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

Abstract

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). <br /> The results demonstrate different adaptability of the cultivars to NH4+ and NO3- nutrition and to drought conditions in both, greenhouse and field experiment. The NH4+ plants showed higher photosynthetic rates compared to NO3- plants when the photosynthetic photon flux density increased. The well-watered plants also showed higher photosynthetic rates compared to the drought-stressed plants in both, 2007 and 2008.<br /> 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. <br /> 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 NH4+ plants was 19% higher compared to the NO3- plants. Dry matter production under well-watered conditions was superior by 34% for NH4+ plants and by 11% for NO3- plants, respectively, compared to drought-stressed conditions. Under well-watered conditions, the grain yield of NH4+ treated plants of the cultivars Permanent, Aalvito and Mazurka was higher (18-22%) compared to NO3- fertilization. The yield reduction under drought, however, was more pronounced (20-36%) for the NH4+ plants than for the NO3- plants (16-18%), with Aalvito and 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 NH4+ plants in grain yield was attributable to higher numbers of grain per ear. <br /> 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. <br /> 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.

<strong>Wasserhaushalt und Trockentoleranz verschiedener Mais-(<em>Zea mays</em>) Sorten in Abhängigkeit von Form und Einbringung der Stickstoffdüngung</strong><br /> Ziel der vorgestellten Untersuchungen war die Beschreibung physiologischer und morpholo-gischer 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.<br /> 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. <br /> 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 Wasser-versorgung einen gegenüber Nitratdüngung um 18 – 22% höheren Kornertrag als die nitrat-gedüngten Pflanzen. Bei Trockenheit war jedoch die Ertragsreduktion stärker bei den CULTAN-Pflanzen jedoch stärker (20-36%) als bei nitratgedüngten Pflanzen (16-18%), so dass zwei Sorten (Aalvito, Abakus) mit Nitratdüngung höhere Erträge zeigten als die CULTAN-Varianten. Die Nitratvariante der Sorte Abakus zeigte als einzige unter Trockenheit keinen Rückgang des Kornertrags gegenüber Bewässerung. Die bei guter Wasserversorgung höheren Kornerträge der CULTAN-Pflanzen ergaben sich durch höhere Kornzahlen pro Kolben. <br /> Die Wasserversorgung hatte keine Auswirkungen auf die Proteingehalte. Die Sorte Aalvito hatte mit CULTAN einen gegenüber Nitratdüngung um 20% höheren Proteingehalt. Abakus und Mazurka hatten insgesamt die höchsten Proteingehalte, zeigten allerdings keinen Unterschied zwischen CULTAN und Nitratdüngung. <br /> Somit ergibt sich ein differenziertes Bild, in welchem Maße die natürliche ökophysiologische Anpassung von Maispflanzen an Trockenheit durch Anwendung von Stickstoffdüngern zur Verbesserung der Wassernutzungseffizienz unterstützt werden kann.