Klimawandel und rasantes Bevölkerungswachstum stellen zentrale Herausforderungen für die globale Ernährungssicherheit dar. Eine vielversprechende Lösung ist der Einsatz vonPflanzenwachstumsregulatorenPflanzenwachstumsregulatoren (PGRs) werden eingesetzt, um Ernteerträge zu steigern und ungünstige Wachstumsbedingungen wie Wüstenklima zu überwinden. Kürzlich zeigten das Carotinoid Zaxinon und zwei seiner Analoga (MiZax3 und MiZax5) vielversprechende wachstumsfördernde Wirkungen bei Getreide und Gemüsepflanzen unter Gewächshaus- und Feldbedingungen. In dieser Studie untersuchten wir die Auswirkungen verschiedener Konzentrationen von MiZax3 und MiZax5 (5 μM und 10 μM im Jahr 2021; 2,5 μM und 5 μM im Jahr 2022) auf Wachstum und Ertrag zweier wertvoller Gemüsepflanzen in Kambodscha: Kartoffel und saudische Erdbeere. In fünf unabhängigen Feldversuchen von 2021 bis 2022 verbesserte die Anwendung beider MiZax-Derivate die agronomischen Eigenschaften der Pflanzen, die Ertragskomponenten und den Gesamtertrag signifikant. Bemerkenswert ist, dass MiZax in deutlich geringeren Dosen als Huminsäure (eine weit verbreitete, hier zum Vergleich herangezogene kommerzielle Verbindung) verwendet wird. Unsere Ergebnisse zeigen somit, dass MiZax ein sehr vielversprechender Pflanzenwachstumsregulator ist, der zur Steigerung des Wachstums und des Ertrags von Gemüsepflanzen auch unter Wüstenbedingungen und bei relativ niedrigen Konzentrationen eingesetzt werden kann.
Laut der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) muss sich unsere Nahrungsmittelproduktion bis 2050 nahezu verdreifachen, um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren (FAO: Die Welt wird bis 2050 70 % mehr Nahrungsmittel benötigen¹). Tatsächlich stellen rasantes Bevölkerungswachstum, Umweltverschmutzung, Schädlingsausbreitung und insbesondere durch den Klimawandel verursachte hohe Temperaturen und Dürren Herausforderungen für die globale Ernährungssicherheit dar². Die Steigerung des Bruttoertrags landwirtschaftlicher Nutzpflanzen unter suboptimalen Bedingungen ist daher eine der unbestrittenen Lösungsansätze für dieses drängende Problem. Pflanzenwachstum und -entwicklung hängen jedoch maßgeblich von der Nährstoffverfügbarkeit im Boden ab und werden durch widrige Umweltfaktoren wie Dürre, Versalzung oder biotischen Stress stark beeinträchtigt³,⁴,⁵. Diese Stressfaktoren können die Gesundheit und Entwicklung von Nutzpflanzen negativ beeinflussen und letztendlich zu geringeren Ernteerträgen führen⁶. Darüber hinaus beeinträchtigen begrenzte Süßwasserressourcen die Bewässerung von Nutzpflanzen erheblich, während der globale Klimawandel unweigerlich die Ackerfläche verringert und Ereignisse wie Hitzewellen die Produktivität der Ernte mindern⁷,⁸. Hohe Temperaturen sind in vielen Teilen der Welt, darunter auch Saudi-Arabien, weit verbreitet. Der Einsatz von Biostimulanzien oder Pflanzenwachstumsregulatoren (PGRs) verkürzt den Wachstumszyklus und maximiert den Ertrag. Er kann die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen verbessern und ihnen ermöglichen, ungünstige Wachstumsbedingungen zu bewältigen.9 In diesem Zusammenhang können Biostimulanzien und Pflanzenwachstumsregulatoren in optimalen Konzentrationen eingesetzt werden, um Pflanzenwachstum und Produktivität zu steigern.10,11
