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Doctoral Thesis
2014
Effects of seed coating on germination and early seedling growth in cereals
Effects of seed coating on germination and early seedling growth in cereals
Abstract (English)
Grain cereals such as barley, rye, wheat or sorghum, constitute a major share in human diet worldwide. Climate change threatens cereal production systems due to emerging unreliable rainfall patterns and thus, renders crop production vulnerable to early season failure of crop establishment. Breeding drought tolerant genotypes is a long and complicated process, thus not suited to respond to environmental changes quickly but rather to address the problem in a longer time frame. Seed coats increasing water availability to the seed and enhancing early vigor of the seedling may be a better short term solution. Seed coats containing hydro-absorbers such as Stockosorb® or Geohumus® can improve water availability and in combination with other substances for example humic acids or plant fortifiers such as Biplantol® may improve early vigor. However, very low germination rates have been observed in seeds coated in this way resulting in slow adoption of seed coating technology in agriculture. The present study analyzed the effects of seed coating on germination, which seed coat composition can enhance germination rate and early vigor and why, the effects of seed coat on germination and seed physiology, and which influence seed coats containing different kinds of hydro-absorbers have on the drought resistance of seed during germination. Studies were conducted on barley, rye, and wheat seeds. In these species the mode of action of differently composed seed coats and the effects of differences in seed coat strength were studied whereas the studies on drought resistance were performed with sorghum seeds. The following results were obtained and submitted for international publication:
1) Seed coating in general reduced germination rates as compared to uncoated seeds. Seed coating thickness was the determining factor. With a share of the seed coat of 75% of the total grain (seed + seed coat) germination was very little affected by coating. However, smaller seed coat shares and particularly shares smaller than 50% of the total grain severely reduced germination rate. This effect was especially pronounced in wheat.
2) With seed coat shares larger than 75% and the coats dotted with different substances generally resulted in high germination rates. However, strong genotypic effects were observed in responses of seed physiology and dry matter partitioning to the different substances included in the coat, with barley generally responding positively, rye intermediate and in wheat generally the weakest effects were observed. Across genotypes Biplantol included in the coat mainly promoted shoot growth, humic acid increased root growth and hydro-absorbers mainly the rate of germination and early vigour. Due to those results only seed coated with hydro-absorber containing coat and with coat not smaller than 75% were used for all following studies.
3) Seedlings growing from coated seeds with coat shares > 75% showed accelerated early seedling growth with strongly reduced respiratory losses during the mobilization of endosperm reserves, combined with significantly increased mobilisation efficiency in all three cereals. Analyses showed that the sucrose metabolism and thus the availability of glucose as energy provider for growth differed strongly between coated and uncoated seeds as well as among the cereal species. Embryos from coated seed (particularly in barley and wheat) seemed to grow better with significantly less glucose indicating a chance in the enzymatic cleavage of sucrose that could only be due to the higher energy efficiency of the enzyme sucrose synthase.
4) Studies during germination in sensu stricto (the first 48h hours after soaking) showed that in the embryos of coated seeds conditions were hypoxic with oxygen concentrations of less than 5% of atmospheric oxygen as compared to 60-80% oxygen of atmosphere in embryos of uncoated seeds. From this it was deduced that the lower respiratory losses during germination of coated seeds are due to a switch in sugar metabolism from invertase based cleavage of sucrose to sucrose synthase based cleavage of sucrose which is the less energy demanding pathway in the near absence of oxygen.
5) A last study on drought resistance of coated seed whose coats comprised two different hydro-absorbers (Stockosorb or Geohumus) showed that the drought responses of coated seed differed little form uncoated seeds. However, seedling growth under both drought and fully watered conditions was affected by the type of hydro-absorber in the coat. Whereas Stockosorb promoted rather root growth,Geohumus enhanced shoot growth.
