Drought-induced processes in the rhizosphere of maize (Zea mays L.)

Drought events are increasing due to climate change, resulting in significant yield losses. Many breeding strategies focus on drought resistance to avoid these yield losses or complete crop failure. Additionally, to improve drought resistance under soil desiccation, the soil and particularly rhizosphere processes are more and more in the focus of research. Specifically, linkages between the diverse and highly dynamic interactions of soil, plant, and microorganism community must be understood. This thesis thus aims to answer the following research questions: i) Are root hairs relevant for water uptake, and what role do they play under drought? ii) Does local drought in Zea mays result in distinguishable systemic and local metabolic and physiological responses, as well as compensatory water uptake? iii) Do the physico-chemical properties of Zea mays mucilage differ between two common collection systems? In the first part, published studies considering root hairs in nutrient and water uptake were summarized, and show a high plasticity of root hairs under different nutrient and water availability states. This plasticity was apparent through changes in root hair morphology and development. Furthermore, the role of root hairs in water uptake is under discussion due to variable results from different studies and crop species. Nevertheless, it seems that overall root hairs improve drought resilience. Furthermore, a better nutrient uptake and mucilage exudation by root hairs and thus an increased drought stability is discussed. This suggests a beneficial role of root hairs for drought stress robustness. In the second part, local and systemic drought responses of maize and their effect on rhizosphere processes were assessed in a split-root experiment. The root system of maize was separated into two differently watered (watered, drought stressed) rhizobox chambers. The local drought treatment was performed for 10 days. Under these conditions, the local drought led to a local a
Trockenstressereignisse häufen sich bedingt durch den Klimawandel und führen zu Ertragsverlusten. Deshalb sind zahlreiche Züchtungsprogramme auf Trockenstressresistenz ausgelegt, um so Ertragsverluste oder Komplettausfälle zu verhindern. Zusätzlich rücken der Boden und im Besonderen die Rhizosphären-Prozesse in den Forschungsvordergrund, um so die Trockenstressresistenz unter Bodenaustrocknung zu verbessern. Es ist dabei notwendig die Zusammenhänge zwischen den zahlreichen und sehr dynamischen Interaktionen von Boden, Pflanze und Mikroorganismenpopulationen zu verstehen. Folglich zielt diese Arbeit darauf ab, folgende Forschungsfragen zu beantworten: i) Sind Wurzelhaare relevant in der Wasseraufnahme und welche Rolle haben sie unter Trockenheit? ii) Führt lokaler Trockenstress bei Zea mays zu systemisch- und lokal unterscheidbaren metabolischen und physiologischen Reaktionen sowie zur Kompensation in der Wasseraufnahme? iii) Unterscheiden sich die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Mucilage von Zea mays aus zwei unterschiedlichen Sammelsystemen? Im ersten Teil wurden publizierte Studien zusammengefasst, welche Wurzelhaare im Zusammenhang mit Nährstoff- und Wasseraufnahme berücksichtigen. Diese zeigen eine hohe Plastizität von Wurzelhaaren unter verschiedenen Nährstoff- und Wasserverfügbarkeiten. Diese Plastizität ist erkennbar durch Veränderungen bei der Wurzelhaar-Morphologie und - Entwicklung. Die Rolle von Wurzelhaaren bei der Wasseraufnahme wird kontrovers diskutiert, da sich die Ergebnisse von verschiedenen Studien und Spezies unterscheiden. Allerdings scheint es, dass insgesamt Wurzelhaare die Trockenstressresilienz verbessern. Des Weiteren wird eine bessere Nährstoffaufnahme und Mucilage-Exsudation durch Wurzelhaare und dadurch eine erhöhte Trockenstress-Stabilität diskutiert. Dies lässt eine fördernde Rolle von Wurzelhaaren zur Trockenstressstabilität vermuten. Im zweiten Teil wurden lokale und systemische Antworten von Mais und deren Effekte auf Rhiz