Nährstoffmanagement im Bio-Kartoffelanbau: Kalium

Im Spross der Kartoffelpflanze sind die ersten sichtbaren Symptome eines Kaliummangels Chlorosen an den Spitzen der ältesten Blätter, die sich von dort aus, entlang der Blattränder, zügig in Randnekrosen ausbreiten (Bang et al. 2021). Als Grund hierfür kann die Verlagerung von mobilen K⁺-Ionen in die jüngeren Blätter zur Gewährleistung der dortigen Stomataregulation angenommen werden. Die Pflanze nimmt damit den Zusammenbruch der Stomata und ein anschließendes Absterben der älteren Blätter in Kauf, um jedoch das Überleben der Pflanze durch Förderung der jungen Blätter zu sichern (Cochrane und Cochrane 2009).

Koch et al. konnten in einer Studie aus dem Jahr 2019 zeigen, dass Kartoffelpflanzen, die während ihrer Entwicklung nur unzureichend mit Kalium versorgt sind, eine signifikante Reduktion ihrer Knollen- und Stärkeerträge zu verzeichnen haben. Dies ist auf mehrere Reaktionen der Pflanze auf den Kaliummangel zurückzuführen:

Eine wesentliche Rolle für den Ertragsrückgang spielt die Verringerung der Fotosyntheserate durch eine Abnahme der fotosynthetisch aktiven Blattfläche (weniger und kleinere Blätter).

Außerdem stirbt das Kraut unter Nährstoffmangelsituationen früher ab. Die Folge ist eine geringere Gesamtassimilation von Zucker als Energielieferant für das Wachstum der Kartoffeln und von Stärke zur Einlagerung in die Knollen. 

Kalium spielt eine wesentliche Rolle bei der Verteilung von Fotoassimilaten in der Pflanze, da es für die Beladung des Phloems erforderlich ist. Das Phloem ist der Teil des pflanzlichen Transportsystems, in dem die assimilierten Zucker entsprechend der sogenannten Source-Sink-Dynamik von den Blättern (Quellorgane, Ort der Zuckerassimilation) zu den Senkorganen, wie den Wurzeln oder Knollen (Ort des Zuckerverbrauchs), transportiert werden.

Diese Zucker werden oft gemeinsam mit Protonen (H⁺) durch Saccharose-H⁺-Symporter in die Phloemzellen transportiert. Sowohl der Symporter als auch die Protonenpumpe, die den für den Zuckertransport notwendigen Protonengradienten aufrechterhält, benötigen Kalium für ihre Aktivität. 

Leidet die Pflanze unter Kaliummangel, kann die Effizienz beider Transportproteine negativ beeinflusst und die Phloembeladung beeinträchtigt werden (Bang et al. 2021). In der Folge häufen sich die Assimilate in den Blättern an, während andere Pflanzenorgane, wie die Kartoffelknollen unterversorgt bleiben. Das Wachstum und die Stärkeeinlagerung in die Knollen wird reduziert (Koch et al. 2019). 

Ein dritter Faktor, der die Ertrags- und Stärkebildung der Kartoffel unter Kaliummangel beeinflusst, ist die breite Beteiligung des Nährstoffes an der Steuerung von Enzymaktivitäten. So wird Kalium auch für die optimale Aktivität der Stärkesynthase, einem Schlüsselenzym im Prozess der Stärkesynthese, benötigt. Durch einen Kaliummangel wird die Wirkungseffizienz des Enzyms herabgesetzt und die Stärkeeinlagerung in die Knollen begrenzt (Nitsos und Evans 1969).

Kalium ist bekannt für die Erhöhung der Stresstoleranz. Umgekehrt führt eine K-Mangelsituation dazu, dass die Pflanze anfälliger für Stress ist.

Die Rolle von K⁺ beim Öffnen und Schließen der Stomata wurde oben ausführlich beschrieben. Unter Kaliummangel ist der Schließmechanismus gestört, wodurch Transpirationsverluste auftreten können. Insgesamt steht weniger K⁺ für die Regulation des Wasserhaushaltes zur Verfügung und die Pflanzen reagieren empfindlicher auf Trockenstress.