Carotinoide sind Tetraterpene, die auch als Vorstufen der Phytohormone Abscisinsäure (ABA) und Strigolacton (SL)12,13,14 sowie der kürzlich entdeckten Wachstumsregulatoren Zaxinon, Anoren und Cyclocitral15,16,17,18,19 dienen. Die meisten dieser Metabolite, einschließlich Carotinoidderivate, sind jedoch nur in begrenzten natürlichen Quellen verfügbar und/oder instabil, was ihre direkte Anwendung in diesem Bereich erschwert. Daher wurden in den letzten Jahren mehrere ABA- und SL-Analoga/Mimetika entwickelt und für landwirtschaftliche Anwendungen getestet20,21,22,23,24,25. Auch wir haben kürzlich Mimetika von Zaxinon (MiZax) entwickelt, einem wachstumsfördernden Metaboliten, der seine Wirkung möglicherweise durch die Steigerung des Zuckerstoffwechsels und die Regulierung der SL-Homöostase in Reiswurzeln entfaltet19,26. Die Zaxinon-Mimetika MiZax3 und MiZax5 (chemische Strukturen siehe Abbildung 1A) zeigten in hydroponisch und im Boden kultivierten Wildreispflanzen eine mit Zaxinon vergleichbare biologische Aktivität26. Darüber hinaus verbesserte die Behandlung von Tomaten, Dattelpalmen, Paprika und Kürbis mit Zaxinon, MiZax3 und MiZax5 das Pflanzenwachstum und die Produktivität, d. h. den Paprikaertrag und die -qualität, sowohl im Gewächshaus als auch im Freiland. Dies deutet auf ihre Rolle als Biostimulanzien und ihren Einsatz als Pflanzenwachstumsregulatoren (PGR) hin27. Interessanterweise verbesserten MiZax3 und MiZax5 auch die Salztoleranz von Paprika unter erhöhten Salzkonzentrationen, und MiZax3 erhöhte den Zinkgehalt der Früchte, wenn es mit zinkhaltigen metallorganischen Gerüsten verkapselt wurde7,28.
(A) Chemische Strukturen von MiZax3 und MiZax5. (B) Wirkung der Blattdüngung von MZ3 und MZ5 in Konzentrationen von 5 µM und 10 µM auf Kartoffelpflanzen unter Freilandbedingungen. Das Experiment findet 2021 statt. Die Daten werden als Mittelwert ± Standardabweichung (SD) dargestellt. n ≥ 15. Die statistische Analyse erfolgte mittels einfaktorieller Varianzanalyse (ANOVA) und dem Tukey-Test. Asteriske kennzeichnen statistisch signifikante Unterschiede im Vergleich zur Simulation (*p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001; ns, nicht signifikant). HA – Huminsäure; MZ3, MiZax3, MiZax5.
In dieser Arbeit untersuchten wir MiZax (MiZax3 und MiZax5) in drei Blattkonzentrationen (5 µM und 10 µM im Jahr 2021 sowie 2,5 µM und 5 µM im Jahr 2022) und verglichen sie mit Kartoffeln (Solanum tuberosum L.). Der kommerzielle Wachstumsregulator Huminsäure (HA) wurde in Gewächshausversuchen mit Erdbeeren (Fragaria ananassa) in den Jahren 2021 und 2022 sowie in vier Feldversuchen im Königreich Saudi-Arabien, einer typischen Wüstenklimaregion, mit diesen verglichen. Obwohl HA ein weit verbreitetes Biostimulans mit vielen positiven Wirkungen ist, darunter die Erhöhung der Nährstoffverfügbarkeit im Boden und die Förderung des Pflanzenwachstums durch Regulierung der Hormonhomöostase, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass MiZax HA überlegen ist.
Kartoffelknollen der Sorte „Diamond“ wurden von der Jabbar Nasser Al Bishi Trading Company in Jeddah, Saudi-Arabien, bezogen. Setzlinge der beiden Erdbeersorten „Sweet Charlie“ und „Festival“ sowie Huminsäure wurden von der Modern Agritech Company in Riad, Saudi-Arabien, erworben. Sämtliches in dieser Arbeit verwendetes Pflanzenmaterial entspricht den Richtlinien der IUCN für Forschung mit gefährdeten Arten und dem Washingtoner Artenschutzübereinkommen (CITES).
