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Doctoral Thesis
2024
Combining improved mungbean cultivars with plant growth promoting rhizobacteria inoculation and regulated deficit irrigation to increase crop productivity
Combining improved mungbean cultivars with plant growth promoting rhizobacteria inoculation and regulated deficit irrigation to increase crop productivity
Abstract (English)
The cultivation of legumes provides an approach to sustainably intensify agricultural production, since short-duration legumes can fit into existing cereal-based cropping systems, diversifying farm incomes and farmers diets, as well as providing environmental benefits through the fixation of atmospheric N2 and, thus, enhancing yields of following crops. Mungbean is a legume, which plays already an important role in the traditional nutrition of people in the Global South. Its nutritious seeds can improve food security and the short growing duration facilitates the diversification of mainly cereal-based crop rotations. However, yields are low and may even become lower in future in the face of climate change. Main constraints of mungbean cultivation include pest and diseases, as well as heat, drought and soil salinity due to inappropriate irrigation techniques or saline ground water. The main aim of this thesis was therefore to analyse the effects of more advanced cultivation techniques, i.e. the use of plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) and regulated deficit irrigation (RDI), on the productivity and nitrogen (N) fixation capacity of improved mungbean (Vigna radiata L.) cultivars, resistant and/or tolerant to pests, diseases, heat and soil salinity.
An extended literature review was conducted to summarize the current understanding of the use of PGPRs and the effect on crop productivity, especially on marginal land (Chapter 2). The use of PGPRs can on the one hand side increase plant growth through direct and indirect mechanisms, such as BNF, hormone production and nutrient solubilization or the production of antibiotics to suppress phytodiseases. Especially 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) deaminase activity plays a significant role to reduce the negative impact of stress environments. On the other side PGPRs can be used to remediate decontaminated sites, through metabolic capabilities, transforming for instance aromatic compounds into less toxic compounds, or the biodegradation of pesticides and organic pollutants. Since ACC deaminase-producing bacteria are also supposed to enhance root growth, it is assumed that they can potentially increase soil N uptake and/or infection sites for rhizobia to biologically fix atmospheric N2 (BNF). In order to test the effect of ACC deaminase-producing PGPRs on mungbean productivity and N accumulation, three strains were tested as single- or multistrain inoculation in the field: Rhizobium phaseoli, Bacillus subtilis and Pseudomonas fluorescens (Chapter 3). Their effect on one improved mungbean cultivar (NM11, resistant to the Mungbean Yellow Mosaic Disease) was assessed on two research sites in Faisalabad, Pakistan. The impact of the strains differed significantly, with no effect on productivity (total biomass, seed yield) or total N accumulation (BNF and soil-N uptake) with multi-strain inoculation of all strains and single-strain inoculation of P. fluorescens. Inoculation with B. subtilis did, however, result in significantly increased dry matter (roots: +211 kg ha-1, total dry matter: +1.7 t ha-1), and total plant-N (+36 kg ha-1), while R. phaseoli inoculation enhanced BNF (+24%). The results suggested that only the single strain inoculation of B. subtilis and R. phaseoli was promising in terms of productivity increase, however, the choice of the strain should be made according to the soil-N status: low soil-N favors R. phaseoli inoculation, while medium to high soil-N would rather point towards the use of B. subtilis.
The improved mungbean cultivar NM11 was additionally tested together with three other improved cultivars (AVMU 1604, AVMU 1635 and KPS2, resistant/tolerant to powdery mildew, bruchids and heat and salt, respectively), in combination with RDI in a greenhouse trial at the University of Hohenheim (Chapter 4). The aim was to identify differences in drought adaptation strategies between the cultivars in terms of dry matter partitioning, yield, harvest index, pod harvest index, water use efficiency and carbon-13 isotope discrimination. Levels of water deficit as depletion fractions (%) of total available soil water were set to 0.45, 0.65 and 0.8, corresponding to recommended irrigation, moderate and severe water deficit, respectively. The cultivars differed in their drought resistance strategies, exhibiting either drought escape, avoidance, tolerance or a combination of several strategies. The cultivar KPS2 showed mainly a drought escape mechanism through faster development, stable yields and greatest harvest index/pod harvest index (36%/69%) across all RDI treatments and cultivars. The cultivar AVMU 1604 displayed mainly a mixture of drought avoidance and escape through increased remobilization of assimilates from vegetative plant parts to pods/seeds, resulting in greater yield under water deficit by 52%. The choice of a cultivar for the field should be based, thus, on the prevailing climatic conditions (season and region): KPS2 can grow in areas with terminate drought conditions, whereas AVMU 1604 can tolerate intermittent drought conditions.
