Ontwikkeling en validatie van een nieuwe niet-destructieve methode voor schatting van worteldruk

Transcriptie

1 Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen Academiejaar Ontwikkeling en validatie van een nieuwe niet-destructieve methode voor schatting van worteldruk Annelies Cornelis Promotor: Prof. dr. ir. Kathy Steppe Tutor: Jochen Hanssens Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van Master in de bio-ingenieurswetenschappen: Milieutechnologie

2

3

4

5 Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen Academiejaar Ontwikkeling en validatie van een nieuwe niet-destructieve methode voor schatting van worteldruk Annelies Cornelis Promotor: Prof. dr. ir. Kathy Steppe Tutor: Jochen Hanssens Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van Master in de bio-ingenieurswetenschappen: Milieutechnologie

6

7 De auteur en promotor geven de toestemming deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting uitdrukkelijk de bron te vermelden bij het aanhalen van de resultaten uit deze scriptie. The author and promoter give the permission to use this thesis for consultation and to copy parts of it for personal use. Every other use is subject to the copyright laws, more specifically the source must be extensively specified when using results from this thesis. Gent, 8 juni 2012 De promotor De tutor De auteur Prof. dr. ir. Kathy Steppe ir. Jochen Hanssens Annelies Cornelis

8

9 Woord vooraf Het schrijven van een thesis is een ernstige opdracht die veel tijd en energie in beslag neemt en die men niet in zijn eentje klaar krijgt. In dit voorwoord zou ik dan ook alle mensen willen bedanken die de realisatie van mijn thesis mogelijk maakten, zowel op theoretisch als op praktisch vlak. Op de eerste plaats wil ik mijn tutor ir. Jochen Hanssens bedanken voor zijn begeleiding. Zijn gedrevenheid, suggesties, uitleg, feedback en continue bereikbaarheid waren onmisbaar bij het uitvoeren van deze masterproef. Ik wens hem veel succes bij het beëindigen van zijn doctoraat. Uiteraard dank ik eveneens mijn promoter Prof. dr. ir. Kathy Steppe voor haar wetenschappelijke kennis en ervaring waar ik steeds beroep op kon doen. Ook de andere leden van het labo plantecologie wil ik bedanken voor hun vriendelijkheid en behulpzaamheid. Verder wil ik het personeel van het Proefstation voor de Groenteteelt te Sint-Katelijne- Waver bedanken voor hun ondersteuning bij het uitvoeren van enkele experimenten. Vervolgens wil ik ook de telers bedanken voor hun tijd en interessante informatie tijdens de interviewen. Tot slot wil ik ook nog mijn familie en vrienden bedanken voor de ondersteuning gedurende mijn hele bio-ingenieursstudie. Hun begrip, geduld en relativeringsvermogen zijn onuitputbaar en waren onmisbaar om deze opleiding tot een goed einde te brengen. I

10

11 Samenvatting Wegens de grote toename in productie van tomaat tijdens de laatste vier decennia, werden vele onderzoeken uitgevoerd op fysiologisch, cellulair, biochemisch en genetisch vlak. Toch is nog niet alles geweten. Zo is er nog steeds onduidelijkheid over het exacte mechanisme, de beïnvloedende factoren en mogelijke gevolgen van worteldruk. Door de actieve opname van ionen ter hoogte van de endodermis, wordt een osmotische waterstroom veroorzaakt. Hierdoor ontstaat een hydrostatische druk in het xyleem, die het water omhoog duwt: de worteldruk. Deze positieve hydrostatisch druk wordt overdag geneutraliseerd door de negatieve zuigkracht als gevolg van transpiratieverliezen. Het opwaartse watertransport in het xyleem wordt in eerste instantie dan ook gedreven door de cohesietheorie als respons op de transpiratie, maar onder bepaalde omgevingscondities, wanneer er weinig transpiratie is, wordt het opwaartse watertransport bepaald door worteldruk. Het bestaan van worteldruk is een wijd gekend fenomeen bij planten, voornamelijk door de gevolgen die ermee gepaard gaan. Enerzijds kan worteldruk gecaviteerde xyleemvaten herstellen en zorgt het voor het calciumtransport naar bladeren en vruchten, maar anderzijds kan een te grote worteldruk ook het barsten van cellen veroorzaken, waardoor het risico op pathogene infecties verhoogt. Deze negatieve gevolgen hebben een impact op de kwaliteit en de opbrengst van de vruchten, zodat er nood is aan extra onderzoek. Het grootste probleem bij het onderzoek naar worteldruk, is het meten van worteldruk. Tot nu toe bestaan er bijna enkel destructieve methoden voor het continu opvolgen van worteldruk. Er wordt dan een manometer geplaatst op afgesneden stengels of een drukprobe op afgesneden wortels. Onlangs werd er wel al een niet-destructieve schatting van worteldruk met een mechanistisch model uitgevoerd. Op basis van continue metingen van sapstroom en stengeldiametervariaties bij tomaat, gecombineerd met een mechanistisch stromings- en opslagmodel, gebaseerd op de cohesietheorie, werden schattingen van worteldruk gemaakt. Er is een duidelijk invers patroon op te merken tussen sapstroom en stengeldiameter onder goed bewaterde condities, maar dit houdt niet langer stand bij condities met zeer lage transpiratie. De diameter vertoont hier een snellere toename welke gerelateerd kan zijn aan worteldruk. In dit onderzoek werd deze niet-destructieve schatting gevalideerd door enerzijds de worteldrukken, geschat met het mechanistisch, model te vergelijken met destructieve metingen van worteldruk. Anderzijds werd ook gekeken naar het verschil in diameterpatroon bij intacte planten en planten zonder wortels in condities met zeer lage transpiratie om uit te maken of het wel degelijk een mechanisme in de wortels is dat verantwoordelijk is voor de versterkte diametertoename. Tenslotte werden ook enkele beïnvloedende factoren op worteldruk onderzocht. III

12 De toepasbaarheid en validatie van de schatting van worteldruk via het mechanistisch model werd in eerste instantie onderzocht bij tomaat, maar een parallelonderzoek werd ook gedaan bij komkommer. De diameterpatronen bij een intacte tomatenplant toonden duidelijk snellere toenames bij lage transpiratie in vergelijking met planten zonder wortels. Hierdoor kon de toename worden toegeschreven aan een mechanisme veroorzaakt door wortels. Met behulp van een mechanistisch model kon een worteldruk worden gesimuleerd als het verschil tussen de gesimuleerde xyleemwaterpotentiaal op basis van de cohesietheorie en de xyleemwaterpotentiaal vereist om de versterkte diametertoename te induceren. Ook bij komkommer werd een snellere toename in zowel stengel- als vruchtdiameter waargenomen bij lage transpiratie, zodat ook hier de worteldruk kon worden gesimuleerd. Zowel bij tomaat als komkommer stemden deze gesimuleerde waarden goed overeen met de destructief gemeten worteldrukken. Aldus blijkt het dat worteldruk wel degelijk theoretisch geschat kan worden via een niet-destructieve manier met behulp van enkel externe plantsensoren. IV

13 Inhoudsopgave Woord vooraf... I Samenvatting... III Inhoudsopgave... V Lijst van figuren... IX Lijst van tabellen... XIII Lijst van afkortingen... XV Hoofdstuk 1 Literatuurstudie Het belang van de tomatenteelt De tomaat als wereldproduct Kwaliteitsbeïnvloedende factoren Watertransport in de plant Waterstatus Waterhuishouding Samengesteld transportmodel Waterstroming doorheen de plant Worteldruk Bepaling van de waterstatus Sapstroommetingen Variaties in de stengeldiameter Dagelijks verloop van sapstroom en stengeldiameter Mathematische beschrijving van het watertransport in planten Elektrisch analogonmodel Een niet-destructieve schatting van worteldruk Doelstelling Hoofdstuk 2 Materiaal en methode Plantmateriaal en opstelling Proefzone Voedingsoplossing V

14 2.2 Proefopzet De verschillende behandelingen Initiële proeven in het Proefstation voor de Groenteteelt Experimenten op de faculteit Bio-ingenieurswetenschappen Ecofysiologische metingen Microklimaat Sapstroom Stengeldiameter Worteldruk Stengelwaterpotentiaal Data-acquisitie Simulaties Factoren die de grootte van de worteldruk beïnvloeden Hoofdstuk 3 Resultaten en discussie Relatie tussen microklimaat en plantgedrag Het gemeten patroon van worteldruk bij behandeling O Het verloop Het effect van een temperatuursdaling in het substraat Vergelijking tussen verschillende behandelingen Diametervariaties Invloed van klimaatscondities op de ontwikkeling van worteldruk Modeltoepassing en simulaties van worteldruk Deel 1: sapstroom als inputvariabele Deel 2: gemeten stengeldiameter als inputvariabele Deel 3: sapstroom en gesimuleerde worteldruk als inputvariabele Deel 4: sapstroom en gemeten worteldruk als inputvariabele Relatieve vochtigheid of dampdrukdeficit als voorwaarde voor het optreden van worteldruk Sapstroom als voorwaarde voor het optreden van worteldruk Vergelijking tussen gemeten en gesimuleerde worteldruk Factoren die de grootte van de worteldruk beïnvloeden Het effect van een temperatuursdaling in het substraat bij behandeling R VI

15 3.6 Toepasbaarheid bij komkommer Het opgemeten patroon van worteldruk en het effect van een temperatuursdaling in het substraat bij behandeling O Invloed van de klimaatscondities op de ontwikkeling van worteldruk Simulaties Deel 1 en deel Deel 3 en deel Economische relevantie Hoofdstuk 4 Conclusie Hoofdstuk 5 Referentielijst VII

