Boron foliar fertilization: impacts on absorption and subsequent translocation of foliar applied Boron

Abstract

Foliar fertilization is an agricultural practice to supply plants with a specific nutrient in times of low soil availability of the nutrient or low root activity, e.g. during generative growth. The focus of this study was placed on Boron (B). Boron is an essential micronutrient for higher plants and deficiency appears in many countries on numerous crops throughout the world. B fertilization is often applied as foliar fertilizer, but the efficiency is inconsistent. The possible physiological function of B in plants is described in Chapter 1 within the general introduction. The experiments were conducted on two disparate crop species (soybean and lychee) and the impact of different parameters on foliar B absorption and subsequent translocation was studied. The first study (Chapter 2) shows the impact of plant B status on foliar B absorption and subsequent translocation in soybean. The limited absorption of foliar applied B in B deficient plants was observed in soybean and in lychee. The physiological study was developed for soybean plants pre-treated with different B root supply, ranging from deficient to B intoxicated plants. In addition, different formulations were tested in order to increase the subsequent B translocation after foliar B absorption. For this reason polyols (mannitol, sorbitol) were added to the foliar formulations, as they form stable polyol borate ester with B and these compounds enable phloem mobility in some species. Lowest absorption was observed in plants with B deficiency and B intoxication, whereas the share of subsequent B basi translocation was highest. Results correlated with measurements on stomata opening and water potential. The interruption of the transpiration stream, indicated by high water potentials in B deficient and intoxicated plants, might facilitate B phloem translocation, as it was shown in recent publications. Absorption rates were increased in treatments with polyol supplementation, probably due to a humectants effect (lowering the DRH). Subsequent translocation could not be improved by the addition of polyols. In Chapter 3 the impact of leaf side of application and adjuvant supplementation on foliar B absorption and subsequent translocation was studied on lychee and soybean. The effect of the adjuvants CaCl2 and sorbitol as humectant adjuvants and mannitol and sorbitol as B-binding adjuvants were investigated. Both plant species differed greatly in total absorption rates. Boron absorption through the abaxial leaf side was more than three-fold (soybean) or seven-fold (lychee) higher than through the adaxial side The addition of adjuvants significantly enhanced the rate of B absorption in soybean, but had no effect on B absorption in lychee. The positive results of adjuvant supplementation in soybean might be attributed to the humectants effect. Subsequent translocation could not be increased in neither of the treatments. The results on foliar B absorption via the abaxial leaf surface in both species suggest a high demand for future research, e.g. techniques to spray the abaxial leaf surface. In Chapter 4 the focus was to assess the impact of different parameters on foliar B absorption and subsequent translocation in lychee. B solutions were applied on the adaxial versus the abaxial leaf surface of mature or immature leaves. In addition, nocturnal versus diurnal application was studied. Absorption was significantly increased after application to the abaxial leaf surface. The parameters leaf age and time of application did not affect absorption. Subsequent translocation of foliar absorbed B increased significantly after foliar application of B to mature in comparison to immature leaves. Nocturnal application of B resulted in significantly enhanced basipetal B translocation. The efficacy of foliar B fertilization can be limited in lychee, especially if only the adaxial leaf surface is targeted as it commonly occurs with the spraying techniques available in many lychee orchards. The practical implications of our results clearly show that B foliar sprays should be applied nocturnally to the abaxial leaf surface. In conclusion, absorption and subsequent translocation of foliar applied B can be increased by different parameters in lychee and soybean. Plant B status and leafside of application showed a strong impact on foliar B absorption. All results are discussed in Chapter 5.

