Potassium efficiency mechanisms of wheat, barley, and sugar beet grown on a K fixing soil under controlled conditions

Plant species differ in their potassium (K) efficiency, but the mechanisms are not clearly documented and understood. Therefore, K efficiency of spring wheat, spring barley, and sugar beet was studied under controlled conditions on a K fixing sandy clay loam. The effect of four K concentrations in soil solution ranging from low (5 and 20 μM K) to high (2.65 and 10 mM K) on plant growth and K uptake was investigated at 3 harvest dates (14, 21, and 31 days after sowing). The following parameters were determined: shoot dry matter (DM), K concentration in shoot dry matter, root length (RL), root length/shoot weight ratio (RSR), shoot growth rate/average root length ratio (GRs/aRL), K influx, and soil solution K concentrations. Wheat proved to have a higher agronomic K efficiency than barley and sugar beet, indicated by a greater relative yield under K-deficient conditions. As compared to both cereals, sugar beet was characterized by higher K concentrations in the shoot dry matter, only 30—50 % of the root length, 15—30 % of the RSR and a 3 to 6 times higher GRs/aRL. This means that the shoot of sugar beet had a 3 to 6 times higher K demand per unit root length. Even at low K concentrations in the soil solution, sugar beet had a 7 to 10 times higher K influx than the cereals, indicating that sugar beet was more effective in removing low available soil K. Wheat and barley were characterized by slow shoot growth, low internal K requirement, i.e. high K utilization efficiency, and high RSR, resulting in a low K demand per unit root length. At low soil K concentrations, both cereals increased K influx with age, an indication of adaptation to K deficiency. The mechanism of this adaptation merits closer investigation. Model calculations were performed to estimate the K concentration difference between the bulk soil and the root surface (ΔCL) needed to drive the measured K influx. For the two cereals, the calculated ΔCL was smaller than the K concentration in the soil solution, but for sugar beet, ΔCL was up to seven times higher. This indicates that sugar beet was able to mobilize K in the rhizosphere, but the mechanisms responsible for this mobilization remain to be studied. Mechanismen der Kaliumeffizienz von Weizen, Gerste und Zuckerrube bei Kultur unter kontrollierten Bedingungen in einem K-fixierenden Boden Pflanzenarten unterscheiden sich in ihrer Kaliumeffizienz. Die Mechanismen, die dazu fuhren, sind jedoch noch nicht vollstandig bekannt. Deshalb wurde die K-Effizienz von Sommerweizen, Sommergerste und Zuckerrube in einem K-fixierenden Boden unter kontrollierten Bedingungen untersucht. Durch eine gestaffelte Dungung wurde die K-Konzentration in der Bodenlosung auf niedrige (5 und 20 μM) und hohe (2,65 und 10 mM) Werte eingestellt. Zu drei Ernteterminen (14, 21 und 31 Tage nach der Aussaat) wurden folgende Parameter untersucht: Sprosstrockengewicht (DM), K-Gehalt in der Sprosstrockenmasse, Wurzellange (RL), Wurzel/Spross-Verhaltnis (RSR), der Quotient zwischen Sprosswachstumsrate und durchschnittlicher Wurzellange (GRs/aRL), der K-Influx und die K-Konzentration in der Bodenlosung. Weizen zeigte unter K-Mangel-Bedingungen einen hoheren relativen Ertrag als Gerste und Zuckerrube und somit eine hohere agronomische K-Effizienz. Im Vergleich zu den Getreidearten wies Zuckerrube einen hoheren K-Gehalt in der Sprosstrockenmasse auf, jedoch nur 30—50 % der Wurzellange, 15—30 % des RSR und einen 3—6 mal hoheren GRs/RL-Quotienten. Damit war der K-Bedarf, den eine Einheit Wurzellange der Zuckerrube decken musste, 3 bis 6 mal hoher als bei den Getreidearten. Sogar bei den niedrigen K-Konzentrationen in der Bodenlosung erreichte die Zuckerrube einen 7- bis10-fach hoheren K-Influx als die Getreidearten, was auf eine hohere Aufnahmeeffizienz hindeutet. Zuckerrube war besser in der Lage, schwer verfugbares Kalium zu nutzen. Weizen und Gerste erreichten ihren Hochstertrag schon bei niedrigen K-Gehalten in der Trockenmasse, d. h. sie wiesen eine hohere Verwertungseffizienz auf. Ihre geringe Wachstumsrate und das hohe RSR fuhrten zu einem geringen K-Bedarf pro Einheit Wurzellange. Beide Getreidearten waren bei knapper K-Versorgung in der Lage, ihren K-Influx mit zunehmendem Alter zu steigern. Dies deutet auf eine Anpassung an die Mangelbedingungen hin. Ausgehend vom gemessenen Influx, wurde die notwendige Konzentrationsdifferenz (ΔCL) zwischen der Wurzeloberflache und dem unbeeinflussten Boden berechnet, die einen entsprechenden Diffusionsfluss zur Wurzel gewahrleistet. Fur die Getreidearten war die berechnete ΔCL kleiner als die gemessene K-Konzentration in der Bodenlosung, wohingegen sie bei der Zuckerrube bis zu siebenmal hoher war. Dies deutet darauf hin, dass Zuckerrube in der Lage war, K zu mobilisieren. Die Mechanismen hierfur mussen in weiteren Untersuchungen geklart werden.