16

17 Lijst van figuren Figuur 1.1: De verschillende transportwegen van water in het wortelsysteem (aangepast van Nicerweb, 2012) Figuur 1.2: Guttatie als gevolg van worteldruk bij een tomatenplant Figuur 1.3: Dagelijks patroon van worteldruk bij Lotus japonicus gemeten met een drukprobe (aangepast van Henzler et al., 1999) Figuur 1.4: Typisch verloop van stengeldiameter (D) en sapstroom (F H2O ) gedurende twee opeenvolgende dagen Figuur 1.5: Verloop van de stengeldiameter (D) en het dampdrukdeficit (VPD) over een periode van twee dagen. Vanaf 48 h is het VPD zeer laag en vertoont de diameter een snellere stijging Figuur 1.6: Schematische weergave van het elektrische analogonmodel voor het watertransport in de plant: (A) stationair model en (B) dynamisch model. Met R de hydraulische weerstand, Ψ de totale potentiaal, Ψ π de osmotische potentiaal van het opslagcompartiment, C de capaciteit van het opslagcompartiment voor de verschillende niveaus in het bodem-plant-atmosfeer continuüm en E de constante stroomgenerator, wat overeenkomt met de bladtranspiratie op een bepaald tijdstip (Steppe, 2004; aangepast van Jones, 1992) Figuur 1.7: Gesimuleerde xyleemwaterpotentiaal (Ψ t x ) en stengeldiameter (D) vergeleken met de gemeten stengeldiameter (D) van twee planten (plant 1: A en C en plant 2: B en D) (aangepast van De Swaef, 2011) Figuur 1.8: Gesimuleerde xyleemwaterpotentiaal (Ψ t x ) via model 1 (sapstroom als inputvariabele) en via model 2 (stengeldiameter als inputvariabele) voor plant 1 (A) en plant 2 (B). Het verschil tussen de potentialen geeft de worteldruk (P r ) weer voor plant 1 (C) en voor plant 2 (D) (aangepast van De Swaef, 2011) Figuur 1.9: De gemeten en gesimuleerde stengeldiameter via model 1 met de sapstroom en de positieve component P r als inputvariabele voor plant 1 (A) en plant 2 (B) (aangepast van De Swaef, 2011) Figuur 2.1: Schematisch overzicht van de serre. De 20 cirkels illustreren de 20 planten zoals in de laatste twee experimenten. In het eerste experiment bevat zowel het linkse als het rechtse deel slechts 6 planten en bij het tweede experiment bevat elk deel 11 planten. Op positie A en B werd het microklimaat geregistreerd en op positie C de luchtbevochtiger geplaatst IX

18 Figuur 2.2: Schematisch overzicht van de proefopzet waarbij (A) behandeling R, (B) behandeling B en (C ) behandeling O voorstelt. Deze opzet staat zowel links als rechts in de serre gedurende één proef Figuur 2.3: (A) een geïsoleerde Heat Balance sensor bevestigd op een plant uit behandeling B en (B) een niet-geïsoleerde Heat Balance sensor bevestigd op een plant uit behandeling R Figuur 2.4: Schematische voorstelling van het werkingsprincipe van een HB-sensor (aangepast van Vermeulen et al., 2007) Figuur 2.5: Een LVDT-sensor bovenaan in de plant geplaatst Figuur 2.6: (A) de schematische voorstelling van de LVDT-sensor. (B), (C) en (D) schematische voorstelling van de uitgangsspanning voor drie verschillende posities van de kern (aangepast van macrosensors, 2012) Figuur 2.7: Drukmeetomvormer geplaatst op een afgesneden stengel Figuur 2.8: Drukbommethode voor het meten van de stengelwaterpotentiaal. Links de schematische voorstelling van het toestel, (A) de waterkolom onder negatieve spanning, (B) het wegvallen van de zuigkracht, (C) het verschijnen van water aan het oppervlak en (D) een ingepakt blad om de transpiratie stil te leggen (aangepast van Taiz et al., 2010) Figuur 2.9: (A) schema van het model dat gebruikt wordt voor simulaties en calibraties in deel 1, (B) schema van het model dat gebruikt wordt voor simulaties en calibraties in deel 2. De hervormde vergelijkingen worden aangeduid met een kader. Ψ t x = totale xyleemwaterpotentiaal, Ψ s = waterpotentiaal van het substraat, F H2O = sapstroom, R x = hydraulische weerstand in het xyleem, Ψ π o = osmotische potentiaal van het opslagweefsel, R = universele gasconstante, T = temperatuur, M o = gehalte aan osmotische actieve componenten in het opslagweefsel, W o = watergehalte in het opslagweefsel, C o = sucroseconcentratie in het opslagweefsel, MM sucrose = molaire massa van sucrose, Ψ t o = totale waterpotentiaal in het opslagweefsel, Ψ p o = hydrostatische potentiaal van het opslagweefsel, t = tijd, r = hydraulische weerstand tussen het xyleem en het opslagweefsel, S = constante suikerstatus van het opslagweefsel, D = stengeldiameter, ρ H2O = dichtheid van water, L = lengte van de stengelsegment, ε = bulk elastic modulus, ε 0 = proportionele constante, φ = uitrekbaarheid van de celwand, Γ = drempelwaarde van de drukwaterpotentiaal waarbij de celwand irreversibel uitzet en P r = worteldruk (aangepast van De Swaef, 2011) Figuur 3.1: Fotosynthetisch actieve straling (PAR; A), relatieve vochtigheid (RV; B), luchttemperatuur (T; C), dampdrukdeficit (VPD; D), stengeldiameter (D) en sapstroom (F H2O ) van plant 1 (E) en plant 2 (F) uit behandeling R voor vier opeenvolgende dagen (DOY 25-29) X

19 Figuur 3.2: Het verloop van de worteldruk (P r ) gemeten bij behandeling O, luchttemperatuur (T) en substraattemperatuur (T s ) voor een periode van 164 h (DOY 51-58). De drukmeetomvormer werd om 18 h op de stengel bevestigd Figuur 3.3: Substraattemperatuur (T s ; A) van plant 1 en 2 uit behandeling O en overeenkomstige worteldruk (P r ; B) van plant 1 en 2 voor zeven opeenvolgende dagen (DOY 31-37). De pijlen duiden de tijdstippen aan waarop de steenwolmat werd ingebed in ijs Figuur 3.4: Relatieve vochtigheid (RV; A), dampdrukdeficit (VPD; A), fotosynthetisch actieve straling (PAR; B), luchttemperatuur (T; B), sapstroom van de plant uit behandeling R (F H2O ; C), stengeldiameter van de plant uit behandeling O (D; D), stengeldiameter van de plant uit behandeling B (D; E) en stengeldiameter van de plant uit behandeling R (D; F) voor drie opeenvolgende dagen (DOY ). De plant uit behandeling O en B werd afgesneden om 18 h Figuur 3.5: Relatieve vochtigheid (RV; A), dampdrukdeficit (VPD; A), fotosynthetisch actieve straling (PAR; B), luchttemperatuur (T; B), sapstroom van de plant uit behandeling R (F H2O ; C), stengeldiameter van de plant uit behandeling R (D; D) en stengeldiameter van de plant uit behandeling B (D; E) voor vijf opeenvolgende dagen (DOY 45-49). De plant uit behandeling B werd afgesneden om 10,75 h Figuur 3.6: Gemeten sapstroom (F H2O ) van plant 1 (A) en plant 2 (B), gesimuleerde xyleemwaterpotentiaal (Ψ t x ) van plant 1 (C) en plant 2 (D) en gesimuleerde en gemeten stengeldiameter (D) van plant 1 (E) en plant 2 (F). Metingen werden uitgevoerd voor plant 1 op DOY en voor plant 2 op DOY Figuur 3.7: Gemeten stengeldiameter (D) van plant 1 (A) en plant 2 (B), gesimuleerde xyleemwaterpotentiaal (Ψ t x ) via deel 1 (sapstroom als inputvariabele) en via deel 2 (stengeldiameter als inputvariabele) voor plant 1 (C) en plant 2 (D) en gesimuleerde worteldruk (P r ) voor plant 1 (E) en voor plant 2 (F) Figuur 3.8: Gemeten sapstroom (F H2O ) voor plant 1 (A) en plant 2 (B), RV voor plant 1 (C) en plant 2 (D), worteldruk (P r ) gesimuleerd met deel 2 voor plant 1 (E) en plant 2 (F) en gesimuleerde diameter (D) via deel 1 en deel 3 voor plant 1 (G) en plant 2 (H). De worteldruk werd als bijkomende inputvariabele gebruikt wanneer de RV groter is dan 95% (grijze balken) Figuur 3.9: Sapstroom (F H2O ; A), relatieve vochtigheid (RV; B), gemeten worteldruk (P r ; C) en gesimuleerde diameter via deel 1 (sapstroom als inputvariabele) en via deel 4 (gemeten worteldruk als bijkomende inputvariabele wanneer de relatieve vochtigheid groter is dan 95%) vergeleken met de gemeten diameter voor plant 2 (D; D) Figuur 3.10: Sapstroom (F H2O ; A, E en F), relatieve vochtigheid (RV; B), gemeten worteldruk (P r ; C en G), gesimuleerde diameter via deel 1 (sapstroom als inputvariabele), gesimuleerde diameter via deel 4 (gemeten worteldruk als bijkomende inputvariabele wanneer de relatieve vochtigheid groter is dan 95%) en gemeten diameter voor plant 3 (D; D). XI