The results of this thesis showed that ACC deaminase-producing PGPRs can substantially affect N uptake, although this effect is barely discussed in literature. Moreover, improved mungbean cultivars, exhibiting already a range of tolerances and resistances to certain pests and diseases, showed a great potential in adapting to drought conditions, representing a viable option for cultivation under increasing abiotic and biotic stress factors in the face of climate change.
Abstract (German)
Der Anbau von Hülsenfrüchten bietet einen Ansatz zur nachhaltigen Intensivierung der landwirtschaftlichen Produktion, da Hülsenfrüchte mit kurzer Reifezeit in bestehende getreidebasierte Anbausysteme integriert werden können und so das landwirtschaftliche Einkommen und die Ernährung der Landwirte diversifizieren sowie durch die Fixierung von atmosphärischem N2 und die damit verbundene Steigerung der Erträge nachfolgender Kulturen ökologische Vorteile bieten. Die Mungbohne (Vigna radiata L.) ist eine Hülsenfrucht, die bereits in der traditionellen Ernährung der Menschen im globalen Süden eine wichtige Rolle spielt. Ihre nährstoffreichen Samen können die Ernährungssicherheit verbessern, und die kurze Wachstumsdauer erleichtert die Diversifizierung von hauptsächlich getreidebasierten Fruchtfolgen. Die Erträge sind jedoch gering und könnten angesichts des Klimawandels in Zukunft noch weiter sinken. Zu den Hauptproblemen des Mungbohnenanbaus gehören Schädlinge und Krankheiten sowie Hitze, Trockenheit und Bodenversalzung aufgrund ungeeigneter Bewässerungstechniken oder salzhaltigen Grundwassers. Das Hauptziel dieser Arbeit war daher die Analyse der Auswirkungen fortschrittlicherer Anbautechniken, d. h. des Einsatzes von pflanzenwachstumsfördernden Rhizobakterien (PWFR) und regulierter Defizitbewässerung (RDB), auf die Produktivität und Stickstofffixierungskapazität verbesserter Mungbohnensorten, die resistent und/oder tolerant gegenüber Schädlingen, Krankheiten, Hitze und Bodenversalzung sind.
Eine ausführliche Literaturrecherche wurde durchgeführt, um den derzeitigen Kenntnisstand über den Einsatz von PWFR und die Auswirkungen auf die Pflanzenproduktivität, insbesondere auf Grenzertragsflächen, zusammenzufassen (Kapitel 2). Der Einsatz von PWFRs kann einerseits das Pflanzenwachstum durch direkte und indirekte Mechanismen wie biologische Stickstofffixierung (BSF), Hormonproduktion und Nährstoffsolubilisierung oder die Zufuhr von Antibiotika zur Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten steigern. Insbesondere die Aktivität der 1-Aminocyclopropan-1-carbonsäure (ACC) Deaminase spielt eine wichtige Rolle bei der Verringerung der negativen Auswirkungen von Stresssituationen. Andererseits können PWFRs durch ihre metabolischen Fähigkeiten zur Sanierung von Altlasten eingesetzt werden, indem sie beispielsweise aromatische Verbindungen in weniger toxische Verbindungen umwandeln oder Pestizide und organische Schadstoffe biologisch abbauen. Da ACC-Deaminase produzierende Bakterien auch das Wurzelwachstum fördern sollen, wird angenommen, dass sie möglicherweise die Stickstoffaufnahme im Boden und/oder die Infektionsstellen für Rhizobien zur BSF erhöhen können. Um die Wirkung von ACC-Desaminase produzierenden PWFRs auf die Produktivität und Stickstoffakkumulation von Mungbohnen zu testen, wurden drei Stämme als Einzel- oder Mehrstammimpfung im Feld getestet: Rhizobium phaseoli, Bacillus subtilis und Pseudomonas fluorescens (Kapitel 3).
