Bedeutung exogener Faktoren für die PEITC-Abgabe

Unter kontrollierten Bedingungen gibt die glucosinolatreiche Sorte ‚Rainbow‘ mehr PEITC in die Rhizosphäre ab als die glucosinolatarme Sorte ‚Monty‘ (Tab. 17). Unter Freilandbedingungen lässt sich dieser Unterschied nicht nachweisen (Tab. 10 und 12). Der Einfluss, den die Pflanze durch die PEITC-Abgabe auf ihre Umwelt nimmt, ist also nicht nur von endogenen Faktoren wie dem Entwicklungsstadium, der Wurzelzone oder der Sorte abhängig, sondern auch von exogenen. Von Versuch zu Versuch unterschieden sich die Wachstumsbedingungen der Pflanzen in Hinblick Klima, Strahlung, Düngung und Insektenbefall. Der Einfluss dieser Faktoren auf die PEITC-Konzentration in der Rhizosphäre soll im Folgenden diskutiert werden.

Im Vergleich der Feldversuche mit Winterraps fällt auf, dass die PEITC-Konzentration in der Rhizosphäre nach dem kälteren und längeren Winter 2000/2001 erheblich geringer war als im Vorjahr (Tab. 7 und 9). Kurze Tageslängen, niedrige Temperaturen und geringere Strahlung sind als Faktoren bekannt, die den Glucosinolatgehalt von Rapspflanzen gering halten (K^IRKEGAARD et al., 1998). Beispielsweise weist im australischen Herbst kultivierter Raps niedrigere Glucosinolatgehalte in Spross und Wurzel auf als im australischen Frühling ausgesäte Pflanzen derselben Sorten (S^AWAR und K^IRKEGAARD, 1998). Dementsprechend

5. Diskussion hatten vermutlich die Rapspflanzen in der vorliegenden Arbeit in der klimatisch ungünstigeren Wachstumsperiode 2000/2001 weniger Gluconasturtiin gebildet als die im Vorjahr und konnten daher nur wenig PEITC in die Rhizosphäre abgeben. Die PEITC-Konzentration von Pflanzen, die im Klimaschrank kultiviert wurden, war geringer als die von im Gewächshaus gezogenen Pflanzen der gleichen Sorte (Tab. 16 und 19). Die Pflanzen im Klimaschrank wuchsen mit täglich 16 h Licht der Strahlungsintensität von 450 µE m^-2 s^-1. Die Pflanzen im Gewächshaus erhielten zusätzlich zu dem durch Glasdach- und –wände einfallenden Licht täglich 12 h 800 µE m^-2 s^-1 Zusatzbeleuchtung. Das entspricht den Beobachtungen von S^AWAR und K^IRKEGAARD (1998), nach denen im australischen Freiland, also bei höherer Strahlung, gewachsener Raps mehr Glucosinolate bildete als die zeitgleich im Gewächshaus ohne Zusatzbeleuchtung oder gar bei niedrigen Lichtintensitäten im Phytotron kultivierten Pflanzen gleicher Sorte. Strahlung und Temperatur haben Einfluss auf die Glucosinolatgehalte der Pflanzenwurzeln (KIRKEGAARD et al., 1998) und damit, wie im Vergleich der in dieser Arbeit beschriebenen Versuche deutlich wird, auch auf die PEITC-Konzentration in der Rhizosphäre.

Die PEITC-Konzentration in der Rhizosphäre der im Klimaschrank ohne Düngung gewachsenen Rapspflanzen war wesentlich geringer als bei der anschließend kultivierten Folgekultur, die eine Düngergabe erhalten hatte (Tab. 18 und 19). Dieses legt den Schluss nahe, dass auch die Ernährung der Pflanzen die PEITC-Konzentration in der Rhizosphäre beeinflusst. Hierfür spricht auch, dass die Pflanzenernährung, insbesondere die Schwefelversorgung, großen Einfluss auf den Glucosinolatgehalt der Pflanzen hat (BOOTH

und WALTER, 1992; BLAKE-KALFF et al., 1998; WIELEBSKI et al., 1999). Ein niedriges Schwefelangebot im Boden kann den Glucosinolatgehalt von Rapssaatgut bereits erheblich senken, bevor Schwefelmangelerscheinungen oder Wachstumsdepression bemerkbar werden (BOOTH und WALTER, 1992). Ähnliches gilt vermutlich auch für die vegetativen Organe des Raps. Gute Schwefeldüngung dagegen, vor allem in Kombination mit niedrigem Stickstoffangebot, kann den Glucosinolatgehalt in den vegetativen Organen des Rapses stark erhöhen (B^LAKE-K^ALFF et al., 1998). Allerdings wurden trotz Düngung im Klimaschrank nicht so hohe PEITC-Konzentration in der Rhizosphäre gemessen wie ohne Düngung im Gewächshaus (Tab. 16 und 19). Daher steht zu vermuten, dass auch gute Mineralernährung den Effekt geringer Lichtintensität nicht ausgleichen kann.