Der Versuchsstandort befindet sich in Hada Al-Sham, Saudi-Arabien (21°48′3″N, 39°43′25″E). Der Boden ist sandiger Lehm mit einem pH-Wert von 7,8 und einer elektrischen Leitfähigkeit (EC) von 1,79 dcm⁻¹³m. Die Bodeneigenschaften sind in der ergänzenden Tabelle S1 dargestellt.
Drei Erdbeersämlinge (Fragaria x ananassa D. var. Festival) im Laubblattstadium wurden in drei Gruppen unterteilt, um die Wirkung einer Blattbehandlung mit 10 μM MiZax3 und MiZax5 auf Wachstumsmerkmale und Blütezeitpunkt unter Gewächshausbedingungen zu untersuchen. Die Blattbehandlung mit Wasser (0,1 % Aceton) diente als Modellbehandlung. Die MiZax-Blattbehandlungen wurden siebenmal im Abstand von einer Woche durchgeführt. Zwei unabhängige Versuche wurden am 15. und 28. September 2021 durchgeführt. Die Anfangsdosis jeder Verbindung betrug 50 ml und wurde dann schrittweise auf eine Enddosis von 250 ml erhöht. Über zwei aufeinanderfolgende Wochen wurde täglich die Anzahl der blühenden Pflanzen erfasst und die Blührate zu Beginn der vierten Woche berechnet. Zur Bestimmung der Wachstumsmerkmale wurden Blattzahl, Frisch- und Trockengewicht der Pflanzen, Gesamtblattfläche und Anzahl der Ausläufer pro Pflanze am Ende der Wachstumsphase und zu Beginn der Reproduktionsphase gemessen. Die Blattfläche wurde mit einem Blattflächenmessgerät bestimmt und die frischen Proben wurden 48 Stunden lang bei 100 °C im Trockenschrank getrocknet.
Es wurden zwei Feldversuche durchgeführt: frühes und spätes Pflügen. Kartoffelknollen der Sorte „Diamant“ wurden im November bzw. Februar gepflanzt, entsprechend der frühen bzw. späten Reifezeit. Biostimulanzien (MiZax-3 und -5) wurden in Konzentrationen von 5,0 und 10,0 µM (2021) bzw. 2,5 und 5,0 µM (2022) eingesetzt. Huminsäure (HA) wurde achtmal wöchentlich in einer Konzentration von 1 g/l besprüht. Wasser bzw. Aceton dienten als Negativkontrolle. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung S1 (Anhang) dargestellt. Die Feldversuche wurden in einem randomisierten Blockdesign mit einer Parzellengröße von 2,5 m × 3,0 m durchgeführt. Jede Behandlung wurde dreimal als unabhängige Wiederholung durchgeführt. Der Abstand zwischen den Parzellen betrug 1,0 m, der Abstand zwischen den Blöcken 2,0 m. Der Pflanzenabstand betrug 0,6 m, der Reihenabstand 1 m. Die Kartoffelpflanzen wurden täglich mit einer Tropfbewässerung von 3,4 l pro Tropfer bewässert. Das System lief zweimal täglich für jeweils 10 Minuten, um die Pflanzen mit Wasser zu versorgen. Alle empfohlenen agrotechnischen Methoden für den Kartoffelanbau unter Trockenbedingungen wurden angewendet.31 Vier Monate nach der Pflanzung wurden Pflanzenhöhe (cm), Anzahl der Seitentriebe pro Pflanze, Kartoffelzusammensetzung und -ertrag sowie Knollenqualität mit Standardmethoden gemessen.
