken. Deze stress heeft een negatieve invloed op de morfologische ontwikkeling, fysiologische processen (zoals fotosynthese en gasuitwisseling) en biochemische stabiliteit, wat uiteindelijk de biomassa en de kwaliteit van de plantjes vermindert. Hoewel deficit-irrigatie een noodzakelijke beheersstrategie is in waterarme regio's, gaat dit vaak ten koste van de plantproductiviteit. Er is behoefte aan aanvullende mitigatiestrategieën, zoals de toepassing van calciumsilicaat (CaSiO₃), dat zowel silicium (Si) als calcium (Ca) bevat—elementen die bekend staan om het verbeteren van stressbestendigheid bij diverse soorten, maar waarvan de specifieke interactie in zuurzakplantjes onder variërende irrigatieregimes nog onvoldoende onderzocht is.

Methodologie
De studie werd uitgevoerd in een kas aan de Federal Rural University of the Semi-Arid (UFERSA) in Mossoró, Brazilië, van september tot december 2023. Het experiment maakte gebruik van een gerandomiseerd blokontwerp met een 4 × 2 factorieel schema en vier replicaties.

• Factoren:
  1. Irrigatiefrequenties: Vier schema's werden getest: TR1 (dagelijks), TR2 (om de twee dagen), TR3 (om de vier dagen) en TR4 (om de zes dagen).
  2. Bemesting: Aanwezigheid of afwezigheid van calciumsilicaat (CaSiO₃) toegepast op de bodem in een dosis van 3,5 g per plant.
• Experimentele Condities: Zuurzakplantjes (cultivar Morada) werden getransplanteerd in 5 L potten met een mengsel van zand en commercieel substraat. De irrigatie werd gravimetrisch beheerd om specifieke waterretentiecapaciteiten te handhaven. CaSiO₃ werd 30 dagen na de transplantatie toegepast.
• Metingen: 120 dagen na de toepassing van de behandeling evalueerde de studie groeiparameters (hoogte, stengeldiameter, bladoppervlak, wortelvolume), biomassa-accumulatie, bladgasuitwisseling (transpiratie, stomatale geleidbaarheid, CO₂-assimilatie), chlorofyl a fluorescentie, fotosynthetische pigmenten, osmotische aanpassingsmarkers (proline en totale oplosbare suikers) en bladnutriëntengehalte (K, Ca, Si). De kwaliteit van de plantjes werd beoordeeld met de Dickson Quality Index (DQI), en de droogtetolerantie werd berekend via de Drought Tolerance Efficiency (DTE) en de Drought Sensitivity Index (DSI).

Belangrijkste Resultaten

• Impact van Irrigatiefrequentie: Ernstig watertekort (TR4, irrigatie om de zes dagen) verminderde de plantlengte, het aantal bladeren, het bladoppervlak, het wortelvolume en de totale droge massa significant vergeleken met dagelijkse irrigatie (TR1). TR4 leidde ook tot een vermindering van het chlorofylgehalte en een toename van de initiële fluorescentie (F₀), wat wijst op schade aan Fotosysteem II. Daarentegen behielden irrigatie-intervallen tot vier dagen (TR3) de groei en fysiologische prestaties vergelijkbaar met dagelijkse irrigatie (TR1) in de afwezigheid van CaSiO₃.
• Effect van Calciumsilicaat (CaSiO₃):
  • Gasuitwisseling: Er werd een significante interactie waargenomen. Onder matige stress (TR3) zorgde de toepassing van CaSiO₃ voor een significante toename van de transpiratie (E), stomatale geleidbaarheid (gs) en de CO₂-assimilatiesnelheid (AN) vergeleken met niet-bemeste plantjes. Specifiek vertoonde TR3 met CaSiO₃ de hoogste gasuitwisselingswaarden van alle behandelingen, met stijgingen van respectievelijk 142,25%, 122,31% en 68,44% vergeleken met de laagste prestatie die werd waargenomen (TR1 zonder CaSiO₃).
  • Biomassa en Nutriënten: De toepassing van CaSiO₃ verhoogde het bladdroge massa met ongeveer 15% over alle irrigatiefrequenties. Het verhoogde het silicium- en calciumgehalte in de bladweefsels significant, met name onder TR3 en TR4.
  • Osmotische Aanpassing: De toepassing van CaSiO₃ reguleerde de proline-synthese. Onder matige stress (TR3) vertoonden plantjes zonder CaSiO₃ een massale accumulatie van proline (192,30% hoger dan bemeste plantjes), terwijl bemeste plantjes significant lagere proline-niveaus behielden. Dit suggereert dat CaSiO₃ de intensiteit van de stress onder TR3 verlichtte, waardoor de noodzaak voor excessieve osmotische aanpassing via proline-synthese werd verminderd.
  • Droogtetolerantie: De aanwezigheid van CaSiO₃ verbeterde de Drought Tolerance Efficiency (DTE) en verminderde de Drought Sensitivity Index (DSI), met name onder TR3 en TR4.

Belangrijkste Bijdragen en Betekenis
Het artikel toont aan dat calciumsilicaat fungeert als een effectieve mitigator van watertekortstress in zuurzakplantjes, specif kind met name onder matige irrigatie-intervallen.

• Fysiologisch Mechanisme: De studie stelt dat CaSiO₃ de droogtetolerantie verbetert door de stomatale functie en het osmotische evenwicht te handhaven. De depositie van silicium in celwanden versterkt waarschijnlijk de structurele stijfheid en vermindert excessief waterverlies, terwijl calcium fungeert als een signaalmolecuul om de opening van de huidmondjes en antioxidante mechanismen te reguleren.
• Agronomische Haalbaarheid: De resultaten wijzen erop dat irrigatie om de vier dagen (TR3) gecombineerd met CaSiO₃-bemesting aanzienlijke waterbesparingen mogelijk maakt zonder de ontwikkeling van de plantjes, de gasuitwisseling of de biomassa-accumulatie in gevaar te brengen. Deze combinatie presteerde beter dan ernstige deficit-irrigatie (TR4) en vertoonde een superieure fysiologische efficiëntie vergeleken met niet-bemeste plantjes onder dezelfde stress.
• Duurzaam Beheer: De bevindingen suggereren dat voor de productie van zuurzak in semi-aride regio's de integratie van calciumsilicaat-bemesting met matige deficit-irrigatie (intervallen tot vier dagen) een levensvatbare strategie is om het watergebruiksefficiëntie te optimaliseren en de kwaliteit van de plantjes te behouden.

Conclusie
De toepassing van CaSiO₃ verhoogt de tolerantie van zuurzakplantjes voor deficit-irrigatieregimes, primair onder matige stresscondities (vierdaagse irrigatie-intervallen). Deze behandeling handhaaft de stomatale regulatie, verbetert de fotosynthetische efficiëntie en bevordert de nutriëntenopname (Si en Ca), waardoor de fysiologische impact van waterschaarste wordt verminderd. Hoewel irrigatie om de zes dagen de groei ongeacht de bemesting ernstig onderdrukt, biedt de combinatie van een vierdaags irrigatieschema en CaSiO₃-bemesting een duurzame aanpak voor de productie van plantjes in omgevingen met beperkte watertoegang. De auteurs concluderen dat verder onderzoek nodig is om verschillende doseringen van CaSiO₃ te evalueren om het agronomische potentieel voor deze soort volledig uit te breiden.