Influence of phosphate and nitrate supply on root hair formation of rape, spinach and tomato plants

Summary

Experiments with tomato, rape and spinach in nutrient solutions have shown that the formation of root hairs is strongly influenced by phosphate and nitrate supply. Decreasing the phosphate concentration of the nutrient solution from 100 to 2 μM P resulted in an increase of root hair length from 0.1–0.2 to 0.7 mm of the three plant species. Root hair density also increased by a factor of 2–4 when the P concentration was lowered from 1000 to 2 μM. The variation of these two root properties raised the root surface area by a factor of 2 or 3 compared to plants well supplied with P. Root hair length was closely related to the phosphate content of the root and shoot material. On the other hand, spinach plants grown in a split-root experiment produced root hairs in solutions of high P concentration (1000μM P) if the major part of the total root system was exposed to low P concentration (2 μM P). It is therefore concluded that the formation of root hairs does not depend on directly the P concentration at the root surface but on the P content of the plant.

Similar experiments with nitrate also resulted in an increase in length and density of root hairs with the decrease of concentration below 1000 μM. In this case marked differences between plant species occurred. At 2 μM compared to 1000 μM NO₃ root hair length of tomato increased by a factor of 2, of rape by a factor of 5 and of spinach by a factor of 9. Root hair length was correlated, but not very closely, to the total nitrogen content of the plants. It is concluded, that the influence of nutrient supply on the formation of root hairs is a mechanism for regulating the nutrient uptake of plants.

Zusammenfassung

Versuche in Nährlösungen ergaben, dass die Behaarung der Wurzeln von Raps-, Spinat- und Tomatenpflanzen von der Phosphat- und Nitratversorgung abhängig ist. Mit abnehmender Phosphat-Konzentration der Nährlösung nahm die Länge der Wurzelhaare der drei Pflanzenarten von 0,1–0,2 mm bei 100 μM auf 0,7mm bei 2 μM zu. Auch die Wurzelhaardichte stieg mit abnehmender P-Konzentration im Bereich von 2 bis 1000μM P um den Faktor 2 bis 4 an. Die Veränderung dieser beiden Eigenschaften führte zur Zunahme der Wurzeloberfläche auf das Doppelte bis zum Dreifachen der reichlich mit P versorgten Pflanzen.

Die Wurzelhaarlänge stand mit dem Phosphorgehalt des Sprosses und der Wurzeln in einer engen linearen Beziehung. Mit Hilfe der split-root-Technik wurde bei Spinatpflanzen ausserdem festgestellt, dass sich Wurzelhaare auch an solchen Wurzeln verstärkt bilden, die von hoher P-Konzentration (1000 μM) umgeben sind, wenn sich der grössere Teil des Wurzelsystems in Parmer Lösung (2 μM) befindet. Daraus wird der Schluss gezogen, dass nicht die P-Konzentration an der Wurzeloberfläche unmittelbar die Wurzelhaarbildung auslöst, sondern auf dem Weg über den Phosphorgehalt in der Pflanze. Entsprechende Versuche zur Wirkung von Nitrat führten mit abnehmender Konzentration ebenfalls zur Verlängerung der Wurzelhaare, jedoch in unterschiedlichem Masse bei den drei Arten. In Lösungen von 2 μM NO₃ war die Länge der Wurzelhaare im Vergleich zu 1000μM bei Tomate um den Faktor 2, bei Raps um den Faktor 5 und bei Spinat um den Faktor 9 erhöht. Die Wurzelhaarlänge korrelierte dabei mit dem Gesamt-N-Gehalt der Pflanzenmasse, jedoch nicht sehr eng.

Die Beeinflussung der Wurzelhaarbildung durch die Nährelement-Versorgung wird als ein Mechanismus angesehen, mit dem die Pflanze ihre Nährelementaufnahme reguliert.