Agronomic and physiological parameters of genotypic nitrogen efficiency in oilseed rape (Brassica napus L.) [Elektronische Ressource] / Abdullah Ulas

Abdullah Ulas

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2010
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• Langue: English
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Extrait

Agronomic and Physiological Parameters of Genotypic
Nitrogen Efficiency in Oilseed Rape (Brassica napus L.)



Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
zur Erlangung des Grades



Doktor der Gartenbauwissenschaften
- Dr. rer. hort. -


genehmigte
Dissertation


von

Master of Science in Horticulture
Abdullah Ulas

geboren am 07.07.1973, in Hannover


2010



Referent: Prof. Dr. Walter J. Horst, Uni. Hannover

Korreferent: Prof. Dr. Heiko C. Becker, Uni. Göttingen

Tag der Promotion: 16. November 2010









Key words: Winter oilseed rape, genotypic differences, N-efficiency

Schlagwörter: Winterraps, genotypische Unterschiede, N-Effizienz




GENERAL ABSTRACT

In European agriculture winter oilseed rape (Brassica napus L.) is characterized by the
highest N-balance surpluses as compared to other agricultural crops. This is mainly due to
low N-uptake rates during reproductive growth and incomplete N retranslocation from the
source organs to the seeds, leaving high soil mineral N contents and high N amounts in crop
residues in the field. A main approach to solve the large problem of N balance surpluses of
this crop is the breeding and cultivation of cultivars which efficiently use the available
nitrogen. However, to facilitate the breeding process of N-efficient cultivars, the identification
of secondary plant traits contributing to N efficiency is necessary.

The objectives of the present study were: (1) to determine genotypic differences in N
efficiency (seed yield at limiting N supply) and the importance of N uptake and N utilization
efficiency (grain yield per unit N taken up) for genetic variation in seed yield under different
levels of N supply, (2) to estimate the significance of root growth and morphology for
genotypic differences in N efficiency, (3) to identify morphological and physiological leaf
traits contributing to genotypic differences in N efficiency and (4) to quantify the relative
importance of radiation interception and radiation use efficiency for crop growth rate.
Different sets of cultivars and DH lines were evaluated in field experiments conducted in
1999/2000, 2000/2001 and 2001/2002 cropping periods at two experimental sites near
-1Göttingen under three different levels of N supply (N0: soil mineral N, N1: 120 kg N ha ,
-1N2: 240 kg N ha ).

In the experiments significant genotypic differences in N efficiency were found. Also the
yield response to supplied N, i.e. the interaction between N and genotype, was highly
significant. High N efficiency was mainly achieved by those cultivars which maintained high
N-uptake activity during the reproductive growth phase. The root investigations showed that
the N-efficient cultivar also had a more vigorous root system. Also, this cultivar was able to
achieve a higher light interception at limiting N supply. On the other hand, N losses by
dropped leaves were found to be generally low and not important for genotypic differences in
grain yield.

In conclusion, the results suggest that N uptake and crop growth during the reproductive
growth phase are more important for N efficiency than N retranslocation from vegetative
plant parts to the seeds.
i KURZZUSAMMENFASSUNG

Winterraps (Brassica napus L.) ist innerhalb der europäischen Landwirtschaft im Vergleich
zu anderen Kulturarten durch die höchsten Stickstoff (N) Bilanzsalden gekennzeichnet.
Verantwortlich dafür sind niedrige N-Aufnahmeraten während der reproduktiven Wachstums-
phase und eine unvollständige N-Verlagerung in die Samen, so dass hohe mineralische N-
Gehalte und hohe N-Mengen in den Ernterückständen auf dem Feld verbleiben. Hauptansatz
zur Reduzierung der Bilanzüberschüsse ist die Entwicklung und der Anbau von N-effizienten
Sorten, die den verfügbaren Stickstoff effizient nutzen. Um den Züchtungsprozess von N-
effizienten Sorten zu vereinfachen, ist jedoch die Identifizierung von sekundären pflanzlichen
Eigenschaften mit Einfluss auf die N-Effizienz notwendig.

Die Zielsetzungen der vorliegenden Arbeiten waren: (1) genotypische Unterschiede in der N-
Effizienz (Kornertrag bei limitierendem N-Angebot) und die Bedeutung von N-Aufnahme-
und Nutzungseffizienz für die genetische Variation im Ertrag bei unterschiedlichen N-
Angebotsstufen zu bestimmen, (2) die Bedeutung von Wurzelwachstum und –morphologie
für die N-Effizienz zu beurteilen, (3) morphologische and physiologische Blattmerkmale mit
Einfluss auf die N-Effizienz zu untersuchen und (4) die relative Bedeutung von
Lichtaufnahme und –nutzung für das Wachstum zu quantifizieren. Verschiedene Sorten und
DH-Linien wurden in drei Feldversuchen in den Wachstumsperioden 1999/2000, 2000/2001
und 2001/2002 an zwei Standorten in der Nähe von Göttingen und bei drei N-Angebotsstufen
-1 -1(N0: mineraler Boden-N, N1: 120 kg N ha , N2: 240 kg N ha ) untersucht.