20 Gesimuleerde diameter via deel 1 (sapstroom als inputvariabele), gesimuleerde diameter via deel 4 (gemeten worteldruk als bijkomende inputvariabele wanneer de sapstroom kleiner is dan 1,5 g h -1 ) en gemeten diameter voor plant 3 (D; H) Figuur 3.11: Boxplot van de 6-uursgemiddelden van de nachtelijke gemeten en gesimuleerde worteldrukken Figuur 3.12: Relatieve vochtigheid (RV; A), dampdrukdeficit (VPD; A), fotosynthetisch actieve straling (PAR; B), luchttemperatuur (T; B), stengeldiameter (D) en sapstroom (F H2O ) van plant 1 (C) en plant 2 (D) uit behandeling R voor vier opeenvolgende dagen (DOY 57-60). Plant 1 werd ingebed in ijs van 78,9 tot 79,75 h Figuur 3.13: Substraattemperatuur (T s ; A) van plant 1 en 2 uit behandeling O en overeenkomstige worteldruk (P r ; B) van plant 1 en 2 voor zes opeenvolgende dagen (DOY 72-77). De pijlen duiden de tijdstippen aan waarop de steenwolmat werd ingebed in ijs Figuur 3.14: Boxplot van de 24-uursgemiddelden van de gemeten worteldrukken voor tomaat en komkommer Figuur 3.15: Relatieve vochtigheid (RV; A), dampdrukdeficit (VPD; A), fotosynthetisch actieve straling (PAR; B), luchttemperatuur (T; B), sapstroom van de komkommerplant uit behandeling R (F H2O ; C), stengeldiameter van de plant uit behandeling R (D; C) en vruchtdiameter van dezelfde plant uit behandeling R (D vrucht ; D) voor vier opeenvolgende dagen (DOY 68-71) Figuur 3.16: Sapstroom (F H2O ; A), gesimuleerde xyleemwaterpotentiaal (Ψ t x ; B) en stengeldiameter (D; C) vergeleken met de gemeten stengeldiameter (D; C) via deel 1 (sapstroom als inputvariabele). Gemeten stengeldiameter (D; D), gesimuleerde worteldruk (P r ; F) en xyleemwaterpotentiaal (Ψ t x ; E) via deel 2 (stengeldiameter als inputvariabele) vergeleken met xyleemwaterpotentiaal van deel 1 (Ψ t x ; E) Figuur 3.17: Sapstroom (F H2O ; A, B, E en F), gesimuleerde worteldruk uit deel 2 (P r ; C), gesimuleerde diameter uit deel 1 (D; D) en de gemeten diameter (D; D) vergeleken met de gesimuleerde diameter (D; D) via deel 3 (sapstroom en gesimuleerde worteldruk uit deel 2 als inputvariabele wanneer de sapstroom kleiner is dan 5,3 g h -1 ). Gemeten worteldruk (P r ; G), gesimuleerde diameter uit deel 1 (D; H) en de gemeten diameter (D; H) vergeleken met de gesimuleerde diameter (D; H) via deel 4 (sapstroom en gemeten worteldruk als inputvariabele wanneer de sapstroom kleiner is dan 5,3 g h -1 ) Figuur 3.18: Stengeldoorsnede van een tomaat (A) en een komkommer (B), met 1 = xyleem, 2 = floëem, 3 = intern floëem, 4 = extern floëem, 5 = merg, 6 = epidermis, 7 = schorsparenchym en 8 = steunweefsel XII

21 Lijst van tabellen Tabel 2.1: Experimentele gegevens van de proefopzet Tabel 2.2: Samenstelling van de voedingsoplossing Tabel 2.3: Factoren die de grootte van de worteldruk kunnen beïnvloeden Tabel 3.1: Waarden van de modelparameters voor plant 1 en Tabel 3.2: Waarden van de modelparameters voor de plant uit behandeling R XIII

22

23 Lijst van afkortingen cv. CHX DOY HB HFD HRM LVDT MIP PIP TIP Cultivar Cycloheximide Day Of the Year Heat Balance Heat Field Deformation Heat Ratio Method Linear Variable Displacement Transducer Major intrinsic protein Plasma-membrane intrinsic protein Tonoplast intrinsic proteins a Allometrische parameter - A st Oppervlak van de dwarsdoorsnede van het stengelsegment m² C Capaciteit van het opslagweefsel g MPa -1 C o Sucroseconcentratie in het opslagweefsel g g -1 c p Warmtecapaciteit van water J g -1 K -1 D Stengeldiameter m D vrucht Vruchtdiameter m e Actuele dampspanning Pa E Constante stroomgenerator MPa e 0 Verzadigde dampspanning Pa EC Elektrische geleidbaarheid ms cm -1 F Waterstroming g h -1 F H2O Sapstroom g h -1 F in Waterstroming van een deel van het bodem-plant-atmosfeer g h -1 f o Wateruitwisseling tussen xyleem en omringend weefsel g h -1 F uit Waterstroming naar een deel van het bodem-plant-atmosfeer g h -1 I Elektrische stroom A XV

24 K sh Effectieve warmtegeleiding van het omhulsel W K -1 K st Warmteconductiviteit van de stengel W m -1 K -1 L Lengte van het stengelsegment m MDS Maximum dagelijkse krimp mm MM sucrose Molaire massa van sucrose g mol -1 M o Gehalte aan osmotisch actieve componenten in het g opslagweefsel PAR Fotosynthetisch actieve straling µmol m -2 s -1 P gas Afgelezen druk van de drukbom MPa P in Warmte-input van het verwarmingselement W P r Worteldruk MPa Q n Neerwaarts warmteverlies door conductie W Q o Opwaarts warmteverlies door conductie W Q r Warmteverlies door radiale conductie W Q s Convectief warmtetansport via sapstroom W Q v Verticaal warmteverlies door conductie W R De universele gasconstante J mol -1 K -1 R Hydraulische weerstand MPa h g -1 r Hydraulische weerstand tussen het xyleem en het MPa h g -1 opslagweefsel R e Elektrische weerstand Ω RV Relatieve vochtigheid % R x Hydraulische weerstand in het xyleemcompartiment MPa h g -1 S Suikerstatus van het opslagweefsel g h -1 T Luchttemperatuur C t Tijd h T s Substraattemperatuur C U Spanning V V Opslagvolume m³ VPD Dampdrukdeficit kpa V w Molair volume van zuiver water m³ mol -1 XVI

25 W o Watergehalte in het opslagweefsel g x Afstand tussen het bovenste en onderste thermokoppelpaar m Γ Drempelwaarde van de turgordruk waarbij de celwand MPa irreversibel uitzet T Temperatuursstijging van het sap K T a Temperatuursgradiënt langs het verwarmingselement K T b Temperatuursgradiënt langs het verwarmingselement K T c Temperatuursgradient langs het omhulsel K ΔΨ Waterpotentiaalgradient MPa ε Bulk elastic modulus MPa ε 0 Proportionele constante m -1 φ Celwandextensibiliteit MPa -1 h -1 ρ H2O Dichtheid van water g m -3 Ψ Waterpotentiaal MPa Ψ g Gravitatiepotentiaal MPa Ψ m Matrixpotentiaal MPa Ψ p Drukpotentiaal MPa Ψ p o Hydrostatische potentiaal van het opslagweefsel MPa Ψ s Waterpotentiaal van het substraat MPa Ψ t o Ψ t x Totale waterpotentiaal in het opslagweefsel Totale xyleemwaterpotentiaal MPa MPa Ψ π Osmotische potentiaal MPa Ψ π o Osmotische potentiaal van het opslagweefsel MPa XVII

26

27 Hoofdstuk 1 Literatuurstudie 1.1 Het belang van de tomatenteelt De tomaat als wereldproduct De tomaat (Solanum lycopersicum L.), die zijn oorsprong kent in Centraal Amerika, is momenteel één van de meest geproduceerde en geconsumeerde groenten over de hele wereld. Ze wordt gebruikt als vers product, maar kent ook vele toepassingen in de voedingsindustrie (Dorais et al., 2001). De laatste 50 jaar is het tomatenareaal op wereldniveau gestegen van 1,68 miljoen ha naar 4,39 miljoen ha in China, USA en India zijn de drie belangrijkste tomatenproducenten in de wereld. Samen produceren ze 46% van de totale wereldproductie. Dit komt overeen met 70,6 miljoen ton tomaten per jaar op een oppervlakte van 1,7 miljoen ha (FAOSTAT, 2011). In België is de productie van de tomaat voornamelijk gericht op de versmarkt, zodat de kwaliteit van de vrucht een belangrijke rol speelt. Er wordt voornamelijk geproduceerd in serres met voldoende klimaatscontrole om een maximale opbrengst en kwaliteit te garanderen doorheen het hele jaar (Dorais et al., 2001). Ook in België is de tomaat de meest geproduceerde groente. Zo werden er in 2009, ton tomaten op een oppervlakte van 443 ha geproduceerd wat een gemiddelde opbrengst van 52,4 kg m - ² oplevert. De Belgische opbrengst ligt veel hoger dan het wereldgemiddelde van 3,5 kg m - ² wat echter ook extra kosten met zich meebrengt zoals het bouwen van klimaatgeregelde serres of het voorzien van nutriënten via druppelirrigatie (FAOSTAT, 2011) Kwaliteitsbeïnvloedende factoren Bij verse producten besteedt de consument veel aandacht aan de kwaliteit van het product. Producten met hoge kwaliteit worden dan ook beloond met een hogere prijs per productieeenheid. De consument bepaalt de kwaliteit van de tomaat aan de hand van verscheidene factoren. Een eerste factor is het uitzicht, waarbij de consument belang hecht aan kleur, vorm, grootte en beschadigingen van de vrucht. Een tweede belangrijk aspect is de textuur en de stevigheid van de vrucht wat de gevoeligheid voor schade bepaalt tijdens oogst en opslag. Daarnaast is de smaak voor de consument ook van groot belang. Deze wordt bepaald door het suiker- en zuurgehalte in de vrucht. Tot slot heeft een hoge voedingswaarde ook een positieve invloed op de kwaliteit van de vrucht. De tomaat omvat ondermeer mineralen, vitamine C en E en carotenoïden zoals lycopeen wat een antioxidant is. Al deze kwaliteitseigenschappen worden enerzijds genetisch bepaald door de rasafhankelijke gevoeligheid maar anderzijds ook door het controleren van de klimaatscondities en de 1