Sämlinge zweier Erdbeersorten (Sweet Charlie und Festival) wurden unter Feldbedingungen getestet. Biostimulanzien (MiZax-3 und -5) wurden achtmal wöchentlich als Blattspray in Konzentrationen von 5,0 und 10,0 µM (2021) bzw. 2,5 und 5,0 µM (2022) eingesetzt. Parallel zu MiZax-3 und -5 wurde 1 g Huminsäure pro Liter als Blattspray verwendet. Als Negativkontrolle diente eine H₂O-Kontrollmischung oder Aceton. Die Erdbeersämlinge wurden Anfang November auf einer 2,5 × 3 m großen Parzelle mit einem Pflanzabstand von 0,6 m und einem Reihenabstand von 1 m ausgepflanzt. Der Versuch wurde in einem randomisierten Blockdesign durchgeführt und dreimal wiederholt. Die Pflanzen wurden täglich um 7:00 und 17:00 Uhr jeweils 10 Minuten lang mit einem Tropfbewässerungssystem bewässert. Die Tropfer waren im Abstand von 0,6 m angeordnet und hatten ein Fassungsvermögen von 3,4 l. Agrotechnische Komponenten und Ertragsparameter wurden während der Vegetationsperiode gemessen. Die Fruchtqualität, einschließlich des Gehalts an löslichen Feststoffen (TSS, %), Vitamin C, Säure und Gesamtphenolgehalt, wurde im Labor für Nacherntephysiologie und -technologie der König-Abdulaziz-Universität analysiert.
Die Daten werden als Mittelwerte und die Streuungen als Standardabweichungen dargestellt. Die statistische Signifikanz wurde mittels einfaktorieller Varianzanalyse (ANOVA) oder zweifaktorieller ANOVA mit anschließendem Tukey-Test (p < 0,05) bzw. zweiseitigem t-Test nach Student ermittelt (*p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001). Alle statistischen Auswertungen erfolgten mit GraphPad Prism Version 8.3.0. Assoziationen wurden mittels Hauptkomponentenanalyse (PCA), einem multivariaten statistischen Verfahren, unter Verwendung des R-Pakets34 untersucht.
In einer früheren Studie wiesen wir die wachstumsfördernde Wirkung von MiZax in Konzentrationen von 5 und 10 μM bei Gartenbaupflanzen nach und zeigten eine Verbesserung des Chlorophyllgehalts im SPAD-Test (Soil Plant Assay)27. Basierend auf diesen Ergebnissen untersuchten wir 2021 in Feldversuchen unter Wüstenbedingungen die Wirkung von MiZax auf Kartoffeln, eine wichtige globale Nutzpflanze, in denselben Konzentrationen. Unser besonderes Interesse galt der Frage, ob MiZax die Stärkeakkumulation, das Endprodukt der Photosynthese, steigern kann. Insgesamt verbesserte die Anwendung von MiZax das Wachstum der Kartoffelpflanzen im Vergleich zu Huminsäure (HA), was zu einer Zunahme von Pflanzenhöhe, Biomasse und Seitentrieben führte (Abb. 1B). Darüber hinaus beobachteten wir, dass 5 μM MiZax3 und MiZax5 eine stärkere Wirkung auf die Steigerung von Pflanzenhöhe, Seitentrieben und Biomasse hatten als 10 μM (Abb. 1B). Neben verbessertem Wachstum steigerte MiZax auch den Ertrag, gemessen an Anzahl und Gewicht der geernteten Knollen. Der positive Gesamteffekt war bei einer MiZax-Konzentration von 10 μM weniger ausgeprägt, was darauf hindeutet, dass diese Verbindungen in niedrigeren Konzentrationen verabreicht werden sollten (Abbildung 1B). Darüber hinaus beobachteten wir keine Unterschiede in den erfassten Parametern zwischen der Aceton- (Scheinbehandlung) und der Wasserbehandlung (Kontrolle). Dies legt nahe, dass die beobachteten Wachstumsmodulationseffekte nicht durch das Lösungsmittel verursacht wurden, was mit unserer vorherigen Veröffentlichung27 übereinstimmt.
