Iron toxicity in rice—conditions and management concepts

Iron toxicity is a syndrome of disorder associated with large concentrations of reduced iron (Fe2+) in the soil solution. It only occurs in flooded soils and hence affects primarily the production of lowland rice. The appearance of iron toxicity symptoms in rice involves an excessive uptake of Fe2+ by the rice roots and its acropetal translocation into the leaves where an elevated production of toxic oxygen radicals can damage cell structural components and impair physiological processes. The typical visual symptom associated with these processes is the “bronzing” of the rice leaves and substantial associated yield losses. The circumstances of iron toxicity are quite well established. Thus, the geochemistry, soil microbial processes, and the physiological effects of Fe2+ within the plant or cell are documented in a number of reviews and book chapters. However, despite our current knowledge of the processes and mechanisms involved, iron toxicity remains an important constraint to rice production, and together with Zn deficiency, it is the most commonly observed micronutrient disorder in wetland rice. Reported yield losses in farmers' fields usually range between 15% and 30%, but can also reach the level of complete crop failure. A range of agronomic management interventions have been advocated to reduce the Fe2+ concentration in the soil or to foster the rice plants' ability to cope with excess iron in either soil or the plant. In addition, the available rice germplasm contains numerous accessions and cultivars which are reportedly tolerant to excess Fe2+. However, none of those options is universally applicable or efficient under the diverse environmental conditions where Fe toxicity is expressed. Based on the available literature, this paper categorizes iron-toxic environments, the steps involved in toxicity expression in rice, and the current knowledge of crop adaptation mechanisms in view of establishing a conceptual framework for future constraint analysis, research approaches, and the targeting of technical options. Eisentoxizitat in Reis – Bedingungen und Managementkonzepte Eisentoxizitat ist ein multiples Stresssyndrom, das mit hohen Konzentrationen reduzierten Eisens (Fe2+) in der Bodenlosung einhergeht. Da es nur in uberstauten Boden auftritt, beeintrachtigt es in erster Linie die Erzeugung von Nassreis. Das Auftreten von Eisentoxizitat setzt eine ubermasige Aufnahme von Fe2+ durch die Reiswurzel und dessen akropetalen Transport in die Blatter voraus. Dort bedingen die zweiwertigen Eisenionen die Bildung von toxischen Radikalen, die strukturelle Zellbestandteile zerstoren und physiologische Prozesse beeintrachtigen konnen. Das typischerweise damit verbundene makroskopische Symptombild ist eine Kupferfarbung der Blatter (“bronzing“). Damit verbunden sind erhebliche Ertragseinbusen. Die Bedingungen, die zum Auftreten von Eisentoxizitat fuhren, sind relativ gut untersucht. So sind zum Beispiel die Geochemie, bodenmikrobiologische Prozesse und die physiologischen Effekte von Fe2+ in Geweben und Zellen in zahlreichen Artikeln dokumentiert. Allerdings bleibt die Eisentoxizitat trotz unseres derzeitigen Wissenstandes auch weiterhin ein entscheidender Begrenzungsfaktor fur den Reisanbau in zahlreichen tropischen Gebieten und stellt neben Zinkmangel das wichtigste Mikronahrstoffungleichgewicht im uberstauten Nassreis dar. Ertragsverluste belaufen sich in der Regel auf 15–30 %, allerdings kann es bei massiver Toxizitat auch zu einem totalen Ernteausfall kommen. Diverse pflanzenbauliche Masnahmen verringern den Fe2+-Gehalt der Bodenlosung oder starken die Abwehrmechanismen von Reis gegenuber Fe2+. Ferner liegen zahlreiche Sorten und Zuchtlinien vor, die eine gewisse Toleranz gegenuber erhohten Fe-Gehalten aufweisen. Allerdings reichen offensichtlich weder die Anbaumasnahmen noch die Sortenwahl aus, um die schadigende Wirkung von Fe2+ an den unterschiedlichen eisentoxischen Standorten und Klima- und Anbausituationen zu kompensieren. Auf der Grundlage der publizierten Fachliteratur kategorisiert der vorliegende Beitrag die Bedingungen, unter denen Eisentoxizitat auftritt, die Wirkungsweise von Fe2+ und die Symptomauspragung an Nassreis sowie die derzeit bekannten agronomischen Managementoptionen und pflanzlichen Anpassungsmechanismen. Ziel dieser Ubersichtsarbeit ist die Erarbeitung eines Konzepts fur die zukunftige Problemanalyse und Schwerpunktsetzung in der Forschung sowie den zielgerichteten Einsatz von Technologien fur ein verbessertes Management von Eisentoxizitat im tropischen Nassreisanbau.