28 groeiomstandigheden. Belangrijke klimaatsfactoren zijn de lichtintensiteit, temperatuur, vochtgehalte en CO 2 -gehalte van de atmosfeer. De groeiomstandigheden worden gekenmerkt door substraatmateriaal, frequentie van irrigatie, samenstelling en concentratie van de voedingsoplossing en tijdstip van oogsten (Dorais et al., 2001; Arazuri et al., 2007; Van Meulebroek et al., 2011; Pinxteren, 2012). Het belang van een goede plant-waterrelatie komt zowel aan bod bij de klimaatscondities als bij de groeiomstandigheden. Het bepaalt de kwaliteit, maar ook de productie. Er bestaat echter een inverse relatie tussen de productie en kwaliteit. Zo ontstaat bijvoorbeeld bij gelimiteerde irrigatie of verhoogde zoutconcentratie van de voedingsoplossing, het fenomeen van beginnende droogtestress. Dit leidt enerzijds tot een verminderde watertoevoer naar de vruchten, wat een lagere productie tot gevolg heeft. Anderzijds leidt verminderde watertoevoer tot een hogere concentratie aan voedingstoffen in de vrucht, wat een hogere kwaliteit met zich meebrengt (Guichard et al., 2001; Dumas et al., 2003). Zoals de meeste vruchten, bestaat ook de tomaat hoofdzakelijk uit water. Het watergehalte bedraagt meestal rond de 94% (Bastin et al., 1997). Het is daarom belangrijk de waterrelaties in de plant te kennen om optimale groeicondities te vinden die leiden tot een optimale productie met maximale kwaliteit. 1.2 Watertransport in de plant Waterstatus Water heeft vier belangrijke functies tijdens de groei en ontwikkeling van de plant. Als eerste wordt het water gebruikt als grondstof in het fotosyntheseproces. Hierbij reageren CO 2 - moleculen uit de lucht met watermoleculen uit de plant, zodat suiker en zuurstof wordt gevormd. 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Een tweede functie van water is het koelend vermogen. Bij hoge omgevingstemperatuur en hoge lichtintensiteit gaat de plant de opgenomen warmte opnieuw afgeven door water te verdampen ter hoogte van de intercellulaire ruimten in het bladweefsel. Zo wordt de overtollige energie onder de vorm van latente warmte afgegeven. Er wordt gesproken van een gezonde plant wanneer overdag de bladtemperatuur lager is dan de omgevingstemperatuur. De derde functie bepaalt de stevigheid van de plant. Doordat water steeds aanwezig is in de plant, is het mogelijk om de turgordruk (de druk van de celinhoud op de celwand) in de weefsels te handhaven. Zo kan de stevigheid van de plant worden behouden en is het mogelijk om celexpansie en groei te realiseren. Als laatste dient het water ook als oplos- en transportmiddel. Wanneer voedingsstoffen worden opgelost in water kunnen ze over grote afstanden worden getransporteerd via de waterstroming in de plant (Lambers et al., 1998). 2

29 Om de waterstatus van de plant op een duidelijke manier weer te geven, wordt gebruik gemaakt van de waterpotentiaal (Ψ in MPa). De waterpotentiaal heeft een thermodynamische basis en het drukt het vermogen van de watermoleculen voor het leveren van arbeid uit. Deze arbeid wordt vergeleken ten opzichte van een referentieniveau (waar de waterpotentiaal gelijk aan nul wordt gesteld). Elke plaats in het bodem-plantatmosfeer continuüm heeft een bepaalde potentiaalwaarde: dit is een maat voor de beschikbaarheid van het water op deze plaats. Een verschil in potentiaalwaarden binnen het continuüm veroorzaakt waterstroming. Spontane, passieve waterstroming gebeurt in de richting van meer negatief wordende waterpotentialen (Jones, 1992; Larcher, 2003; Nobel, 2009). Verschillende krachten bepalen deze waterpotentiaal zodat deze op te delen is in vier componenten: Ψ = Ψ g + Ψ π + Ψ p + Ψ m (1.1) Om watermoleculen te transporteren vanuit het referentieniveau naar een bepaalde plaats hogerop in de plant, moet er arbeid geleverd worden tegen de zwaartekracht in. Deze positieve bijdrage aan de waterpotentiaal wordt de gravitatiepotentiaal (Ψ g in MPa) genoemd. Bij kleine planten is dit slechts een kleine bijdrage (0,01 MPa per meter), zodat deze term verwaarloosd kan worden. De concentratie aan opgeloste stoffen in de cellen bepaalt de osmotische potentiaal (Ψ π in MPa). De opgeloste stoffen verlagen de vrije energie van het water. Deze component heeft een negatieve bijdrage aan de totale waterpotentiaal. Hoe groter de concentratie aan opgeloste stoffen, hoe meer negatief deze component wordt. De drukpotentiaal (Ψ p in MPa) kan zowel een positieve als een negatieve bijdrage hebben aan de totale waterpotentiaal. Positieve drukpotentialen komen voor in levende cellen. Het is een gevolg van de druk uitgeoefend door de celwand op de celinhoud. Deze drukpotentiaal is gelijk aan de turgordruk (de druk van de celinhoud op de celwand) in een cel. Negatieve drukpotentialen komen voor in de xyleemvaten. Door het ontstaan van een tijdsvertraging tussen het waterverlies via transpiratie en wateropname via de wortels wordt er een zuigkracht veroorzaakt. De matrixpotentiaal (Ψ m in MPa) is het resultaat van de bindende krachtwerking tussen watermoleculen en structurele elementen zoals de poriën in cellulosestrengen van de celwand en de poriën in de bodem en substraten. Hoe kleiner de dimensies van de porie, hoe sterker de watermoleculen worden vastgehouden in de porie. Deze component heeft een negatieve bijdrage tot de totale waterpotentiaal (Jones, 1992; Nobel, 2009). De formule van de totale waterpotentiaal is echter enkel geldig in het bodem-plantatmosfeer continuüm wanneer water zich in de vloeibare fase bevindt. Voor water in de gasfase, zoals bijvoorbeeld op de grenslaag van het blad-atmosfeer niveau, moet de vergelijking van Spanner (1951) gebruikt worden om de waterpotentiaal te bepalen. R (1.2) 3

30 Hierbij is R de universele gasconstante (8,31 J mol -1 K -1 ), T de absolute temperatuur in graden Kelvin, V w het molair volume van zuiver water ( m³ mol -1 ), e 0 de verzadigde dampspanning in Pa en e de actuele dampspanning in Pa Waterhuishouding Samengesteld transportmodel Het opnemen van water via de wortelharen om aan de watervraag van het transpirerende deel van de plant te voldoen, is één van de belangrijkste functies van de wortels. Hierdoor zullen de wortels een grote hydraulische geleidbaarheid moeten vertonen tijdens de dag, maar tegelijkertijd verlies van water kunnen weerstaan bij afwezigheid van transpiratie en droogtestresssituaties. Deze eigenschappen van de wortels zijn sterk gerelateerd aan hun anatomie, waardoor de stroming van water het best beschreven kan worden door het samengesteld transportmodel van de wortels (Steudle, 1998; Steudle, 2000a; Steudle, 2000b). Er kunnen drie verschillende routes worden beschreven voor het watertransport doorheen de wortel (Figuur 1.1). Een eerste is de apoplastische weg. Dit omvat het niet-levende continuüm zoals de poriën in celwanden, intercellulaire ruimten en niet-levende xyleemvaten. De symplastische route is gekenmerkt door een continuüm van levende materie. Het water stroomt doorheen de cellen via plasmodesmata. Een laatste route is de transcellulaire weg, waarbij het water doorheen de plasmamembranen stroomt. Hierbij speelt de aanwezigheid en activiteit van aquaporines een belangrijke rol. De laatste twee routes zijn moeilijk van elkaar te onderscheiden waardoor ze vaak onder één term worden aanschouwd, namelijk de cel tot cel route. Beide transportwegen (apoplastisch en cel tot cel) zijn noodzakelijk voor de totale waterbeweging in de plant (Steudle, 1998; Ridge, 2002). De apoplastische waterbeweging is gerelateerd aan het passief watertransport doorheen de plant zodat het wordt gedreven door de hydrostatische potentiaalgradiënt tussen het wortelmedium en het xyleem. De cel tot cel route wordt gedreven door het actief opnemen van ionen en andere opgeloste stoffen doorheen de membranen. In situaties van hoge transpiratie, zullen beide routes worden aangesproken. Hierdoor ontstaat er een grote hydraulische geleidbaarheid in de wortels. Bij afwezigheid van transpiratie blijft enkel de cel tot cel route over waardoor er een hoge hydraulische weerstand in de wortels heerst. Het cel tot cel transport is namelijk zestig keer trager dan het apoplastisch transport omdat het sterk afhangt van de permeabiliteit van de membranen (Steudle, 2000a; Ridge, 2002). Om de rest van de plant te voorzien van water, wordt het water getransporteerd naar het xyleem. Het apoplastisch transport wordt echter onderbroken ter hoogte van de endodermis, dat de lijst van Caspary bevat (Figuur 1.1). Deze lijst bestaat uit suberine en lignine, waardoor deze een hydrofoob karakter heeft. Daardoor is de lijst van Caspary 4

31 impermeabel voor water en ionen, zodat het apoplastische water geforceerd wordt om de cel tot cel route te volgen (Steudle, 2000a; Steudle, 2000b). Deze wortelstructuur kent verder nog enkele belangrijke aspecten. Bij situaties van droogtestress zorgt de lijst van Caspary ervoor dat er geen waterverlies is naar de omgeving. Een tweede functie van de lijst treedt op wanneer er weinig transpiratie is. Door de apoplastische barrière, kan de wortel als een osmotische cel worden aanschouwd. Door de actieve opname van ionen ter hoogte van de endodermis, wordt een osmotische waterstroom veroorzaakt, waardoor er een positieve hydrostatische druk wordt opgebouwd in het xyleem. Dit fenomeen wordt ook worteldruk genoemd. Ten slotte zullen aquaporines een belangrijke rol spelen in de hydraulische geleidbaarheid van de wortel. (Steudle, 2001). Waterkanalen of aquaporines dragen het meeste bij in de hydraulische geleidbaarheid doorheen de celmembranen. Het zijn transportproteïnen die tot de major intrinsic proteins (MIP) behoren. Zelf zijn ze nog eens op te delen in twee subgroepen. Vooreerst de plasmamembrane intrinsic proteins (PIPs) waarbij de kanalen gelegen zijn in het plasmamembraan. Ze spelen een belangrijke rol in het controleren van de radiale wateropname. Een tweede groep zijn de tonoplast intrinsic proteins (TIPs) die hun kanalen hebben in de tonoplast. Ze functioneren eerder als buffer voor de osmotische fluctuaties in het cytoplasma. Er bestaat een grote verscheidenheid aan aquaporines met verschillende selectiviteit. Sommige laten enkel water door, maar doorheen andere kunnen er ook kleine organische moleculen diffunderen. De activiteit van de aquaporines wordt metabolisch gecontroleerd door middel van reversibele fosforylatie. Daarnaast kan de activiteit ook sterk beïnvloed worden door externe parameters. Zo zal de aanwezigheid van vrije Ca 2+ -ionen, lage ph, een hoog zoutgehalte, zware metalen en een tekort aan nutriënten de activiteit van de waterkanalen verlagen. De activiteit wordt zelfs volledig geremd wanneer er kwik aanwezig is. In situaties van watertekort, temperatuurstijging tot 20 C en veroudering van de wortels stijgt echter de activiteit van de kanalen (Steudle, 2000b; Chaumont et al., 2005; Steppe et al., 2012). Het samengesteld transportmodel omvat een grove regeling en een fijne regeling. De grove regeling optimaliseert de waterbalans door de wortelhydraulica af te stemmen op de vraag van het transpirerende deel van de plant. De fijne regulatie gebeurt door de aquaporines, die kunnen reageren op veranderingen van de omgevingscondities (Tyerman et al., 1999). 5