Ausreichend mit K versorgte Pflanzen können ihren Wasserhaushalt gut regulieren. Durch ein Herabsetzen des osmotischen Potenzials innerhalb der Zellen können diese zum Beispiel vor Kälte geschützt werden. In K-Mangelsituationen funktioniert diese Regulation nicht oder nur eingeschränkt und der frierende Zellsaft schädigt durch Ausdehung das Blattgewebe. Außerdem ist die mit Kalium unterversorgte Pflanze nicht in der Lage den Gefrierpunkt des Zellsaftes herabzusetzen und erleidet früher Frostschäden (Kafkafi 1990; Kant et al. 2002).

Es wird berichtet, dass schlecht (mit K) ernährte Pflanzen anfälliger sind für biotische Stresse. So führt das Fehlen von K zur Ansammlung von Fotoassimilaten in den Blättern und unvollständiger Umwandlung in den Wurzeln und Knollen. Pathogene und Insekten ernähren sich bevorzugt von diesen niedrigeren Stoffwechselprodukten (Marschner 1995, Amtmann et al. 2008).

Eine unzureichende Kaliumversorgung verringert die Lagerfähigkeit von Kartoffeln aus mehreren Gründen:

Kalium spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulation des osmotischen Drucks und der Zellwandfestigkeit. Eine ausreichende Kaliumversorgung trägt dazu bei, die Zellwandintegrität aufrechtzuerhalten. Ohne diese Zellwandintegrität sind die Zellwände der Kartoffelknollen anfälliger für mechanische Schäden während des Einlagerns und beim anschließenden Umladen und Sortieren.

Kalium ist essenziell für die Regulation des Wasserhaushalts in den Zellen. Eine angemessene Kaliumversorgung hilft dabei, den osmotischen Druck in den Zellen zu regulieren. Dadurch bleibt das Wasser gleichmäßig in den Zellen verteilt. Ist dies nicht möglich, können Wasserverlusten auftreten und die Knollen schrumpeln.

Kalium spielt in Pflanzenzellen eine wesentliche Rolle, indem es den osmotischen Druck reguliert. Der osmotische Druck sorgt dafür, dass Wasser durch eine semipermeable Membran in die Zelle fließen kann und bedingt damit zum Beispiel den Erhalt des Tugordrucks, der Zellform und -stabilität.

Auch reduzierende Zucker, wie Fructose oder Glucose können durch ihren Gehalt im Zellsaft einen solchen osmotischen Druck aufbauen. Der Gehalt an reduzierenden Zuckern soll in Kartoffelknollen jedoch möglichst gering sein, da diese bei einer starken Erhitzung zu Acrylamid reagieren können (siehe Beitrag "Nährstoffmanagement im Bio-Kartoffelanbau: Stickstoff").

Eine ausreichende Versorgung der Kartoffelpflanze mit Kaliumerhöht die Konzentration von Kaliumionen im Zellsaft auf ein Niveau, das den osmotischen Druck effektiv stabilisiert. Dadurch besteht ein geringerer Bedarf an anderen osmotisch aktiven Substanzen, wie reduzierenden Zuckern (Gerendás et al. 2007). Aus diesen wird von der Pflanze stattdessen Stärke synthetisiert.

Schwarzflecken entstehen bei Kartoffeln (häufig zum Ende der Lagerung) durch mechanische Belastungen bei einem niedrigen Wassergehalt der Knollen. Durch einen mechanischen Druck wird in den Zellen das Enzym Tyrosinase freigesetzt, welches dafür sorgt, dass das ebenfalls in den Knollen befindliche Tyrosin mit Sauerstoff zu Melanin reagiert (Martin-Prével 1989) Dieses Melanin wird dann in Form der grauen und schwarzen Flecken sichtbar und setzt die Vermarktungsqualität der Knollen wesentlich herab.

Eine ausreichende Versorgung der Kartoffelpflanze und -knollen mit osmotisch wirkendem Kalium erhöht zum einen den Zelltugorin den Zellen der Knolle, wodurch diese weniger anfällig für mechanische Stoßbelastungen werden (Naumann et al. 2020). Zum anderen wird die Aktivität von Tyrosinase und der Tyrosingehalt in den Zellen herabgesetzt (Martin-Prével 1989), während die Einlagerung organischer Säuren, wie Vitamin C, die als Antioxidantien gegen Schwarzfleckigkeit wirken, gleichzeitig gesteigert wird (Koch et al. 2020).

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