In conclusion, it can be stated that seed coats investigated in this study in general promoted germination rate and success in cereals if the seed coat has the appropriate strength i.e. coat shares not below 75% of total grain. Additives such as Biplantol or humic acid promote vigour and influence dry matter partitioning in favour of specific organs which could be employed as management options during germination. It was shown that seed coats influence the germination and seedling metabolism und induce hypoxic conditions in embryonic tissue which shift the sugar metabolism to a more energy efficient pathway. Oxygen dynamics in the different seed tissues require further studies and need to be better understood in order to employ the positive effects of seed coating in a targeted and species-specific approach to improve and enhance crop establishment particularly in drought prone cereal production systems. Another future pathway could be including nutrients in the coat that promote early seedling growth and for systems threatened by early drought spells or unreliable rainfall a seed coat that would conduct water to the seed only after soil moisture has surpassed a given threshold and thus induces germination only when water availability is optimal.
Abstract (German)
Körnergetreide wie Gerste, Roggen, Weizen oder Sorghum, stellen einen großen Anteil der menschlichen Ernährung. Des Klimawandel bedroht den Getreideanbau auf Grund sich verändernder Niederschlagsverteilungen, welche diese Systeme anfällig machen für Ertragsverluste auf Grund mangelhaften Feldaufgangs. Die Züchtung trockentoleranter Genotypen ist ein langwieriger und komplizierter Prozess und deshalb wenig geeignet, zügig auf Umweltveränderungen zu reagieren, sondern Züchtung leistet eher einen Beitrag zur langfristigen Lösung des Problems. Saat-mäntel, die geignet sind das Wasserangebot für den Samen zu erhöhen bzw. die Wüchsigkeit zu verbessern, können eine kurzfristige Lösung des Problems darstellen. Saatmäntel mit Hydroabsorbern beispielweise Stockosorb oder Geohumus können in Kombination mit anderen Substanzen wie Huminsäuren oder Pflanzenstärkungsmitteln wie Biplantol die Wasserverfügbarkeit und Wüchsigkeit verbessern. Allerdings haben geringe Keimungsraten von ummantelten Samen die Verbreitung und Akzeptanz dieser Technologie bisher verzögert.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Fragen wie Mantelsaat auf die Keimung wirkt, welche Mantelzusammensetzung die Keimung befördert und warum, wie die Anwesenheit eines Saatmantels auf die Keimlingsphysiologie wirkt und welchen Einfluss Mäntel mit unterschiedlichen Hydroabsorbern auf die Trockenheitsresistenz von Saatgut während der Keimung haben. Die Untersuchungen wurden an Gerste, Roggen, Weizen und sorghumsaatgut durchgeführt. An diesen Arten wurde die Wirkungsweise unterschiedlich zusammengesetzter und unterschiedlich starker Mäntel untersucht wohingegen die Trockentoleranz-untersuchungen an ummanteltem Sorghumsaatgut durchgeführt wurden. Es wurden folgende Ergebnisse erzielt und entsprechend international zur Publikation eingereicht:
- Saatmäntel beeinträchtigten in allen Fällen die Keimungsrate im Vergleich zu Nacktsaat. Die Mantelstärke war hier ausschlaggebend. Wenn die Mantelstärke 75% des Gesamtkorngewichts (Saatkorn+Mantel) überstieg, wurde die Keimung nur noch unwesentlich beeinflusst wohingegen Mantelstärken unter 50% die Keimungsraten stark reduzierten. Dieser Effekt war besonders bei Weizen ausgeprägt.
- Wenn Mäntel verwendet wurden, die 75% des Gesamtkorngewichtes überschritten und diese mit unterschiedliche Substanzen versetzt waren, dann war der Keimungserfolg immer gegeben aber die unterschiedlichen Substanzen wirkten bei den verschiedenen Arten unterschiedlich auf die Keimungsphysiologie. Generell lässt sich sagen, dass Biplantol vor allem das Sprosswachstum, Huminsäure vor allem das Wurzelwachstum und der Hydroabsorber vor allem die Keimungsgeschwindikeit und Wüchsigkeit positiv beeinflusst haben. Aufgrund dieser Ergebnisse wurden in den Folgeversuchen nur noch mit Mänteln gearbeitet die Hydroabsorber enthielten und mehr als 75 % Mantelanteil am Gesamtkorngewicht hatten
- Das derart ummantelte Saatgut aller drei Getreidearten zeigte ein beschleunigtes frühes Sämlingswachtum, mit stark reduzierten Respirationsverlusten während der Mobilisierung von Endospermreserven und damit verbundener signifikant gesteigerter Mobilisierungeffizienz. Die Analyse ergab, dass sich der Saccharosemetabolismus und die damit verbundene Bereitstellung von Glucose als Energieträger sowohl zwischen den Mantelvarianten als auch unter den Getreidearten unterschied. Embryos in ummantelter Saat (vor allen bei Gerste und Weizen) schienen mit deutlich weniger Glucose besser zu wachsen, was auf eine veränderte enzymatische Spaltung von Saccharose hindeutet, die nur in einer höheren Energieeffizienz des Enzyms Saccharosesynthase begündet sein konnte.