Die PEITC-Konzentration in der Rhizosphäre von ‚Rainbow‘ ist bei Kultur im Klimaschrank unter ausreichender Ernährung höher als bei ‚Monty‘ (Tab. 19). Bei schlechterer Ernährung, die auch zu einem deutlich reduzierten Sprosswachstum führt, ist dieser Unterschied nicht zu erkennen (Tab. 18). Sortenspezifische Unterschiede zeigen sich also darin, in wie weit eine Verbesserung der Umweltbedingungen in eine Erhöhung der PEITC-Konzentration in der Rhizosphäre umgesetzt werden kann. Hierfür sprechen auch die Ergebnissen von B^OOTH und W^ALTER (1992) und W^IELEBSKI et al. (1999), nach denen sortenspezifisch unterschiedliche

Obergrenzen für Schwefeldüngung bestehen, durch die der Glucosinolatgehalt der Rapssamen noch gesteigert werden kann. Ähnliches könnte auch für die vegetativen Organe der Pflanzen und damit indirekt für die PEITC-Abgabe der Pflanzen gelten. Mit einer Verbesserung der Wachstumsbedingungen wird der Glucosinolatgehalt der Pflanzen zwar quantitativ erhöht, die art- bzw. sortentypische qualitative Zusammensetzung der Glucosinolate aber bleibt unverändert (K^IRKEGAARD und S^AWAR, 1998).

Im Versuchsjahr 2000 litten die Rapspflanzen unter Befall durch den Kohlerdfloh. Diese Insekten schädigen die Blätter der Pflanzen durch Lochfraß. Die Larven entwickeln sich an und in den Wurzeln und im unteren Stengelbereich (B^ÖRNER, 1990). Im Mai und Juni 2000, der Zeit des stärksten Befalls der Wurzeln, wurden in den Rhizosphären von Sommer- und Winterraps erheblich höhere PEITC-Konzentrationen gemessen als zur gleichen Jahreszeit im Folgejahr (Tab. 6, 8, 10 und 12). Damit Gluconasturtiin von der Myrosinase gespalten werden kann, so dass PEITC frei wird, muss die Zellintegrität zerstört werden, da Glucosinolate in der Vakuole, die Myrosinase membranassoziert im Cytoplasma gelagert werden (B^ONES und R^OSSITER, 1996). Fressende Insektenlarven dürften wesentlich mehr Zellen zerstören, als bei ungestörtem Wurzelwachstum absterben. Zudem kann auch die Glucosinolatproduktion durch Insektenbefall und mechanische Verletzungen verstärkt werden (B^ENNETT und W^OLLSGROVE, 1994). Es ist daher wahrscheinlich , dass der Insektenbefall der Wurzeln im Mai und Juni 2000 zu einer Steigerung der die PEITC-Konzentrationen in den Rhizosphären geführt hat.

Auch Lochfraß in den Blättern kann bei jungen Rapspflanzen zur Erhöhung des Glucosinolatgehaltes der Wurzeln führen (KORITSAS et al., 1990), was eine verstärkte PEITC-Abgabe in die Rhizosphäre zur Folge haben sollte. Die PEITC-Konzentration in der Rhizosphäre der im Jahr 2000 ausgesäten Sommerrapsjungpflanzen war allerdings gering (Tab. 10). Möglicherweise waren die Pflanzen durch den massiven Befall zu stark geschwächt, um die Glucosinolatproduktion verstärken zu können. Vermutlich kann Insektenbefall je nachdem, wie weit er die Pflanze schwächt, die PEITC-Konzentration in der Rhizosphäre erhöhen oder senken.