32 Figuur 1.1: De verschillende transportwegen van water in het wortelsysteem (aangepast van Nicerweb, 2012) Waterstroming doorheen de plant Het opwaartse watertransport (van wortel naar blad) in de xyleemvaten is een passief proces dat gedreven wordt door een potentiaalgradiënt. Dit mechanisme werd reeds op het einde van de 19 e eeuw beschreven door de cohesietheorie van Dixon en Joly (1894). Tot op de dag van vandaag wordt deze theorie nog steeds aanvaard voor het beschrijven van het opwaartse watertransport. In de substomatale ruimte van het blad is de relatieve vochtigheid bijna 100%. Doordat de relatieve vochtigheid van de atmosfeer veel lager is, ontstaat via diffusie een waterverlies richting de atmosfeer. Door deze transpiratie ontstaat er een zuigspanning in het vatensysteem. Door de sterke cohesiekracht tussen watermoleculen die verkregen wordt door de waterstofbruggen, vormt het water als het ware een continue streng in het xyleem. Zo wordt de zuigspanning verder gezet doorheen heel het xyleem, wat wateropname vanuit de bodem tot gevolg heeft. Op deze manier wordt een poteniaalgradiënt in het xyleem opgebouwd met een minder negatieve poteniaal ter hoogte van de wortels en een meer negatieve potentiaal op bladniveau (Steudle, 2001; Lambers et al., 1998). Naast de cohesietheorie kan het opwaarts watertransport in bepaalde omstandigheden mede beschreven worden door worteldruk. De waterstroming veroorzaakt door worteldruk is echter veel lager dan deze veroorzaakt door de zuigkracht van de transpiratie. Wanneer er transpiratie is, wordt de positieve worteldruk geneutraliseerd door de grotere negatieve potentiaal veroorzaakt door de transpiratie. Daardoor zal worteldruk enkel van belang zijn wanneer de transpiratie laag is (Cochard et al., 1994; Lambers et al., 1998; Ridge, 2002). 6

33 Worteldruk Oorsprong Ter hoogte van de endodermis in de wortel ontstaat er een osmotisch systeem. De lijst van Caspary ter hoogte van deze cellen verplicht het water om de cel tot cel route te volgen. Hierdoor functioneert het celmembraan van de endodermis als een semipermeabel membraan. Aan de ene zijde van het membraan bevindt zich de verdunde oplossing in de wortelcortex en aan de andere zijde (meer naar het midden van de wortel) de geconcentreerde oplossing in de centrale cilinder. Door de actieve opname van ionen ter hoogte van de endodermis, wordt water osmotisch aangezogen richting de centrale cilinder. Zo ontstaat er een osmotische druk en wordt het water in de vaten van het wortelsysteem geperst. Deze positieve hydrostatische druk kan zich verder zetten tot in de xyleemvaten van stengel en blad. Het zorgt voor het opwaartse watertransport wanneer er weinig transpiratie is, aangezien op dat moment de worteldruk niet geneutraliseerd wordt door de negatieve zuigkracht als gevolg van transpiratieverliezen. Of er al dan niet getranspireerd wordt, hangt af van de klimaatscondities. Er is nog geen onderzoek gedaan naar de relatie tussen worteldruk en klimaat, maar uit praktijkervaring wordt er ondervonden dat worteldruk overheerst in situaties met hoge luchtvochtigheid (zoals na een regenbui), lage nachtelijke temperaturen, hoge stomatale weerstand of hoge grenslaagweerstand (bij beperkte luchtbeweging) zodat de transpiratie wordt onderdrukt. De grootte van de worteldruk tijdens de nacht is ook gerelateerd aan de klimaatscondities van de voorgaande dag die de vereiste energie en nutriënten moet voorzien voor de opbouw van de nachtelijke worteldruk (Peet, 1992; Cochard et al., 1994; Bakker et al., 1995; Steudle, 2001). In het verleden is er worteldruk gemeten in de grootteordes van 0,01 tot 0,2 MPa. De grootteorde van de gemeten worteldruk hangt af van verschillende factoren zoals het tijdstip van de meting, klimaatscondities, rasafhankelijke gevoeligheid (Grossenbacher, 1938; Sperry et al., 1987; Cochard et al., 1994; Henzler et al., 1999; Tibbetts et al., 2000; Lee et al., 2004a, Clearwater et al., 2007). Aan worteldruk zijn enkele positieve fenomenen gelinkt zoals het herstellen van gecaviteerde xyleemvaten, het transport van calcium naar de bladeren en vruchten bij groenten en het opwaarts watertransport in bomen in het begin van de lente (Palzkill et al., 1977; Tyree et al., 1987; Cochard et al., 1994). Echter, het meest gekende fenomeen dat gerelateerd is met worteldruk is guttatie. Hierbij wordt overtollig water via hydathoden uit de bladnerven geperst waardoor er waterdruppels aan de bladrand ontstaan (Figuur 1.2). Bij onvoldoende guttatie kunnen cellen zwellen en/of barsten door het overtollige water. Dit heeft zowel directe als indirecte gevolgen. Directe gevolgen kunnen zijn: gescheurde vruchten bij o.a. tomaat, waterblazen en glazigheid bij bladgroenten. Door deze beschadigingen aan de plant is het risico op pathogene infectie zoals Botrytis en Mycosphaerella groter wat als een indirect effect van worteldruk wordt beschouwd. Deze laatste fenomenen betekenen een gevoelige kwaliteitsvermindering en 7

34 productievermindering (Cotner et al., 1969; Calbo, 1990). Vaak zijn deze negatieve gevolgen te wijten aan een slechte waterhuishouding. Een verandering van de klimaatscondities kan deze problemen verhelpen (Peet, 1992; Steppe, 2011). De laatste jaren worden er veel inspanningen geleverd om energie te besparen in de glastuinbouw. Vaak gaat dit gepaard met vochtigere klimaatscondities en koudere nachttemperaturen zodat de worteldruk sterker aanwezig zal zijn met meer uitgesproken negatieve gevolgen (Wittemans, 2012). Figuur 1.2: Guttatie als gevolg van worteldruk bij een tomatenplant. Praktijkervaringen Het fenomeen worteldruk is ook bij de telers gekend. Uit een praktijkrondvraag bij vijf tuinbouwbedrijven met verschillende tomatenrassen (Rebelski, Growdena, Admiro, Prunus en Diamantino) en verschillende groottes (van 1,3 tot 9 ha) blijkt dat de problemen die veroorzaakt worden door worteldruk, ook daadwerkelijk voorkomen in de praktijk. Ondanks het feit dat de theoretische aspecten rond worteldruk niet altijd volledig gekend zijn bij de meeste telers, weten ze uit ervaring wel hoe ze de negatieve effecten van worteldruk deels kunnen vermijden zodat de schade beperkt blijft. De meeste problemen die vandaag de dag nog voorkomen zijn Botrytis en neusrot (het barsten van cellen in de vrucht bij calciumtekort). Bij de vijf bedrijven is het verlies aan tomaten door scheuren en infecties kleiner dan 5% van hun jaarproductie. Echter, in de maanden september en oktober kan het verlies voor die maand tot 10% bedragen. Op jaarbasis heeft dit een kleiner effect omdat de plant op het einde van de teelt al van nature minder vruchten draagt dan bijvoorbeeld in de maand juli. Volgende maatregelen tegen de negatieve effecten van worteldruk kwamen naar voor in de ondervraagde bedrijven: Rasafhankelijke gevoeligheid: de laatste jaren is er veel onderzoek naar rassen die minder gevoelig zijn voor scheuren, Botrytis en neusrot (Peet, 1992; Pinxteren, 2012). Telers kiezen dan ook specifiek voor deze rassen. 8