Da die Kartoffelanbausaison in Saudi-Arabien aus einer frühen und einer späten Reifephase besteht, führten wir 2022 eine zweite Feldstudie mit niedrigen Konzentrationen (2,5 und 5 µM) über zwei Anbausaisons durch, um die saisonalen Auswirkungen auf Freilandflächen zu untersuchen (Ergänzende Abbildung S2A). Wie erwartet, zeigten beide Anwendungen von 5 µM MiZax ähnliche wachstumsfördernde Effekte wie im ersten Versuch: erhöhte Pflanzenhöhe, verstärkte Verzweigung, höhere Biomasse und erhöhte Knollenanzahl (Abb. 2; Ergänzende Abbildung S3). Besonders hervorzuheben ist, dass wir signifikante Effekte dieser Pflanzenwachstumsregulatoren bei einer Konzentration von 2,5 µM beobachteten, während die GA-Behandlung nicht die erwarteten Effekte zeigte. Dieses Ergebnis legt nahe, dass MiZax auch in niedrigeren Konzentrationen als erwartet eingesetzt werden kann. Darüber hinaus erhöhte die Anwendung von MiZax auch die Länge und Breite der Knollen (Ergänzende Abbildung S2B). Wir stellten außerdem eine signifikante Zunahme des Knollengewichts fest, allerdings wurde die Konzentration von 2,5 µM nur in beiden Anbausaisons angewendet.
Phänotypische Bewertung des Einflusses von MiZax auf frühreife Kartoffelpflanzen im KAU-Feld, durchgeführt 2022. Die Daten geben den Mittelwert ± Standardabweichung an. n ≥ 15. Die statistische Analyse erfolgte mittels einfaktorieller Varianzanalyse (ANOVA) und Tukey-Post-hoc-Test. Asteriske kennzeichnen statistisch signifikante Unterschiede im Vergleich zur Simulation (*p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001; ns, nicht signifikant). HA – Huminsäure; MZ3, MiZax3, MiZax5; HA – Huminsäure; MZ3, MiZax3, MiZax5;
Um die Effekte der Behandlung (T) und des Jahres (Y) besser zu verstehen, wurde eine zweifaktorielle ANOVA zur Untersuchung ihrer Interaktion (T x Y) durchgeführt. Obwohl alle Biostimulanzien (T) die Höhe und Biomasse der Kartoffelpflanzen signifikant erhöhten, steigerten nur MiZax3 und MiZax5 die Anzahl und das Gewicht der Knollen signifikant. Dies deutet darauf hin, dass die bidirektionalen Reaktionen der Kartoffelknollen auf die beiden MiZax-Präparate im Wesentlichen ähnlich waren (Abb. 3). Zudem steigt das Wetter zu Beginn der Saison (https://www.timeanddate.com/weather/saudi-arabia/jeddah/climate) (durchschnittlich 28 °C und 52 % relative Luftfeuchtigkeit (2022)), was die Gesamtbiomasse der Knollen signifikant reduziert (Abb. 2; Abb. S3 im Anhang).
Die Auswirkungen einer 5 µm-Behandlung (T), des Jahres (Y) und ihrer Wechselwirkung (T x Y) auf Kartoffeln wurden untersucht. Die Daten geben den Mittelwert ± Standardabweichung an. n ≥ 30. Die statistische Analyse erfolgte mittels zweifaktorieller Varianzanalyse (ANOVA). Asteriske kennzeichnen statistisch signifikante Unterschiede im Vergleich zur Simulation (*p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001; ns, nicht signifikant). HA – Huminsäure; MZ3, MiZax3, MiZax5.
Die Behandlung mit MiZax stimulierte jedoch weiterhin das Wachstum spät reifender Pflanzen. Insgesamt zeigten unsere drei unabhängigen Experimente eindeutig, dass die Anwendung von MiZax einen signifikanten Einfluss auf die Pflanzenstruktur hat, indem sie die Anzahl der Verzweigungen erhöht. Tatsächlich ergab sich nach der MiZax-Behandlung ein signifikanter Wechselwirkungseffekt zwischen (T) und (Y) hinsichtlich der Verzweigungsanzahl (Abb. 3). Dieses Ergebnis steht im Einklang mit ihrer Funktion als negative Regulatoren der Strigolacton-(SL)-Biosynthese26. Darüber hinaus haben wir bereits gezeigt, dass die Behandlung mit Zaxinon zu einer Stärkeanreicherung in Reiswurzeln führt35, was die Zunahme von Größe und Gewicht der Kartoffelknollen nach der MiZax-Behandlung erklären könnte, da diese hauptsächlich aus Stärke bestehen.