Ihre Wirkung auf eine verbesserte Mungbohnensorte (NM11, resistent gegen „Mungbean Yellow Mosaic Disease“) wurde an zwei Forschungsstandorten in Faisalabad, Pakistan, untersucht. Die Auswirkungen der Stämme unterschieden sich erheblich, wobei die Inokulation mit allen Stämmen und die Inokulation von P. fluorescens allein keine Auswirkungen auf die Produktivität (Gesamtbiomasse, Samenertrag) oder die Gesamtstickstoffakkumulation (BSF und Stickstoffaufnahme aus dem Boden) hatte. Die Inokulation mit B. subtilis führte jedoch zu einem signifikanten Anstieg der Trockenmasse (Wurzeln: +211 kg ha-1, Gesamttrockenmasse: +1,7 t ha-1) und des Gesamtpflanzenstickstoffs (+36 kg ha-1), während die Inokulation mit R. phaseoli die BSF erhöhte (+24 %). Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass nur die Beimpfung von entweder B. subtilis oder R. phaseoli in Bezug auf die Produktivitätssteigerung vielversprechend ist. Die Wahl des Stammes sollte jedoch in Abhängigkeit vom Stickstoffstatus des Bodens erfolgen: Ein niedriger Stickstoffgehalt des Bodens begünstigt die Beimpfung mit R. phaseoli, während ein mittlerer bis hoher Stickstoffgehalt des Bodens eher für die Verwendung von B. subtilis spricht.
Die verbesserte Mungbohnensorte NM11 wurde darüber hinaus zusammen mit drei anderen verbesserten Sorten (AVMU 1604, AVMU 1635 und KPS2, resistent/tolerant gegen Mehltau, Bohnenkäfer bzw. Hitze und Salz) in Kombination mit RDB in einem Gewächshausversuch an der Universität Hohenheim getestet (Kapitel 4). Ziel war es, Unterschiede in den Anpassungsstrategien an Trockenheit zwischen den Sorten in Bezug auf Trockenmasseverteilung, Ertrag, Ernteindex, Hülsenernteindex, Wassernutzungseffizienz und Kohlenstoff-13-Isotopendiskriminierung zu ermitteln. Die Wasserdefizite wurden auf 0,45, 0,65 und 0,8 festgelegt, was einer empfohlenen Bewässerung, einem mäßigen und einem starken Wasserdefizit entspricht. Die Sorten unterschieden sich in ihren Strategien zur Trockenheitsresistenz, wobei sie entweder der Trockenheit entkommen, sie meiden, sie tolerieren oder eine Kombination aus mehreren Strategien aufweisen. Die Sorte KPS2 zeigte vor allem einen Mechanismus zur Vermeidung von Trockenheit, der sich in einer schnelleren Entwicklung, stabilen Erträgen und dem höchsten Ernteindex/Hülsenernteindex (36%/69%) bei allen RDB-Behandlungen und Sorten zeigte. Die Sorte AVMU 1604 zeigte vor allem eine Mischung aus Dürrevermeidung und Dürreflucht durch verstärkte Remobilisierung von Assimilaten aus vegetativen Pflanzenteilen in Hülsen/Samen, was zu einem um 52% höheren Ertrag bei Wasserdefizit führte. Die Wahl einer Sorte für das Feld sollte daher von den vorherrschenden klimatischen Bedingungen (Jahreszeit und Region) abhängig gemacht werden: KPS2 kann in Gebieten wachsen, in denen die Vegetationsperiode mit einer Trockenzeit beendet wird, während AVMU 1604 periodisch auftretende Trockenheit verträgt.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ACC-Deaminase produzierende PWFBs die Stickstoffaufnahme erheblich beeinflussen können, obwohl dieser Effekt in der Literatur kaum diskutiert wird. Darüber hinaus zeigten verbesserte Mungbohnensorten, die bereits eine Reihe von Toleranzen und Resistenzen gegen bestimmte Schädlinge und Krankheiten aufweisen, ein großes Potenzial bei der Anpassung an Dürrebedingungen und stellen eine praktikable Option für den Anbau unter zunehmenden abiotischen und biotischen Stressfaktoren angesichts des Klimawandels dar.
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Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Agricultural Sciences in the Tropics (Hans-Ruthenberg-Institute)
Examination date
2024-11-22
Supervisor
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ISSN
ISBN
Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Pataczek2024,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/17166},
author = {Pataczek, Lisa},
title = {Combining Improved Mungbean Cultivars with Plant Growth Promoting Rhizobacteria Inoculation and Regulated Deficit Irrigation to Increase Crop Productivity},
year = {2024},
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