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Keywords:

  • avoidance;
  • ferrous iron;
  • leaf bronzing;
  • Oryza sativa;
  • plant adaptation;
  • tolerance

Abstract

Iron toxicity is a syndrome of disorder associated with large concentrations of reduced iron (Fe2+) in the soil solution. It only occurs in flooded soils and hence affects primarily the production of lowland rice. The appearance of iron toxicity symptoms in rice involves an excessive uptake of Fe2+ by the rice roots and its acropetal translocation into the leaves where an elevated production of toxic oxygen radicals can damage cell structural components and impair physiological processes. The typical visual symptom associated with these processes is the “bronzing” of the rice leaves and substantial associated yield losses.

The circumstances of iron toxicity are quite well established. Thus, the geochemistry, soil microbial processes, and the physiological effects of Fe2+ within the plant or cell are documented in a number of reviews and book chapters. However, despite our current knowledge of the processes and mechanisms involved, iron toxicity remains an important constraint to rice production, and together with Zn deficiency, it is the most commonly observed micronutrient disorder in wetland rice. Reported yield losses in farmers' fields usually range between 15% and 30%, but can also reach the level of complete crop failure.

A range of agronomic management interventions have been advocated to reduce the Fe2+ concentration in the soil or to foster the rice plants' ability to cope with excess iron in either soil or the plant. In addition, the available rice germplasm contains numerous accessions and cultivars which are reportedly tolerant to excess Fe2+. However, none of those options is universally applicable or efficient under the diverse environmental conditions where Fe toxicity is expressed. Based on the available literature, this paper categorizes iron-toxic environments, the steps involved in toxicity expression in rice, and the current knowledge of crop adaptation mechanisms in view of establishing a conceptual framework for future constraint analysis, research approaches, and the targeting of technical options.

Eisentoxizität in Reis – Bedingungen und Managementkonzepte

Eisentoxizität ist ein multiples Stresssyndrom, das mit hohen Konzentrationen reduzierten Eisens (Fe2+) in der Bodenlösung einhergeht. Da es nur in überstauten Böden auftritt, beeinträchtigt es in erster Linie die Erzeugung von Nassreis. Das Auftreten von Eisentoxizität setzt eine übermäßige Aufnahme von Fe2+ durch die Reiswurzel und dessen akropetalen Transport in die Blätter voraus. Dort bedingen die zweiwertigen Eisenionen die Bildung von toxischen Radikalen, die strukturelle Zellbestandteile zerstören und physiologische Prozesse beeinträchtigen können. Das typischerweise damit verbundene makroskopische Symptombild ist eine Kupferfärbung der Blätter (“bronzing“). Damit verbunden sind erhebliche Ertragseinbußen.

Die Bedingungen, die zum Auftreten von Eisentoxizität führen, sind relativ gut untersucht. So sind zum Beispiel die Geochemie, bodenmikrobiologische Prozesse und die physiologischen Effekte von Fe2+ in Geweben und Zellen in zahlreichen Artikeln dokumentiert. Allerdings bleibt die Eisentoxizität trotz unseres derzeitigen Wissenstandes auch weiterhin ein entscheidender Begrenzungsfaktor für den Reisanbau in zahlreichen tropischen Gebieten und stellt neben Zinkmangel das wichtigste Mikronährstoffungleichgewicht im überstauten Nassreis dar. Ertragsverluste belaufen sich in der Regel auf 15–30 %, allerdings kann es bei massiver Toxizität auch zu einem totalen Ernteausfall kommen.

Diverse pflanzenbauliche Maßnahmen verringern den Fe2+-Gehalt der Bodenlösung oder stärken die Abwehrmechanismen von Reis gegenüber Fe2+. Ferner liegen zahlreiche Sorten und Zuchtlinien vor, die eine gewisse Toleranz gegenüber erhöhten Fe-Gehalten aufweisen. Allerdings reichen offensichtlich weder die Anbaumaßnahmen noch die Sortenwahl aus, um die schädigende Wirkung von Fe2+ an den unterschiedlichen eisentoxischen Standorten und Klima- und Anbausituationen zu kompensieren. Auf der Grundlage der publizierten Fachliteratur kategorisiert der vorliegende Beitrag die Bedingungen, unter denen Eisentoxizität auftritt, die Wirkungsweise von Fe2+ und die Symptomausprägung an Nassreis sowie die derzeit bekannten agronomischen Managementoptionen und pflanzlichen Anpassungsmechanismen. Ziel dieser Übersichtsarbeit ist die Erarbeitung eines Konzepts für die zukünftige Problemanalyse und Schwerpunktsetzung in der Forschung sowie den zielgerichteten Einsatz von Technologien für ein verbessertes Management von Eisentoxizität im tropischen Nassreisanbau.