Obstarten sind wirtschaftlich bedeutende Nutzpflanzen. Erdbeeren reagieren empfindlich auf abiotische Stressfaktoren wie Trockenheit und hohe Temperaturen. Daher untersuchten wir die Wirkung von MiZax auf Erdbeeren durch Besprühen der Blätter. Zunächst setzten wir MiZax in einer Konzentration von 10 µM ein, um dessen Einfluss auf das Erdbeerwachstum (Sorte Festival) zu untersuchen. Interessanterweise beobachteten wir, dass MiZax3 die Anzahl der Ausläufer signifikant erhöhte, was mit einer verstärkten Verzweigung einherging, während MiZax5 unter Gewächshausbedingungen die Blütenbildung, die Pflanzenbiomasse und die Blattfläche verbesserte (Ergänzende Abbildung S4). Dies deutet darauf hin, dass diese beiden Verbindungen biologisch unterschiedliche Wirkungen haben könnten. Um ihre Wirkung auf Erdbeeren unter realen Anbaubedingungen besser zu verstehen, führten wir 2021 Feldversuche mit 5 und 10 µM MiZax an Erdbeerpflanzen (Sorte Sweet Charlie) durch, die in halbsandigem Boden wuchsen (Abb. S5A). Im Vergleich zu GC beobachteten wir keine Zunahme der Pflanzenbiomasse, jedoch einen Trend zu einer höheren Fruchtanzahl (Abb. C6A-B). Die Anwendung von MiZax führte hingegen zu einer signifikanten Erhöhung des Einzelfruchtgewichts und deutete auf eine Konzentrationsabhängigkeit hin (Ergänzende Abb. S5B; Ergänzende Abb. S6B). Dies belegt den Einfluss dieser Pflanzenwachstumsregulatoren auf die Erdbeerfruchtqualität unter Wüstenbedingungen.
Um zu untersuchen, ob der wachstumsfördernde Effekt von der Sorte abhängt, wählten wir zwei kommerzielle Erdbeersorten aus Saudi-Arabien (Sweet Charlie und Festival) aus und führten 2022 zwei Feldstudien mit niedrigen MiZax-Konzentrationen (2,5 und 5 µM) durch. Bei Sweet Charlie stieg die Gesamtfruchtanzahl zwar nicht signifikant an, die Fruchtbiomasse war jedoch bei mit MiZax behandelten Pflanzen generell höher, und die Anzahl der Früchte pro Parzelle erhöhte sich nach der Behandlung mit MiZax3 (Abb. 4). Diese Daten legen nahe, dass sich die biologischen Aktivitäten von MiZax3 und MiZax5 unterscheiden. Darüber hinaus beobachteten wir nach der Behandlung mit MiZax eine Zunahme des Frisch- und Trockengewichts der Pflanzen sowie der Trieblänge. Hinsichtlich der Anzahl der Ausläufer und Neupflanzen stellten wir nur bei 5 µM MiZax eine Zunahme fest (Abb. 4), was darauf hindeutet, dass die optimale MiZax-Konzentration von der Pflanzenart abhängt.
Die Wirkung von MiZax auf die Pflanzenstruktur und den Erdbeerertrag (Sorte Sweet Charlie) auf KAU-Feldern wurde 2022 untersucht. Die Daten geben den Mittelwert ± Standardabweichung an. n ≥ 15, die Anzahl der Früchte pro Parzelle wurde jedoch aus 15 Pflanzen aus drei Parzellen (n = 3) gemittelt. Die statistische Analyse erfolgte mittels einfaktorieller Varianzanalyse (ANOVA) und Tukey-Test bzw. zweiseitigem t-Test nach Student. Asteriske kennzeichnen statistisch signifikante Unterschiede zur Simulation (*p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001; ns, nicht signifikant). HA – Huminsäure; MZ3, MiZax3, MiZax5.
