Root and shoot phenotypic traits and their expression in response to sowing density in spring barley (<em>Hordeum vulgare</em>)

Abstract

Much is known about plant performance under controlled conditions and much about performance under field conditions as well as on single plants and populations. The extent, however, to which the variability of traits, especially root traits, in single plants and individuals in a population differs from each other was still unclear.<br /> To increase the comparability of results of experiments or studies in controlled conditions and in field trials it is crucial to investigate not only single plants but plants in populations, both in the lab and the field, since outside – both at an agronomic and a natural field-site – plants virtually never grow as one single individual but in a population or cluster (as plants of the same species growing in the same area or volume of substrate). Individuals growing in the same substrate will interact with each other within a defined volume, especially when they are larger in size and the amount of interaction will increase over time. The effects of plant-plant interactions on the plant phenotype and particular the root phenotype will depend on plant density. Therefore, I focused on sowing density as a critical aspect of the systematic comparison of plant root architecture. In this thesis, I investigated the plant performance of spring barley (<em>Hordeum vulgare</em> L.), an important crop in Germany but also worldwide, since little was known about the barley root system. Hence, I studied spring barley grown as single plants and in clusters at various sowing densities both in rhizotrons and pots in the greenhouse, climate chamber, and outdoors at Forschungszentrum Jülich, Germany, and at a field site at Campus Klein-Altendorf, Germany, as presented in the following four chapters:<br /> 1) In the first chapter 3.1 (Hecht et al. 2016), I was interested in what a response curve to sowing density looks like. I focused on the results of the field trial and provided response curves of several traits to sowing density: Root length density (RLD), specific root length (SRL) especially in the 0-10cm topsoil layer, specific leaf area (SLA), the depth above which 50% of the fine roots are located (D50 of fine roots), stem mass fraction (SMF), and final grain yield increased with increasing sowing density. In contrast, shoot dry weight (SDW) per plant, tiller number per plant, and root mass fraction (RMF) decreased. SDW per tiller, leaf mass fraction (LMF), and D50 of major root axes were not affected by sowing density. Based on these findings, I concluded that observed responses may suggest that competition for light was greater than for nutrients. <br /> 2) In the second chapter 3.2 (Hecht et al. 2018), I addressed how the measured alterations of traits at the crop level (described in chapter 3.1) could be explained by changes of traits or trait components at the individual plant and organ level. I observed that, per plant, SDW, tiller number but also nodal root number decreased with increasing sowing density, while the branching angle, the lateral branching frequency, the number of seminal roots, and the ratio of nodal roots per tiller were not affected, however, the later increased over time. The older a plant was, the more tillers it produced (the maximum number depended on sowing density) and the tillers bore on average more nodal roots. Nonetheless, even in old plants at flowering, I found tillers with no nodal roots. Furthermore, the ratio of seminal (= smaller in diameter) to nodal roots (= thicker in diameter) increased with sowing density. In summary, I concluded that RLD increased because the number of roots increased (seminal and nodal roots) per area and the increased ratio of seminal to nodal roots may explain the greater SRL. In addition, I proposed a formula to estimate RLD from root counts, using the number of main axes, the lateral branching frequency, and the average length of a lateral root. <br /> 3) In the third chapter 3.3 (submitted to Annals in Botany, December 2018), I studied the differences in the response to sowing density of two lines with contrasting root systems. Here, I asked if a bigger root system selected in the greenhouse could be reproduced in the field and if so, if this bigger root system led to other changes in traits, like RLD or final grain yield. Further, I asked what factors might help in translation from lab to field. I observed that the two genotypes sometimes differed a lot and sometimes were very similar depending on the time point of sampling and the measured trait. Nonetheless, I could reproduce the bigger root system-phenotype partly but not as strong as described in literature. Despite the sometimes bigger root system, that line did not have greater final grain yield. For translation from lab to field, apart from temperature and light, the time point (i.e. the developmental stage of the plant or plant age) of the observation or measurement and the growth environment seem crucial.<br /> 4) The fourth chapter 3.4 (Burkart et al. 2018) is about using the green-red-vegetation-index (GRVI) of an image taken by a normal RGB-camera installed on a drone or un-manned aerial vehicle (UAV) to determine the developmental stage of a crop. I recorded the developmental stage using the BBCH scale and provided the data for correlating the BBCH stage to the measured GRVI. I concluded that it is indeed possible to use the GRVI to determine BBCH, however, the correlation needs to be set up individually for each crop and can then be used as a tool to determine BBCH. The development of this technique is thereby promising for future research, whereas in my study I still had to rely on manual measurements to determine the developmental stage of the plants. <br /> n summary, in the course of this thesis, I gained deeper insight into plant and especially root plasticity in response to sowing density. For instance, nodal root formation was strongly associated with tiller formation and RLD with the number of roots. As sowing density affected plant growth earliest about four weeks after sowing, I recommend to take sowing density into account when experiments run longer than three weeks. Further, with respect to lab field translation, not only sowing density but also the developmental stage and plant age should be taken into account.