35 Watergift: pas starten met water geven 1 tot 1,5 h na zonsopgang zodat de plant al voldoende transpireert, stoppen met water geven 2 tot 3 h voor zonsondergang zodat de substraatmat met 10% wordt ingeteerd, s nachts geen water geven (enkel kort na het planten en bij zeer warme condities in de zomer). Minimum buistemperatuur: er wordt een minimum buistemperatuur van C opgelegd tijdens de nacht. Bedrijven die met assimilatiebelichting werken, zorgen ook voor een hogere buistemperatuur (50 C) onderaan, zodat de vochtige lucht niet kan dalen. Elektrische geleidbaarheid van de voedingsoplossing (EC): vanaf september wordt vaak voor een iets hogere EC (4-5 ms cm -1 ) gekozen, daar de plant toch minder transpireert. In de zomer wordt geopteerd voor een EC van 3 à 4 ms cm -1. Vette stengels vermijden: In het begin van de teelt wordt er gestreefd naar een stevige stengel die niet te veel water bevat, zodat de plant de hele teelt mee kan en zo minder gevoelig is voor Botrytis later op het jaar. Dit wordt gerealiseerd door een lichte droogtestress (minder water geven, hogere EC) op te leggen in de eerste maand na het planten. Bladsnijden: wanneer het arbeidstechnisch mogelijk is, wordt het bladsnijden gestopt op de middag zodat er voldoende wondweefsel wordt gevormd om guttatie tijdens de nacht te verkomen. Zo kan het risico op Botrytis worden verkleind. Het valt op dat de ondervraagde bedrijven vandaag de dag bijna geen last meer hebben van gescheurde vruchten door de maatregelen die ze toepassen en het gebruik van de minder gevoelige rassen. Wel hebben ze nog regelmatig te kampen met Botrytis of neusrot, maar nooit met beide fenomenen tegelijkertijd. Het is vaak een afweging maken tussen iets drogere condities met lagere worteldruk, wat het risico op Botrytis verkleint, maar de kans op neusrot vergroot en vochtigere condities met hogere worteldruk, waardoor neusrot minder voorkomt, maar de kans op Botrytis vergroot. De neusrot die voorkomt kan te wijten zijn aan te weinig worteldruk. Het voorkomen van neusrot wordt versterkt door een tekort aan calcium. Calcium zorgt immers voor de stevigheid van de cellen, zodat deze minder snel zullen barsten wanneer er water wordt uit onttrokken. Een deel van het calciumtransport gebeurt tijdens de nacht door worteldruk. Wanneer extra maatregelen worden getroffen om worteldruk te mijden, is het risico op neusrot dus groter (Tachibana, 1991; Peet 1992; Bakker, 1995). Het meten van worteldruk Ondanks dat het fenomeen worteldruk wijd gekend is, zijn er toch nog veel onzekerheden, zodat verder onderzoek noodzakelijk is. Op termijn moet een evenwicht gezocht worden tussen energie-efficiënte technologieën en gecontroleerde klimaatscondities in serres om de negatieve effecten van worteldruk te vermijden en optimale groeicondities te creëren. Het grootste probleem bij het onderzoek naar worteldruk is het meten ervan. Tot nu toe bestaan er bijna enkel destructieve methoden voor het continu opvolgen van worteldruk bij 9

36 kruidachtige planten. Er wordt dan een manometer geplaatst op afgesneden stengels of een drukprobe op afgesneden wortels (Grossenbacher, 1938; Henzler et al., 1999). Er bestaat wel één niet-destructieve continue methode voor het meten van worteldruk die gebruikt wordt bij kiwi. Met behulp van een naald die in het xyleem wordt gebracht, wordt de druk gemeten met een druktransducer. Deze methode kan echter niet worden toegepast op de tomaat wegens de te kleine wortel- en stengeldiameter omdat de installatie een mm breed xyleem vereist (Clearwater, 2007). In het verleden zijn er al verschillende metingen van worteldruk uitgevoerd (Henzler et al., 1999; Grossenbacher, 1938; Tibbetts et al., 2000). Steeds is er een typisch dagelijks patroon waar te nemen. In Figuur 1.3 is het dagelijks patroon van worteldruk weergegeven van een kruidachtige plant (Lotus japonicus) gemeten met een drukprobe. Er is een stijging op te merken in de voormiddag met een maximumdruk telkens rond één uur s middags. In de namiddag daalt de druk opnieuw tot een minimumwaarde bij middernacht. Met een temperatuursstimulatie via het medium, neemt de worteldruk zienderogen toe. Deze resultaten tonen duidelijk aan dat worteldruk beïnvloed wordt door de temperatuur. Dit is logisch aangezien worteldruk ontstaat door een actieve opname van ionen in het xyleem. Deze actieve opname wordt gestimuleerd bij een temperatuurstoename van het wortelmedium. Bovendien worden ook de aquaporines, die mede instaan voor het symplastische watertransport, extra gevormd en gestimuleerd door een temperatuurstoename tot 20 C (Grossenbacher, 1938; Henzler et al., 1999; Lee et al., 2004b). Figuur 1.3: Dagelijks patroon van worteldruk bij Lotus japonicus gemeten met een drukprobe (aangepast van Henzler et al., 1999). 10

37 1.3 Bepaling van de waterstatus Vandaag de dag zijn er verschillende directe of indirecte methodes beschikbaar voor de automatische opvolging van de waterstatus van de plant. Het continu monitoren van de plant met plantsensoren levert belangrijke informatie over de gezondheidstoestand van de plant. Om de waterstatus op te volgen, worden er metingen gedaan van de sapstroom (F H2O ) in de stengel en van de variaties in stengeldiameter (D). Door deze continue opvolging van de plant en het microklimaat, is het mogelijk om de relatie tussen de waterstatus en de groeicondities en de achterliggende mechanismen beter te begrijpen. Deze informatie kan zich dan uiten in heel wat nuttige toepassingen. Zo is het mogelijk een automatisch irrigatiesysteem te gebruiken dat gebaseerd is op de waterstatus van de plant (Steppe et al., 2008; Fernández, 2010). Verder bestaat de mogelijkheid om de klimaatscondities optimaal af te stellen om enerzijds kwaliteit en productie te behouden, maar anderzijds energiebesparend te werken. Bovendien is het mogelijk om sub-optimale groeiomstandigheden in een vroeg stadium te detecteren. Dit heeft tot voordeel dat het verlies in opbrengst en kwaliteit tot een minimum beperkt kan worden. In de praktijk gaan de huidige telers pas reageren en ingrijpen als de stresssituaties zich gaan uiten in fysiologische aandoeningen zoals verwelking, vruchtscheuren, pathogene infecties waardoor het in vele gevallen vaak gaat over onomkeerbare schade. Het is eveneens mogelijk om op basis van plantmetingen limieten op te stellen voor deze ongunstige groeiomstandigheden (Gallardo et al., 2006; Vermeulen et al., 2008; De Swaef et al., 2009; De Swaef, 2011) Sapstroommetingen Metingen van de sapstroom (F H2O ) in de stengel geven informatie over de waterstatus van de plant aangezien een hoge transpiratie en dus ook sapstroom tot een grotere zuigkracht leidt in het xyleem. Toch zijn de data van de sapstroom niet eenvoudig te interpreteren, want de sapstroom is het resultaat van een reactie van de plant op zowel de atmosferische watervraag als de waterbeschikbaarheid in de bodem of het substraat. Zo kunnen lage sapstromen tijdens de middag te wijten zijn aan een lage watervraag van de atmosfeer (laag dampdrukdeficit (VPD)), maar eveneens aan een lage waterbeschikbaarheid in het wortelmilieu (droogtestress) (De Swaef et al., 2009). In het verleden zijn er heel wat methodes ontwikkeld voor het meten van de sapstroom, maar deze die gebaseerd zijn op het thermodynamisch principe, worden tot op de dag van vandaag nog steeds gebruikt. Deze methodes maken gebruik van een hoeveelheid toegevoegde warmte aan de stengel. Deze warmte wordt daarna gedeeltelijk getransporteerd via convectie met de opstijgende sapstroom. Op basis van deze getransporteerde warmte kan vervolgens de sapstroom worden berekend (Smith et al., 1996; Cermak et al., 2004). Op de tomatenplant worden twee types van sensoren gebruikt. De Heat Balance (HB) wordt toegepast voor het meten van sapstroom in de stengel. Recent werd ook een nieuw type Heat Field Deformation (HFD) sensor zonder naalden uitgetest 11

38 voor het meten van kleinere sapstromen doorheen bijvoorbeeld de trossteel (Waegebaert, 2010) Variaties in de stengeldiameter Ook metingen van de variaties in stengeldiameter (D) geven informatie over de waterstatus. Deze variaties zijn het resultaat van het radiaal watertransport tussen het xyleem en het omringende weefsel van wateropslag (Gallardo et al., 2006; Steppe et al., 2006, De Swaef et al., 2010; Steppe et al., 2012). Variaties in stengeldiameter worden opgevolgd met een Linear Variable Displacement Transducer (LVDT). Het is een elektrische omvormer die lineaire verplaatsingen opmeet (De Swaef et al., 2010) Dagelijks verloop van sapstroom en stengeldiameter Figuur 1.4 geeft het dagelijks verloop van de sapstroom en de stengeldiameter als respons op de omgevingscondities weer. Er is een duidelijk invers patroon op te merken tussen sapstroom en stengeldiameter. Wanneer de sapstroom stijgt in de voormiddag, zal de diameter dalen. Dit is te wijten aan de tijdsvertraging tussen transpiratie en wateropname van de wortels. Wanneer de stomata zich bij zonsopgang openen om CO 2 op te nemen voor de fotosynthese, komt de transpiratie op gang. Omdat de wateropname van de wortels niet meteen reageert op deze transpiratie, zal de waterpotentiaal in het xyleem van de stengel afnemen zodat er water wordt aangezogen uit de reserves van omringende weefsels om aan de transpiratiestroom te voldoen. Hierdoor neemt de diameter van de stengel af. Wanneer er voldoende water beschikbaar is in de bodem of het substraat ontstaat er een steady state: de wateropname via de wortels compenseert het transpiratieverlies, waardoor de stengeldiameter constant blijft. s Avonds neemt de transpiratie af, maar blijven de wortels nog een tijdje actief. Hierdoor is de wateropname groter dan het waterverlies zodat de waterreserves van de omringde weefsels opnieuw worden aangevuld en de stengeldiameter verder stijgt. Wanneer er dan nog een extra hoeveelheid water wordt opgenomen, zodanig dat de turgordruk de grenswaarde voor celexpansie overschrijdt, ontstaat er een nettogroei. Hiervoor is echter geen extra mechanisme zoals worteldruk nodig (De Swaef et al., 2010). Verder is er in de figuur op te merken dat de nachtelijke sapstroom nooit de waarde nul bereikt. Dit kan verschillende oorzaken hebben. Zo kan er nog een kleine nachtelijke transpiratie zijn, door het niet volledig sluiten van de stomata. Ook een interne herverdeling tussen het opslagweefsel en het xyleem door het verschil in waterpotentialen tussen deze twee weefsels kan een sapstroom veroorzaken. Deze herverdeling is te verklaren door de theorie van Münch (1930) (Daudet et al., 2002). Tot slot kan ook door het fenomeen worteldruk een kleine opwaartse sapstroom ontstaan tijdens de nacht (De Swaef et al., 2010). 12