Die Blattdüngung spielt eine wichtige Rolle im Pflanzenbau und findet Anwendung, wenn aufgrund von verminderter Verfügbarkeit im Boden oder während geringer Wurzelaktivität (generatives Wachstum) Versorgungsengpässe entstehen. In dieser Arbeit wurde der Mikronährstoff Bor (B) als Grundlage für die Forschungsarbeiten gewählt. Bor ist ein lebensnotwendiger Mikronährstoff für höhere Pflanzen, und Mangelerscheinungen wurden bereits in vielen Ländern an unterschiedlichsten Pflanzen beschrieben. Bor wird oft in Kombination mit Pflanzenschutzmaßnahmen über das Blatt gedüngt. Die Effektivität der B-Blattdüngung ist aber sehr variabel. Die physiologische Funktion von Bor in der Pflanze und deren Auswirkung für den Pflanzenbau wird in Chapter 1 beschrieben. Die Experimente wurden an zwei unterschiedlichen Pflanzenarten (Sojabohne, Litschi) durchgeführt und Einflussfaktoren auf die B-Blattaufnahme und nachfolgende Verlagerung getestet. Im zweiten Kapitel (Chapter 2) wurde das Thema ?Einfluss des B Versorungsgrades der Pflanzen auf die B Aufnahme und nachfolgende Verlagerung an Sojapflanzen? und der Einfluss von Additiven auf die B Verlagerung untersucht. Die Pflanzen wurden mit unterschiedlichen Borangeboten angezogen. Der Versorgungsgrad reichte von B Mangel bis B Toxizität. Zusätzlich wurden verschiedene Zusätze der Formulierung für die Blattapplikation zugesetzt, um die Verlagerung nach der Blattaufnahme zu verbessern. In Sojapflanzen ist B immobil. Die Zusätze in der Applikationslösung waren Polyole (Mannitol, Sorbitol), die stabile Verbindungen mit Bor bilden. In einigen Pflanzenarten kann B in dieser gebundenen Form im Phloem verlagert werden. Die B Blattaufnahme war stark beeinflusst vom B Versorgungsgrad der Pflanzen. B Mangel und Toxizität führten zu geringerer B Absorption über das Blatt, als bei Pflanzen mit guter bis sehr guter Versorgung. Die anschließende basipetale Verlagerung des aufgenommenen B war prozentual zur Gesamtaufnahme in den mangel- und toxischen Pflanzen am höchsten. Die Ergebnisse zeigten eine gute Korrelation mit den Wasserpotential Messungen und der Auswertungen der elektronenmikroskopischen Aufnahmen der Stomata. Eine Drosselung des Transpirationsstroms, erkennbar an den hohen Wasserpotential Werten der Pflanzen mit B Mangel und Toxizität, könnte die B Phloem Verlagerung begünstigt haben, wie kürzlich veröffentlichte Untersuchungen zeigen. Die B Blattaufnahme wurde durch die Zusätze in der Düngerlösung erhöht, mit größter Wahrscheinlichkeit ist dies auf einen ?humectant? Effekt zurück zu führen, der den flüssigen Zustand der Düngerlösung verlängert und somit das Zeitfenster zur B Aufnahme vergrößert hat. Die B Verlagerung konnte durch die Zusätze nicht verbessert werden. Im dritten Kapitel (Chapter 3) wurde der Einfluss verschiedener Zusätze in der Blattdünger Lösung auf die Aufnahme und anschließende Verlagerung an Soja- und Litschi Pflanzen untersucht. Der Beitrag der Stomata an der B Blattaufnahme wurde durch die Applikation auf die Blattober- und Blattunterseite bewertet. Beide Pflanzenarten zeigten sehr starke quantitative Unterschiede in der B Blattaufnahme. Litschi Pflanzen nahmen kaum Bor über die Blattoberseite auf (keine Stomata), wogegen über die Unterseite das 7-fache der B Menge aufgenommen wurde. Die Blätter der Soja Pflanzen absorbieten B über beide Blattseiten, wohingegen die B Aufnahme über die Blattunterseite 3-mal größer war. Soja Blätter haben mehr Stomata an der Blattunterseite. Die B Blattaufnahme wurde durch die Zusätze in der Blattdüngerlösung in Soja Pflanzen erhöht, die nachfolgende B Verlagerung wurde aber nicht beeinflusst. Litschi Pflanzen zeigten keine veränderte Aufnahme und Verlagerung mit Zusätzen in der Düngerlösung. Die Ergebnisse zeigen, dass es einen großen Forschungsbedarf bezüglich der Applikationstechniken und Zusatzstoffe gibt, um zukünftig die Blattunterseite verstärkt zu benetzen und die Blattdüngerlösungen möglichst lange in einer flüssigen Phase auf dem Blatt zu erhalten. Im dritten Abschnitt (Chapter 4) wurde der Schwerpunkt der Untersuchungen auf den Einfluss verschiedener Parameter auf die B Blattaufnahme und anschließende Verlagerung an Litschi Pflanzen gelegt. Die B Blattdünger Lösungen wurden entweder auf die Blattober- oder Blattunterseite von vollständig entwickelten oder noch wachsenden Blättern appliziert. Die Applikation erfolgte am Tag oder in der Nacht. Die B Aufnahme war signifikant erhöht nach der Applikation auf die Blattunterseite. Die Parameter Blattalter und Applikationszeitpunkt (Tag/Nacht) hatten keinen Einfluss auf die Menge an absorbieten B. Die Mobilität des absorbierten B?s wurde dagegen in vollständig entwickelten Blättern und nach Nachtapplikation erhöht. Die Applikation von Blattdüngern auf die Blattunterseite an Litschi Pflanzen scheint aus pflanzenbaulicher Sicht eine hohe Relevanz zu haben. Die Applikation bei Nacht könnte nach erfolgreicher B Aufnahme die anschließende Verteilung im Blatt begünstigen. Die Ergebnisse der drei Studien zeigen, dass die B Blattaufnahme und anschließende Verlagerung durch unterschiedliche Parameter bei beiden Pflanzenarten verbessert werden konnte. Der B-Versorgungsgrad der Pflanzen, sowie die Blattseite auf die appliziert wúrde, zeigten die größten Einflüsse auf die Blattaufnahme. Die Ergebnisse werden ausführlich in Chapter 5 diskutiert.