Wir beobachteten eine ähnliche wachstumsfördernde Wirkung hinsichtlich Fruchtgewicht und Pflanzenbiomasse auch bei Erdbeeren der Sorte „Festival“ (Abb. 5). Allerdings fanden wir keine signifikanten Unterschiede in der Gesamtzahl der Früchte pro Pflanze oder Parzelle (Abb. 5). Interessanterweise erhöhte die Anwendung von MiZax die Pflanzenlänge und die Anzahl der Ausläufer, was darauf hindeutet, dass diese Pflanzenwachstumsregulatoren zur Verbesserung des Wachstums von Obstkulturen eingesetzt werden können (Abb. 5). Zusätzlich maßen wir verschiedene biochemische Parameter, um die Fruchtqualität der beiden im Freiland gesammelten Sorten zu untersuchen. Dabei konnten wir jedoch keine Unterschiede zwischen den Behandlungen feststellen (Ergänzende Abb. S7; Ergänzende Abb. S8).
Einfluss von MiZax auf die Pflanzenstruktur und den Erdbeerertrag im KAU-Feld (Sorte „Festival“), 2022. Die Daten sind als Mittelwert ± Standardabweichung angegeben. n ≥ 15, die Anzahl der Früchte pro Parzelle wurde jedoch aus 15 Pflanzen aus drei Parzellen (n = 3) gemittelt. Die statistische Analyse erfolgte mittels einfaktorieller Varianzanalyse (ANOVA) und Tukey-Test bzw. zweiseitigem t-Test nach Student. Asteriske kennzeichnen statistisch signifikante Unterschiede im Vergleich zur Simulation (*p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001; ns, nicht signifikant). HA – Huminsäure; MZ3, MiZax3, MiZax5.
In unseren Studien an Erdbeeren zeigten sich unterschiedliche biologische Aktivitäten von MiZax3 und MiZax5. Zunächst untersuchten wir die Effekte der Behandlung (T) und des Jahres (Y) an derselben Sorte (Sweet Charlie) mittels zweifaktorieller ANOVA, um deren Interaktion (T x Y) zu bestimmen. GA hatte dabei keinen Effekt auf die Erdbeersorte (Sweet Charlie), während 5 μM MiZax3 und MiZax5 die Pflanzen- und Fruchtbiomasse signifikant erhöhten (Abb. 6). Dies deutet darauf hin, dass die Wechselwirkungen der beiden MiZax-Derivate hinsichtlich der Förderung des Erdbeeranbaus sehr ähnlich sind.
Untersucht wurden die Auswirkungen einer 5 µM-Behandlung (T), des Jahres (Y) und ihrer Wechselwirkung (T x Y) auf Erdbeeren (Sorte Sweet Charlie). Die Daten geben den Mittelwert ± Standardabweichung an. n ≥ 30. Die statistische Analyse erfolgte mittels zweifaktorieller Varianzanalyse (ANOVA). Asteriske kennzeichnen statistisch signifikante Unterschiede im Vergleich zur Simulation (*p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001; ns, nicht signifikant). HA – Huminsäure; MZ3, MiZax3, MiZax5.