Auch Pflanzen einer Sorte, die unter denselben Anbaubedingungen gewachsen sind und am selben Entwicklungsstadium untersucht werden, unterscheiden sich oft sehr stark in der PEITC-Konzentration ihrer Rhizosphären (z.B. Tab 6). Die Ursachen dieser individuellen Unterschiede sind nicht klar zu erkennen. Hohe Variabilität im Gehalt sekundärer Pflanzenstoffe ist nicht ungewöhnlich und auch für freie Isothiocyanate im pflanzlichen Gewebe bekannt (CHOESIN und BOERNER, 1991). Zwar wurde Raps in Hinblick auf den Glucosinolatgehalt züchterisch stark bearbeitet, doch bezogen sich diese Arbeiten vor allem auf den Glucosinolatgehalt der Samen, der nicht mit dem der Wurzeln korreliert ist (BENNETT

und W^OLLSGROVE, 1994; K^IRKEGAARD undS^AWAR, 1998). Für die Abgabe von PEITC in die Rhizosphäre spielt nicht nur der Glucosinolatgehalt der Wurzel eine Rolle, der innerhalb einer Art sehr variabel sein kann (K^IRKEGAARD undS^AWAR, 1998), sondern auch die Aktivität und

5. Diskussion das Vorkommen des spaltenden Enzymes Myrosinase sind von Bedeutung. Die Aktivität der Myrosinase, von der organspezifisch innerhalb der Pflanze verschiedene Isoenzyme ausgebildet werden, wird von Myrosinase-binding-Proteins und Myrosinase-binding-related-Proteins und auch von niedermolekularen Verbindungen wie Ascorbinsäure beeinflusst. Beim Raps sind allein 10 Myrosinase-binding-proteins bekannt (B^ONES und R^OSSITER, 1996).

Durch die komplexen Steuerungsmöglichkeiten der Myrosinaseaktivität besteht viel Raum für individuelle Unterschiede. Allerdings ist –gerade bei ungünstigen Wachstumsbedingungen-die Variabilität in der PEITC-Abgabe bei der glucosinolatreichen Sorte ‚Rainbow‘ geringer als bei der glucosinolatarmen Sorte ‚Monty’ (Tab. 17). Individuelle Unterschiede können also in dem von Sorte, Entwicklungsstadium und Umwelteinflüssen gesteckten Rahmen die PEITC-Konzentration in der Rhizosphäre steuern.

Durch das Zusammenspiel endogener und exogener Faktoren, die die PEITC-Abgabe der lebenden Rapswurzeln in die Rhizosphäre steuern, entstehen in der Rhizosphäre des Rapses verschiedene Bereiche, die sich stark hinsichtlich der Konzentration des antibiotisch wirksamen PEITCs unterscheiden. Mit der ontogenetischen Entwicklung der Pflanze entstehen über die Veränderungen der PEITC-Konzentration zeitlich hintereinander immer neue Lebensräume in der Rhizosphäre. Durch die räumliche Varianz in der PEITC-Konzentration bestehen zeitgleich verschiedene ökologische Nischen. Dieses mag eine Ursache sein, weshalb sich die Rhizosphäre des Rapses im Vergleich zu der anderer Kulturpflanzen durch eine höhere mikrobielle Diversität auszeichnet (SMALLA et al., 2001).

Die Wirkung des PEITCs und anderer Umweltfaktoren auf die Rhizosphärenmikroflora soll im folgenden Kapitel (5.2) näher ausgeführt werden. Das Zusammenspiel von Rhizosphärenmikroflora, Pflanze und Boden wird unter 5.3 diskutiert werden.

Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass das Zusammenspiel von endogenen und exogenen Faktoren die Abgabe durch die lebende Rapswurzel steuert. Das Ausmaß der PEITC-Abgabe steht mit dem Gluconasturtiingehalt der Wurzel im Zusammenhang, wird aber anscheinend auch von anderen Faktoren wie z.B. der Myrosinaseaktivität maßgeblich beeinflusst. Allerdings geht während des Pflanzenwachstums nur ein Bruchteil des in der Wurzel gespeicherten Gluconasturtiins in die PEITC-Abgabe ein. Durch zeitliche und räumliche Unterschiede in der PEITC-Konzentration entstehen in der Rhizosphäre des Rapses neben- und nacheinander verschiedene für Mikroorganismen besiedelbare Lebensräume.

5.2 Einfluss von PEITC und anderen Umweltfaktoren auf die Artenzusammensetzung der Rhizosphärenmikroflora

In der Rhizosphäre des Rapses bestehen verschiedene, durch die PEITC-Konzentration beeinflusste Lebensräume nebeneinander. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich die Artenzusammensetzung der eukaryotischen und prokaryotischen

Mikroorganismen in Abhängigkeit von der PEITC-Konzentration in Boden und Rhizosphäre ändert. Zudem wurde deutlich, dass PEITC im Boden schnell von Mikroorganismen abgebaut wird. Außer mit der PEITC-Konzentration änderte sich die Artenzusammensetzung der Rhizosphärenmikroflora auch in Abhängigkeit von anderen Faktoren wie Bodenfeuchte, Zeit, Sorte und Größe der Pflanzen.