In den Versuchen unterschieden sich die Genotypen signifikant in der N-Effizienz. Auch die
Ertragssteigerung nach N-Düngung, d.h. die Interaktion zwischen N-Angebot und Genotyp,
war hochsignifikant. Eine hohe N-Effizienz wurde v. a. von Sorten mit einer hohen N-
Aufnahmekapazität während des reproduktiven Wachstums erreicht. Die Wurzelunter-
suchungen zeigten, dass die N-effiziente Sorte auch ein größeres Wurzelsystem besaß.
Außerdem wies diese Sorte eine höhere Lichtaufnahme auf. Andererseits waren N-Verluste
durch abgefallene Blätter insgesamt gering und nicht entscheidend für Sortenunterschiede im
Ertrag.

Abschließend kann aus den Ergebnissen gefolgert werden, dass N-Aufnahme und Wachstum
während der reproduktiven Wachstumsphase für die N-Effizienz von größerer Bedeutung sind
als die N-Retranslokation aus vegetativen Pflanzenorganen in die Samen.
ii TABLE OF CONTENTS

GENERAL ABSTRACT……………………………………………………………………...i
KURZZUSAMMENFASSUNG……………………………………………………………..ii
TABLE OF CONTENTS……………………………………………………………….…...iii
ABREVIATIONS……………………………………………………………………….…..vii
GENERAL INTRODUCTION………………………………………………………………1

CHAPTER I: AGRONOMIC PARAMETERS OF GENOTYPIC NITROGEN
EFFICIENCY IN OILSEED RAPE (BRASSICA NAPUS L.)

1. Abstract………………………………………………………………………………..7
2. Introduction…………………………………………………………………………...8
3. Materials and Methods……………………………………………………………...11
3.1 Experimental Sites……………………………………………………………………11
3.2 Plant Material and Experimental Design……………………………………………..13
3.3 Trial Management…………………………………………………………………….14
3.4 Measurements and Analysis…………………………………………………………..15
3.4.1 Harvest, Dry Weight and Yield Determination……………………………………….15
3.4.2 Nitrogen Analysis……………………………………………………………………..16
3.4.3 Calculation of N efficiency Components………………………………….………….16
3.4.4 Determination of Seed Quality………………………………………………………..17
3.4.5 Determination of Yield Components………………………………………………....17
3.5 Statistical Evaluation………………………………………………………………….17
4. Results…………………………………………………………………………..……19
4.1 Plant Development and Dry Matter Production………………………………………19
4.2 Seed Yield Formation…………………………………………………………………26
4.3 Harvest Index………………………………………………………………………….29
4.4 Yield Components…………………………………………………………………….32
4.5 Shoot Nitrogen Concentration………………………………………………………...35
4.6 Shoot Nitrogen Uptake………………………………………………………………..43
4.7 Nitrogen Utilization Efficiency and Its Components…………………………………50
4.7.1 Nitrogen Utilization Efficiency……………………………………………………….50
4.7.2 Biological Production Efficiency……………………………………………………..52
4.7.3 Nitrogen Harvest Index……………………………………………………………….54
iii 4.7.4 Seed Nitrogen Concentration…………………………………………………………57
4.8 Seed Quality…………………………………………………………………………..59
4.9 Relationships between Seed Yield and N Efficiency Parameters…………………….64
5. Discussion…………………………………………………………………………….67
5.1 Genotypic Differences in Nitrogen Efficiency………………………………………..67
5.2 Factors Contributing to Genotypic Differences in Nitrogen Efficiency……………...68
5.2.1 Nitrogen Uptake Efficiency…………………………………………………………..68
5.2.2 Nitrogen Utilization Efficiency…………………………………………………….…69
5.2.3 Yield Components and Yield Quality Parameters……………………………………71

CHAPTER II: SIGNIFICANCE OF ROOT GROWTH AND MORPHOLOGY FOR
GENOTYPIC DIFFERENCES IN NITROGEN EFFICIENCY OF OILSEED RAPE
(BRASSICA NAPUS L.)

1. Abstract………………………………………………………………………………74
2. Introduction………………………………………………………………………….75
3. Materials and Methods……………………………………………………………...77
3.1 Description of the Experimental Site…………………………………………………77
3.2 Core Method…………………………………………………………………………..77
3.2.1 Sampling of Soil Cores……………………………………………………………….78
3.2.2 Determination of Mineral Nitrogen Content (N ) in the Soil Cores………………..79 min
3.2.3 Root Washing…………………………………………………………………………79
3.2.4 Root-Length Determination…………………………………………………………..79
3.3 Rhizotron Method…………………………………………………………………….81