- Eine Untersuchung der frühen Keimung (die ersten 48h nach Imbibition) zeigte, dass im Embryo des ummantelten Saatgutes hypoxische Bedingungen vorherrschten mit Sauerstoffkonzentrationen von unter 5% der Aussenluft, im Vergleich zu etwa 60-80% der Aussenluft in Embryos der jeweiligen Nacktsaat. Daraus ließ sich ableiten, dass die geringere Respiration von ummanteltem Saatgut während der Keimung auf eine Umstellung im Zuckerstoffwechsel von Invertase-basierter Spaltung von Sacharose auf Sacharosesynthase-basierter Spaltung von Sacharose beruht, die mit deutlich geringeren Energieverlusten einhergeht.
- Eine abschliessende Untersuchung zur Trockenheitsresistenz von ummanteltem Saatgut, in dessen Mantel unterschiedliche Hydroabsorber eingearbeitet waren, zeigte dass sich das Trockenstressverhalten von ummanteltem Saatgut nicht bzw. nur unwesentlich von dem der Nacktsaat unterschied. Allerdings wirkten die Hydroabsorber unterschiedlich auf das Setzlingswachstum. Während Stockosorb im Wesentlichen das Wurzelwachstum förderte, verstärke Geohumus das Wachstum des Sprosses.
Zusammefassend lässt sich feststellen, dass die Mantelsaaten, die in dieser Arbeit untersucht wurden, im Allgemeinen die Keimung und den Keimungserfolg bei Getreiden verbessern. Es ist darauf zu achten, dass die Mäntel eine ausreichende Stärke haben. Zusatzstoffe wie Huminsäuren und Biplantol verbessern die Wüchsigkeit und verstärken die Biomasseverteilung zu Gunsten unterschiedlicher Organe und können so als Steuerungselemente mit genutzt werden. Die Mantelsaat greift in den Keimungs- und Sämlingsstoffwechsel ein und führt zu hypoxischen Bedingungen im embryonalen Gewebe, die den Zuckerstoffwechsel im Embryo zu Gunsten eines Energie effizienteren Stoffwechselweges verändern. Zukünftig müssen die Sauerstoffdynamiken in den unterschiedlichen Geweben des Saatkorns genauer untersucht und verstanden werden, um die positiven Effekte der Ummantellung zielgerichtet und artspezifisch zur Verbesserung und zur Steigerung der Verlässlichkeit des Feldaufganges bei Getreide einzusetzen. Zusätzlich sollte darüber nachgedacht werden Nährstoffe, die das frühe Sämlingswachstum befördern, in den Mantel zu integrieren und in trockenheitsgefärdeten Gebieten wäre ein Saatmantel von Vorteil, der als Funktion des Bodenwassergehalts Wasser erst bei Überschreiten eines Schwellenwertes an das Saatkorn leitet und der Keimling dadurch erst bei guter Wasserversorgung beginnt sich zu entwickeln.
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Notes
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Published in
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute for Plant Production and Agroecology in the Tropics and Subtropics
Examination date
2014-05-18
Supervisor
Edition / version
Citation
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DOI
ISSN
ISBN
Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Gorim2014,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/5828},
author = {Gorim, Linda Yuya},
title = {Effects of seed coating on germination and early seedling growth in cereals},
year = {2014},
school = {Universität Hohenheim},
}