Da die MiZax-Aktivität bei den beiden Sorten leicht unterschiedlich war (Abb. 4; Abb. 5), führten wir eine zweifaktorielle ANOVA durch, um die Behandlung (T) und die beiden Sorten (C) zu vergleichen. Zunächst zeigte sich, dass keine der Behandlungen die Fruchtanzahl pro Parzelle beeinflusste (Abb. 7), was auf keine signifikante Interaktion zwischen (T x C) hindeutet und nahelegt, dass weder MiZax noch HA zur Gesamtfruchtanzahl beitragen. Im Gegensatz dazu erhöhte MiZax (aber nicht HA) signifikant das Pflanzengewicht, das Fruchtgewicht, die Anzahl der Ausläufer und die Anzahl der Neupflanzen (Abb. 7), was darauf schließen lässt, dass MiZax3 und MiZax5 das Wachstum verschiedener Erdbeersorten signifikant fördern. Basierend auf der zweifaktoriellen ANOVA (T x Y) und (T x C) lässt sich schlussfolgern, dass die wachstumsfördernden Aktivitäten von MiZax3 und MiZax5 unter Feldbedingungen sehr ähnlich und konsistent sind.
Bewertung der Erdbeerbehandlung mit 5 µM (T), zwei Sorten (C) und deren Wechselwirkung (T x C). Die Daten geben den Mittelwert ± Standardabweichung an. n ≥ 30, die Anzahl der Früchte pro Parzelle wurde jedoch im Durchschnitt aus 15 Pflanzen aus drei Parzellen berechnet (n = 6). Die statistische Analyse erfolgte mittels zweifaktorieller Varianzanalyse (ANOVA). Asterisken kennzeichnen statistisch signifikante Unterschiede im Vergleich zur Simulation (*p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001; ns, nicht signifikant). HA – Huminsäure; MZ3, MiZax3, MiZax5.
Abschließend wurde die Wirkung der angewendeten Verbindungen auf Kartoffeln (T x Y) und Erdbeeren (T x C) mittels Hauptkomponentenanalyse (PCA) untersucht. Die Abbildungen zeigen, dass die HA-Behandlung bei Kartoffeln eine ähnliche Wirkung wie Aceton und bei Erdbeeren eine ähnliche Wirkung wie Wasser hat (Abbildung 8), was auf einen relativ geringen positiven Effekt auf das Pflanzenwachstum hindeutet. Interessanterweise wiesen die Gesamteffekte von MiZax3 und MiZax5 bei Kartoffeln die gleiche Verteilung auf (Abbildung 8A), während die Verteilung dieser beiden Verbindungen bei Erdbeeren unterschiedlich war (Abbildung 8B). Obwohl MiZax3 und MiZax5 überwiegend positive Auswirkungen auf Pflanzenwachstum und Ertrag zeigten, deutete die PCA-Analyse darauf hin, dass die wachstumsregulierende Aktivität auch von der Pflanzenart abhängen kann.
Hauptkomponentenanalyse (PCA) von (A) Kartoffeln (T x Y) und (B) Erdbeeren (T x C). Score-Plots für beide Gruppen. Die Verbindungslinie zwischen den Komponenten führt zum Zentrum des jeweiligen Clusters.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass MiZax3 und MiZax5, basierend auf unseren fünf unabhängigen Feldstudien an zwei hochwertigen Nutzpflanzen und übereinstimmend mit unseren früheren Berichten aus den Jahren 2020 bis 202226,27, vielversprechende Pflanzenwachstumsregulatoren sind, die das Pflanzenwachstum und den Ertrag verbessern können. Dies gilt für Getreide, Gehölze (z. B. Dattelpalmen) und Obstkulturen26,27. Obwohl die molekularen Mechanismen jenseits ihrer biologischen Aktivitäten noch nicht vollständig aufgeklärt sind, bergen sie großes Potenzial für die Anwendung im Feld. Besonders vorteilhaft ist, dass MiZax im Vergleich zu Huminsäure in deutlich geringeren Mengen (im Mikromolar- oder Milligrammbereich) angewendet wird und die positiven Effekte stärker ausgeprägt sind. Daher schätzen wir die Dosierung von MiZax3 pro Anwendung (von niedriger zu hoher Konzentration) auf 3, 6 oder 12 g/ha und die Dosierung von MiZax5 auf 4, 7 oder 13 g/ha. Damit eignen sich diese Pflanzenwachstumsregulatoren zur Steigerung der Ernteerträge.
Veröffentlichungsdatum: 29. Juli 2024