39 Figuur 1.4: Typisch verloop van stengeldiameter (D) en sapstroom (F H2O ) gedurende twee opeenvolgende dagen. Bij bepaalde omgevingscondities met hoge relatieve vochtigheid, lage temperatuur, en bijgevolg een zeer laag VPD, zoals op het einde van de nacht, kan er een snellere stijging van de stengeldiameter opgemerkt worden. Dit wordt weergegeven met een pijl in Figuur 1.5. Dit kan het effect zijn van worteldruk die onder zulke omstandigheden versterkt optreedt. Deze worteldruk resulteert in een verhoogde waterpotentiaal in het xyleem waardoor het water in de richting van de opslagweefsels stroomt. Dit zorgt voor een extra zwel van de stengel, die weerspiegeld wordt in een versnelde toename van de stengeldiameter (Figuur 1.5) (De Swaef, 2011). Figuur 1.5: Verloop van de stengeldiameter (D) en het dampdrukdeficit (VPD) over een periode van twee dagen. Vanaf 48 h is het VPD zeer laag en vertoont de diameter een snellere stijging. 13

40 1.4 Mathematische beschrijving van het watertransport in planten Zowel sapstroommetingen als metingen van de stengeldiameter geven belangrijke informatie omtrent de waterstatus van de plant. Een duidelijke interpretatie van de waterstatus is pas mogelijk door het continu meten van sapstroom en stengeldiameter en deze variabelen te verwerken in een mechanistisch plantmodel. Een dergelijk model beschrijft mathematisch de mechanismen in de plant. Het is een simplificatie van de werkelijkheid, maar laat wel toe variabelen te simuleren zoals de totale waterpotentiaal die anders zeer moeilijk te meten is (De Swaef et al., 2010) Elektrisch analogonmodel De mathematische beschrijving van het watertransport in planten kent een jarenlange evolutie. Een eerste poging werd gedaan door van den Honert (1948). Hij gebruikte een analoog model aan de wet van Ohm om het watertransport in planten mathematisch te beschrijven (Figuur 1.6 A). Hierbij wordt de plant als een buis voorgesteld waarbij er evenveel water instroomt door wateropname via de wortels als er uitstroomt door transpiratie. Bij deze stationaire stromingscondities kan de waterstroming doorheen het bodem-plant-atmosfeer continuüm worden berekend als het verschil in waterpotentiaal tussen twee punten in dit continuüm gedeeld door de hydraulische weerstand tussen deze twee punten. (1.3) Hierbij is F de waterstroming (g h -1 ), ΔΨ de waterpotentiaalgradiënt (MPa), R de hydraulische weerstand (MPa h g -1 ), I de elektrische stroom (A), U de spanning (V) en R e de elektrische weerstand (Ω). Echter is het onrealistisch stationaire condities te veronderstellen voor de waterstroming in planten wegens de tijdsvertraging tussen het waterverlies door transpiratie en de wateropname via de wortels. Om de plant in zijn waterbehoefte te voorzien, zijn er interne reserves die kunnen aangesproken worden wanneer het waterverlies groter is dan de opname. Wanneer de opname groter is dan het verlies worden de reserves opnieuw aangevuld. Via een uitbreiding van het van den Honert-concept met capaciteiten, analoog aan de elektrische condensatoren, worden de interne reserves mee in rekening gebracht. Zo wordt er een dynamisch model bekomen (Figuur 1.6 B). Het dynamisch model bestaat uit twee types van elementen. Enerzijds het stromingsgedeelte dat kan worden beschreven door het van den Honert-concept en anderzijds het opslagcompartiment dat beschreven wordt met behulp van capaciteiten. Er zal dus een dynamische hoeveelheid opgeslagen water bestaan in de plant. 14

41 (1.4) Hierbij is f o de wateruitwisseling tussen het xyleem en het omringend weefsel (g h -1 ), F in en F uit de waterstroming van en naar een deel van het bodem-plant-atmosfeer continuüm (g h - 1 ), Ψ t x de totale waterpotentiaal in het xyleem (MPa), Ψ t o de totale waterpotentiaal in het opslagweefsel (MPa), r de hydraulische weerstand tussen het xyleem en het opslagweefsel (MPa h g -1 ) en W o het watergehalte in het opslagweefsel (g). De capaciteit van het opslagweefsel C (g MPa -1 ) wordt gedefinieerd als de verhouding van de verandering van het watergehalte in het opslagweefsel tot de verandering van de waterpotentiaal in het opslagweefsel. (1.5) Figuur 1.6: Schematische weergave van het elektrische analogonmodel voor het watertransport in de plant: (A) stationair model en (B) dynamisch model. Met R de hydraulische weerstand, Ψ de totale potentiaal, Ψ π de osmotische potentiaal van het opslagcompartiment, C de capaciteit van het opslagcompartiment voor de verschillende niveaus in het bodem-plant-atmosfeer continuüm en E de constante stroomgenerator, wat overeenkomt met de bladtranspiratie op een bepaald tijdstip (Steppe, 2004; aangepast van Jones, 1992). Dergelijke dynamische modellen worden gebruikt voor het voorspellen van dagelijkse variaties van de wateropname en de waterpotentiaal. Daarnaast zijn ze ook in staat de relatie te beschrijven tussen het watertransport in het xyleem en de variaties van de 15

42 stengeldiameter. Deze variaties in de stengeldiameter zijn het gevolg van xyleem- en vooral opslagweefseldiametervariaties die het resultaat zijn van het radiaal watertransport tussen xyleem en het omringende opslagweefsel (Jones, 1992; Génard et al., 2001; Steppe et al., 2006). De stengeldiametervariaties worden bepaald door enerzijds de dagelijkse reversibele, elastische variaties in hydratatie en anderzijds door irreversibele, plastische groei van het opslagvolume V (m³). (1.6) Het opslagvolume wordt berekend aan de hand van de stengeldiameter: (1.7) Hierbij is a de allometrische parameter (-), L de lengte van het stengelsegment (m) en D de diameter van de stengel (m). Met behulp van vergelijking 1.6 en 1.7 kunnen de stengeldiametervariaties geschreven worden als: (1.8) De drijvende kracht achter de elastische variaties is de verandering in de hydrostatische drukpotentiaal (turgordruk) van het opslagweefsel (De Swaef, 2011). Dit wordt weergegeven door vergelijking 1.9. (1.9) Hierbij is D de diameter van de stengel (m), ε 0 een proportionele constante (m -1 ) gerelateerd aan ε de bulk elastic modulus, wat de elasticiteit van de celwand weergeeft (MPa) en Ψ p o de drukcomponent van de waterpotentiaal in het opslagweefsel (MPa). De irreversibele groei wordt beschreven door de vergelijking van Lockhart (1965). wanneer Ψ p o > Γ (1.10) wanneer Ψ p o Γ (1.11) Hierbij is φ de uitrekbaarheid van de celwand (MPa -1 h -1 ), D de diameter van de stengel (m). Γ is de drempelwaarde van de drukcomponent van de waterpotentiaal waarbij de celwand irreversibel uitzet (MPa) (Jones, 1992; Génard et al., 2001; Steppe et al., 2006; De Swaef, 2011). 16

43 1.4.2 Een niet-destructieve schatting van worteldruk In paragraaf werd aangehaald dat er tot op de dag van vandaag nog geen continue niet-destructieve methoden zijn om worteldruk te meten bij tomaat. Onlangs werd er wel al een niet-destructieve schatting van worteldruk met een mechanistisch model uitgevoerd (De Swaef, 2011). Hiervoor werd een mechanistisch stromings- en opslagmodel gebruikt gebaseerd op de cohesietheorie dat oorspronkelijk voor bomen (Steppe et al., 2006) was ontwikkeld. Het model gebruikt de gemeten sapstroom als inputvariabele. Op basis van de vergelijkingen uit paragraaf 1.4.1, is het dynamisch model in staat om de stengeldiameter (D), de xyleemwaterpotentiaal van de stengel (Ψ t x ), de totale waterpotentiaal van het opslagweefsel (Ψ t o ), de osmotische potentiaal van het opslagweefsel (Ψ π o ) en de hydrostatische potentiaal van het opslagweefsel (Ψ p o ) te simuleren. Figuur 1.7 toont het resultaat van een simulatie waarbij de gesimuleerde xyleemwaterpotentiaal, de gemeten stengeldiameter en de gesimuleerde stengeldiameter worden weergegeven. De gemeten stengeldiameter vertoont in het tweede deel van de nacht (24-32 h) een snellere stijging. In De Swaef (2011) werd gesuggereerd dat dit het gevolg kan zijn van worteldruk (cfr ). De opbouw van de worteldruk kan het gevolg zijn van de zeer hoge relatieve vochtigheid die er toen heerste in de serre (data niet weergegeven). Deze snellere stijging wordt echter niet gesimuleerd door het model. De modelsimulatie toont een lineaire groei van de stengel en een constante xyleemwaterpotentiaal tijdens de nacht. Dit is te wijten aan het feit dat het model enkel gebaseerd is op de cohesietheorie. Andere mechanismen die invloed hebben op Ψ t x, Ψ t o of r zijn niet mee opgenomen in het model. Onder omstandigheden van lage transpiratie kan Ψ t x worden verhoogd door het mechanisme worteldruk. Een stijging in Ψ t x resulteert dan in watertransport van het xyleem naar het opslagweefsel wat een versterkte diametertoename tot gevolg heeft. 17