Das Wachstum von Pflanzen sowohl unter kontrollierten und unter Feldbedingungen als auch von Einzelpflanzen und von Pflanzenpopulationen ist gut untersucht. Inwieweit sich die Variabilität der einzelnen Merkmale, insbesondere der Wurzel, in Einzelpflanzen und Individuen innerhalb einer Population unterscheiden, war allerdings noch unklar. Um die Vergleichbarkeit der Daten aus verschiedenen Experimenten oder Studien zu erhöhen, ist es jedoch notwendig, nicht nur Einzelpflanzen sondern auch Individuen in einer Population, sowohl im Feld als auch im Gewächshaus, zu untersuchen. Pflanzen wachsen nämlich sowohl auf Agrarflächen als auch in der Natur nahezu niemals als Einzelpflanzen sondern in Populationen bzw. Beständen ("cluster"). Individuen, die im gleichen Bodengrund wachsen, werden zwangsläufig miteinander interagieren, insbesondere je größer sie sind, sodass ihre Interaktion mit der Zeit zunehmen wird. Die Auswirkungen dieser Pflanz-Pflanz-Interaktion auf den Phänotyp, insbesondere der Wurzel, hängen von der Pflanzdichte ab. Daher konzentrierte ich mich auf Pflanzdichte als wichtigen Aspekt im systematischen Vergleich der Pflanzenwurzelarchitektur. In dieser Arbeit analysierte ich das Wachstum von Sommergerste (<em>Hordeum vulgare</em> L.), eine bedeutende Kulturpflanze in Deutschland aber auch weltweit, da bisher wenig ihr Wurzelsystem bekannt war. Ich untersuchte Einzelpflanzen und Bestände von Sommergerste bei verschiedenen Saatdichten sowohl in Rhizotronen und Töpfen im Gewächshaus, in der Klimakammer und draußen im Forschungszentrum Jülich als auch in der Feldstation Campus Klein-Altendorf. Die Ergebnisse stelle ich in den folgenden vier Kapiteln vor:<br /> 1) Im ersten Kapitel 3.1 (Hecht et al. 2016) interessierte mich, wie eine Saatdichten-Wirkungskurve ("response curve") aussehen würde. Hier nutzte ich die Felddaten und erstellte Wirkungskurven für zahlreiche Merkmale: Wurzellängendichte (RLD), spezifische Wurzellänge (SRL) insbesondere des Oberbodens (0-10 cm), spezifische Blattfläche (SLA), die Bodentiefe, über welcher sich 50 % der Feinwurzeln befinden (D50), Massenanteil des Halmes (SMF) und Kornertrag stiegen mit zunehmender Saatdichte. Im Gegensatz dazu sanken das Sprosstrockengewicht (SDW) und die Anzahl der Bestockungstriebe pro Pflanze und der Massenanteil der Wurzeln (RMF). Das Sprosstrockengewicht pro Bestockungstrieb, der Massenanteil der Blattscheiden (LMF) und D50 der Hauptwurzelachsen wurden von der Saatdichte nicht beeinflusst. Aufgrund dieser Ergebnisse schlussfolgerte ich, dass die beobachteten Auswirkungen von Saatdichte auf das Pflanzenwachstum in meinen Experimenten eher durch Konkurrenz um Licht als um Nährstoffe ausgelöst wurden.<br /> 2) Im zweiten Kapitel 3.2 (Hecht et al. 2018), befasste ich mich damit, inwieweit die im ersten Kapitel beschriebenen Merkmalsänderungen im Bestand durch Änderungen von Merkmalen bzw. ihrer Komponenten auf Einzelpflanzen- bzw. auf Organebene erklärt werden könnten. Ich beobachtete, dass pro Pflanze das Sprosstrockengewicht, die Anzahl der Bestockungstriebe und die Anzahl der Nodalwurzeln mit steigender Saatdichte sanken. Der Wurzelwinkel, die Seitenwurzelfrequenz, die Anzahl der Seminalwurzeln und das Verhältnis von Nodalwurzeln zu Bestockungstrieben waren für alle Saatdichten gleich, wobei das letztere mit der Zeit zunahm. Je