Water relations and drought tolerance of different Zea mays cultivars as influenced by nitrogen form and application [Elektronische Ressource] / von Oscar Enrique Bustamante Morales

Oscar Enrique Bustamante Morales

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• Publié le: 01 janvier 2009
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Extrait

Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und
Ressourcenschutz
- Fachbereich Pflanzenernährung -
der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

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Water Relations and Drought Tolerance of Different Zea
mays Cultivars as Influenced by Nitrogen Form and
Application


Inaugural – Dissertation

Zur

Erlangung des Grades


Doktor der Agrarwissenschaften
(Dr. agr.)



der

Hohen Landwirtschaftlichen Fakultät

der

Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität
zu Bonn



vorgelegt am 29.05.2009

von

Oscar Enrique Bustamante Morales

aus

Nicaragua































Referent: PD Dr. J. Burkhardt

Korreferent: Prof. Dr. H. Goldbach

Korreferent: Prof. Dr. J. Léon

Tag der mündlichen Prüfung: 02 November 2009





ABSTRACT

“Water Relations and Drought Tolerance of Different Zea
mays Cultivars as Influenced by Nitrogen Form and Application”

This study was conducted to describe the physiological and morphological factors
controlling the water use efficiency of maize (Zea mays L.) plants under drought
conditions. The effects of localized ammonium (CULTAN) and broadcasted nitrate
fertilization, two different forms of nitrogen nutrition on differently drought tolerant maize
varieties were investigated. Greenhouse and field experiments were carried out in 2007 and
2008 using a randomised complete block design with eight and three repetitions in the
greenhouse and the field, respectively. In 2007, three cultivars from Nicaragua and the
European cultivar Permanent were used, while in 2008 four European cultivars (including
Permanent) were chosen, according to different properties communicated by the breeder.
Two water regimes were applied in the greenhouse. In the field, irrigation was installed on
half of the plots. Due to abundant rainfall in 2007, no drought stress developed. This was
different in 2008, enabling the establishment of two different water regimes in the field
experiment.Growth and dry matter partitioning were monitored, gas exchange was
regularly assessed by the measurement of light curves, and water status parameters (water
potential, osmotic potential, turgor pressure and relative water content) were measured.
The hydraulic conductance of the shoot was assessed by the measurement with a High
Pressure Flow Meter (HPFM).
+ -The results demonstrate different adaptability of the cultivars to NH and NO nutrition and to 4 3
+drought conditions in both, greenhouse and field experiment. The NH plants showed higher 4
-photosynthetic rates compared to NO plants when the photosynthetic photon flux density 3
increased. The well-watered plants also showed higher photosynthetic rates compared to the
drought-stressed plants in both, 2007 and 2008.
The parameters of leaf water relations were generally affected by the water regime, but not by the
nitrogen form. Hydraulic conductivity was influenced by nitrogen form, water regime, and cultivar.
Nutrader, Vitaminado and Permanent (greenhouse, 2007), Nutrader, Vitaminado and Mazorca de
oro (field, 2007), and Permanent, Abakus and Mazurka (greenhouse and field, 2008) showed
higher hydraulic conductance with CULTAN compared to nitrate, whereas higher hydraulic
conductance with nitrate compared to CULTAN was only found for Aalvito in the greenhouse
experiment of 2008.
Under well-watered conditions, all cultivars showed higher above-ground dry matter production
with ammonium compared to nitrate in the greenhouse experiment of 2007, while no significant
differences were found in the field experiment. In 2008 and under well watered conditions, the total
+ -dry matter production of the NH plants was 19% higher compared to the NO plants. Dry matter 4 3
+
production under well-watered conditions was superior by 34% for NH plants and by 11% for 4
-NO plants, respectively, compared to drought-stressed conditions. Under well-watered conditions, 3
+the grain yield of NH treated plants of the cultivars Permanent, Aalvito and Mazurka was higher 4
-(18-22%) compared to NO fertilization. The yield reduction under drought, however, was more 3
+ -pronounced (20-36%) for the NH plants than for the NO plants (16-18%), with Aalvito and 4 3
Abakus having higher yields with nitrate compared to ammonium. There was no yield reduction by
+drought for the Abakus cultivar fertilized with nitrate. The superiority of the NH plants in grain 4
yield was attributable to higher numbers of grain per ear.
Protein content was not affected by the water regime. Aalvito had higher corn protein content with
CULTAN (20%) compared to nitrate. Abakus and Mazurka showed the highest corn protein
content of all cultivars, but no difference between CULTAN and nitrate fertilization.

The results give a differentiated view of the ecophysiological adaptations of Zea mays cultivars to
drought and the possibilities to improve their water-use efficiency by nitrogen fertilization.