älter eine Pflanze war, umso mehr Bestockungstriebe wies sie auf, wobei das Maximum von der Saatdichte abhing. Die Bestockungstriebe älterer Pflanzen hatten im Durchschnitt mehr Nodalwurzeln. Jedoch hatten manche Bestockungstriebe während der Blüte keine Nodalwurzeln. Des Weiteren nahm das Verhältnis von Seminal- (dünner) zu Nodalwurzeln (dicker) mit der Saatdichte zu. Ich schlussfolgerte, dass der Grund für die Zunahme der Wurzellängendichte die steigende Anzahl von Seminal- und Nodalwurzeln pro Fläche war und ihr steigendes Verhältnis möglicherweise die spezifische Wurzellänge vergrößerte. Zusätzlich erstellte ich eine Formel, mit der die Wurzellängendichte anhand der Anzahl der Hauptwurzelachsen, der Seitenwurzelfrequenz und der mittleren Seitenwurzellänge geschätzt werden kann.<br /> 3) Im dritten Kapitel 3.3 (eingereicht bei Annals in Botany, Dez. 2018) untersuchte ich die Wirkung von Saatdichte auf zwei Genotypen mit unterschiedlichen Wurzelsystemen. Meine Fragen waren, ob ein größeres, im Gewächshaus selektiertes Wurzelsystem ebenfalls im Feld reproduziert werden könnte und wenn ja, ob dieses größere Wurzelsystem Merkmale, wie Wurzellängendichte oder Kornertrag, beeinflussen würde. Weiterhin wollte ich wissen, welche Faktoren bei der Übertragung von Gewächshausergebnissen aufs Feld ("translation from lab to field") helfen könnten. Die beiden Genotypen unterschieden sich abhängig vom Zeitpunkt der Probennahme und dem Merkmal teils sehr stark, aber ähnelten sich teils auch sehr. Die Reproduktion des Wurzelphänotyps war teilweise erfolgreich im Feld, jedoch nicht so ausgeprägt wie in der Literatur beschrieben. Trotz des größeren Wurzelsystems hatte dieser Genotyp keinen erhöhten Kornertrag. Für die Übertragung von Gewächshausergebnissen aufs Feld spielen neben Temperatur und Licht der Zeitpunkt, d.h. das Entwicklungsstadium und das Alter der Pflanze, und das Wachstumsumfeld eine wichtige Rolle.<br /> 4) Das vierte Kapitel 3.4 (Burkart et al. 2018) handelt vom Grün-Rot-Vegetationsindex (GRVI) und seiner Korrelation mit dem Entwicklungsstadium der Pflanzen. Mit einer handelsüblichen RGB-Kamera, die an einem unbemannten Flugkörper (UAV) befestigt war, wurden Bildern von Feldpflanzen gemacht wurden. Das Entwicklungsstadium nahm ich mittels der sogenannten BBCH-Skala manuell auf und stellte diese Daten zur Korrelation mit dem zeitnah gemessenen GRVI zur Verfügung. Tatsächlich ist es möglich, mit Hilfe der GRVI-Kurve das Entwicklungsstadium zu bestimmen, jedoch muss die Korrelation für jede Spezies individuell vorab bestimmt werden. Die Entwicklung dieser Technik ist vielversprechend, bedeutet sie doch ein enormes Zeitersparnis im Vergleich zur manuellen Messung wie in meiner Arbeit.<br /> Im Rahmen meiner Arbeit habe ich ein tieferes Verständnis für die Plastizität von Pflanzen und insbesondere ihrer Wurzeln in Abhängigkeit von Pflanzdichte entwickelt. So war zum Beispiel die Bildung der Nodalwurzeln stark mit der Bildung der Bestockungstriebe assoziiert. Da ein Einfluss der Saatdichte frühestens nach vier Wochen messbar war, empfehle ich Pflanzdichte in Experimenten, die länger als drei Wochen dauern, zu berücksichtigen. In Bezug auf die Übertragung von Gewächshausergebnissen aufs Feld sollte neben der Pflanzdichte auch das Entwicklungsstadium und das Alter der Pflanze berücksichtigt werden.