ZUSAMMENFASSUNG

“Wasserhaushalt und Trockentoleranz verschiedener Mais-(Zea mays) Sorten in
Abhängigkeit von Form und Einbringung der Stickstoffdüngung”

Ziel der vorgestellten Untersuchungen war die Beschreibung physiologischer und morphologischer
Faktoren von Mais (Zea mays L.) unter Trockenheitseinfluss, unter besonderer Berücksichtigung
der Wassernutzungseffizienz. Der Einfluss lokalisierter Ammoniumdüngung (CULTAN) und
breitwürfiger Nitratdüngung auf unterschiedlich trockenheitstolerante Maissorten wurde
verglichen. Hierzu wurden in den Jahren 2007 und 2008 Topfversuche im Gewächshaus sowie
Feldversuche durchgeführt, unter Verwendung eines vollständig randomisierten Blockdesigns mit
acht bzw. drei Wiederholungen. Im Jahr 2007 wurden drei Sorten aus Nicaragua sowie die
europäische Sorte Permanent verwendet. 2008 wurden drei weitere, nach den
Sortenbeschreibungen des Züchters ausgewählte europäische Sorten und wieder Permanent
verwendet. In den Topfversuchen wurden zwei Wasserversorgungsstufen eingestellt. Im Freiland
wurde auf der Hälfte der Versuchsplots eine Bewässerung installiert, es stellte sich allerdings 2007
aufgrund ausgiebiger Regenfälle keine Trockenheit ein. Dagegen trat 2008 gelegentlich
Trockenstress auf, so dass auch im Feldversuch zwei Wasserversorgungsstufen verglichen werden
konnten. Neben der Erfassung von Wachstumsparametern und Trockenmasseverteilung wurde
regelmäßig der Gasaustausch bei Anwendung von Lichtkurven sowie weitere
Wasserhaushaltsparameter (Gesamtwasserpotential, osmotisches und Turgorpotential, relativer
Wassergehalt) gemessen. Die hydraulische Leitfähigkeit des Sprosses wurde durch Messung mit
einem High Pressure Flow Meter (HPFM) ermittelt.
Die verschiedenen Sorten zeigten unterschiedliche Reaktionen auf Ammonium- und Nitrat-
ernährung und Unterschiede in der jeweiligen Anpassungsfähigkeit an Trockenheit, sowohl im
Topf- als auch im Feldversuch. Die Photosyntheseraten bei ansteigendem Licht waren generell bei
CULTAN-Pflanzen höher als bei Pflanzen mit Nitratdüngung, ebenso waren sie bei guter
Wasserversorgung generell höher als in den Trockenvarianten.
Die Wasserhaushaltsparameter wurden allgemein durch die Wasserversorgung beeinflusst, nicht
hingegen durch die verwendete Stickstoffdüngung. Sortenabhängig kam es zu Unterschieden der
hydraulischen Leitfähigkeit bei unterschiedlicher Stickstoffdüngung und Wasserversorgung. Die
hydraulische Leitfähigkeit bei guter Wasserversorgung war signifikant höher bei CULTAN-
Pflanzen der Sorten Nutrader, Vitaminado und Permanent (Topfversuch 2007), Nutrader,
Vitaminado und Mazorca de oro (Feldversuch 2007), sowie Permanent, Abakus und Mazurka
(Topf- und Feldversuch 2008), jeweils verglichen zur Nitratbehandlung. Dagegen zeigte nur
Aalvito 2008 im Topfversuch höhere hydraulische Leitfähigkeit mit Nitrat als mit CULTAN.
Bei guter Wasserversorgung zeigten im Gewächshausexperiment 2007 alle Sorten mit CULTAN-
Versorgung höhere Trockenmasseproduktion als mit Nitratdüngung, dagegen traten hierzu im
Feldversuch keine signifikanten Unterschiede auf. 2008 war die Trockenmasse der CULTAN-
Pflanzen bei guter Wasserversorgung im Feldversuch um 19% höher als bei Nitratdüngung. Bei
guter Wasserversorgung war die Trockenmasse für CULTAN-Pflanzen um 34%, bei
Nitratdüngung um 11% höher als in der Variante mit gelegentlichem Trockenstress. Die CULTAN-
Pflanzen der Sorten Permanent, Aalvito und Mazurka hatten bei guter Wasserversorgung einen
gegenüber Nitratdüngung um 18 – 22% höheren Kornertrag als die nitratgedüngten Pflanzen. Bei
Trockenheit war jedoch die Ertragsreduktion stärker bei den CULTAN-Pflanzen jedoch stärker
(20-36%) als bei