44 Figuur 1.7: Gesimuleerde xyleemwaterpotentiaal (Ψ t x ) en stengeldiameter (D) vergeleken met de gemeten stengeldiameter (D) van twee planten (plant 1: A en C en plant 2: B en D) (aangepast van De Swaef, 2011). Om deze worteldruk te schatten, worden de vergelijkingen van het model herschikt zodat er een invers model wordt bekomen. Hierbij wordt de gemeten diameter als inputvariabele gebruikt om de xyleemwaterpotentiaal te simuleren. Deze simulaties resulteren in een nachtelijke stijging van de Ψ x t wat via het eerste model niet mogelijk was (Figuur 1.8 A en 1.8 x B). Wanneer de gesimuleerde Ψ t van het eerste model wordt afgetrokken van de gesimuleerde Ψ x t bekomen door het tweede model, wordt er een positieve component bekomen. Deze positieve component kan dan worden toegeschreven aan worteldruk (P r ) (De Swaef, 2011). Figuur 1.8: Gesimuleerde xyleemwaterpotentiaal (Ψ t x ) via model 1 (sapstroom als inputvariabele) en via model 2 (stengeldiameter als inputvariabele) voor plant 1 (A) en plant 2 (B). Het verschil tussen de potentialen geeft de worteldruk (P r ) weer voor plant 1 (C) en voor plant 2 (D) (aangepast van De Swaef, 2011). 18

45 Wanneer de positieve drukcomponent mee als inputvariabele naast de sapstroom wordt gebruikt in het eerste model, wordt er een nauwkeurige simulatie van de stengeldiameter bekomen (Figuur 1.9). Om te bewijzen dat de positieve component werkelijk het gevolg is van worteldruk, en geen ander mechanisme, zijn experimentele data van worteldruk via destructieve methoden met een drukprobe of manometer noodzakelijk (De Swaef, 2011). Figuur 1.9: De gemeten en gesimuleerde stengeldiameter via model 1 met de sapstroom en de positieve component P r als inputvariabele voor plant 1 (A) en plant 2 (B) (aangepast van De Swaef, 2011). 1.5 Doelstelling De niet-destructieve schatting van worteldruk, op basis van continue metingen van sapstroom en stengeldiametervariaties gecombineerd met een mechanistisch stromings- en opslagmodel, gebaseerd op de cohesietheorie, wordt in dit onderzoek gevalideerd. Hiervoor werden enerzijds de door het mechanistisch model gesimuleerde worteldrukken vergeleken met destructieve metingen van worteldruk bepaald door het bevestigen van een manometer op afgesneden stengels. Anderzijds werd het verschil in diameterpatroon bij intacte planten en planten zonder wortels onderzocht in condities met zeer lage transpiratie, om uitsluitsel te geven of een mechanisme in de wortels verantwoordelijk is voor het afwijkend diameterpatroon onder deze omstandigheden. De validatie van de schatting van worteldruk via het mechanistisch model werd in eerste instantie onderzocht bij tomaat, maar finaal werd eveneens de toepasbaarheid van de methode bij komkommer nagegaan. 19

46

47 Hoofdstuk 2 Materiaal en methode 2.1 Plantmateriaal en opstelling Proefzone Initiële proeven werden uitgevoerd met tomatenplanten (Solanum lycopersicum L. cv. Admiro) in een serrecompartiment (160 m²) van het Proefstation voor de Groenteteelt te Sint-Katelijne-Waver (51 04 NB, OL). Deze planten werden gezaaid op 30 oktober 2010, geënt op een onderstam Emperador en op 5 januari 2011 uitgeplant op steenwolmatten (Master; Grodan, Hedehusene, Denemarken). De plantdichtheid bedroeg 2,85 planten per m 2. De planten kregen voedingsoplossing via een druppelirrigatiesysteem en trossen werden teruggesnoeid op vijf vruchten. Er werden proeven uitgevoerd van 12 september 2011 tot 7 oktober 2011 (DOY ). Na deze initiële proeven werden vier experimenten uitgevoerd in een serre van 2 x 2,5 x 4 m op de faculteit Bio-ingenieurswetenschappen in Gent (51 03 NB, OL). Drie van deze experimenten werden uitgevoerd met tomaat en één met komkommer. Voor elk experiment werden tussen 12 en 22 planten gezaaid, die vervolgens werden uitgeplant op steenwolmatten (Master; Grodan, Hedehusene, Denemarken). De plantdichtheid varieerde tussen de 2,4 en 4,4 planten per m 2 (Figuur 2.1). In Tabel 2.1 wordt per experiment het gebruikte ras, de zaaidatum, plantdatum, plantdichtheid en periode van experimenten weergegeven. Tabel 2.1: Experimentele gegevens van de proefopzet. Exp. 1: Solanum lycopersicum L. cv. Dirk Exp. 2: Solanum lycopersicum L. cv. Admiro Exp. 3: Solanum lycopersicum L. cv. Admiro Exp. 4: Cucumis sativus cv. Nunhems Zaaidatum 24/6/2011 (DOY 175) Plantdatum 5/8/2011 (DOY 217) Experimentenperiode 25/10-17/ (DOY ) 19/8/2011 (DOY 231) 11/10/2011 (DOY 284) 21/11-23/ (DOY ) 4/9/2011 (DOY 247) 21/11/2011 (DOY 325) 25/1-30/ (DOY 25-90) 10/11/2011 (DOY 314) 24/1/2011 (DOY 24) 6/3-23/ (DOY 66-83) Aantal planten Plantdichtheid 2,4 m -2 4,4 m -2 4 m -2 4 m -2 De trossen bij tomaat werden gesnoeid op vijf vruchten. Daarnaast werden de planten getopt net onder de vierde tros en wekelijks gediefd. Bij komkommer werd er gesnoeid zodat één op drie vruchten bleef hangen. Om fotosynthese te stimuleren tijdens de donkere winterdagen werd de assimilatiebelichting ingesteld van 9 tot 16 h. De temperatuur in de serre werd onder 21

48 controle gehouden tijdens vier temperatuursperioden met een minimum dag- en nachttemperatuur van respectievelijk 22 C en 18 C. Om de ontwikkeling van worteldruk voldoende te stimuleren tijdens de proeven werden de klimaatscondities aangepast. Zo werd de minimum nachttemperatuur soms verlaagd tot 9 C om de relatieve vochtigheid in de serre te kunnen verhogen. Daarnaast werd vanaf 16 h een luchtbevochtiger (Boneco 7135, Plaston, Widnau, Zwitserland) aangeschakeld en de deur van de serre gesloten om de relatieve vochtigheid te doen oplopen tot 100% zodat de transpiratie werd stilgelegd. s Morgens rond 9 h werd deze luchtbevochtiger opnieuw uitgeschakeld opdat de relatieve vochtigheid zou dalen en de transpiratie opnieuw op gang kon komen. Figuur 2.1: Schematisch overzicht van de serre. De 20 cirkels illustreren de 20 planten zoals in de laatste twee experimenten. In het eerste experiment bevat zowel het linkse als het rechtse deel slechts 6 planten en bij het tweede experiment bevat elk deel 11 planten. Op positie A en B werd het microklimaat geregistreerd en op positie C de luchtbevochtiger geplaatst Voedingsoplossing Een druppelirrigatiesysteem voorzag elke plant tijdens de vier experimenten op regelmatige tijdstippen van voedingsoplossing. Dagelijks werd om 8, 10, 13, 16, 18 en 20 h een irrigatiebeurt van ongeveer 250 ml gegeven, zodat er minstens 20% drain was en er geen accumulatie van zouten in het substraat kon optreden. De voedingsoplossing bevatte alle essentiële macro- en micronutriënten die nodig waren voor de plant. De samenstelling van deze voedingsoplossing werd licht gewijzigd bij de overgang van het vegetatief naar het generatief stadium en werd voor beide stadia gebaseerd op de praktijk. Tabel 2.2 geeft de precieze samenstelling weer. Om een optimale opname van de nutriënten te verzekeren, werd een ph tussen 5 en 6 aangehouden door toevoeging van 1 M H 2 SO 4. De ph werd bij het maken van nieuwe voedingsoplossing telkens gecontroleerd met een ph-meter (HI9024, Hanna Instruments Inc., Woonsocket, RI, USA). 22

49 Daarnaast werd de elektrische geleidbaarheid ( Electric Conductivity, EC) van de voedingsoplossing opgevolgd met een EC-meter (HI9033, Hanna Instruments Inc., Woonsocket, RI, USA) zodat een overmatig zoutgehalte werd vermeden. Wanneer het zoutgehalte hoog is, zal de waterpotentiaal van het substraat meer negatief worden. Daardoor kunnen de wortels minder gemakkelijk water opnemen wat resulteert in droogtestress. Tijdens de experimenten werd het EC-gehalte voor tomaat op 2,70 ± 0,05 ms cm -1 en voor komkommer op 3,00 ± 0,05 ms cm -1 gehouden. Tabel 2.2: Samenstelling van de voedingsoplossing. Tomaat (mg L -1 voedingsoplossing) Komkommer (mg L -1 voedingsoplossing) Macronutriënten Vegetatief Generatief Vegetatief Generatief Calciumnitraat Ca(NO 3 ) 2 4H 2 O Ammoniumnitraat NH 4 NO kaliumnitraat KNO IJzerchelaat Fe(DTPA 6%) 34,4 34,4 11,5 11,5 Kaliumdiwaterstoffosfaat KH 2 PO Magnesiumsulfaat MgSO 4 7H 2 O Kaliumsulfaat K 2 SO Micronutriënten MnSO 4 1H 2 O ± 2 ± 2 ZnSO 4 7H 2 O ± 1 ± 1 Na 2 B 4 O 7 10H 2 O ± 3 ± 15 CuSO 4 5H 2 O < 1 < 1 Na 2 MoO 4 2H 2 O < 1 < Proefopzet De verschillende behandelingen Zowel bij de initiële proeven die werden uitgevoerd in het Proefstation voor de Groenteteelt te Sint-Katelijne-Waver als de proeven die werden uitgevoerd op de faculteit Bioingenieurswetenschappen te Gent werden drie manipulaties (Figuur 2.2) uitgevoerd met de planten: Behandeling R: referentieplanten Behandeling B: planten die onderaan de stengel werden afgeknipt en die dus niet langer over wortels beschikten Behandeling O: het ondergronds plantendeel met een stengeldeel zonder bladeren 23

50 2.2.2 Initiële proeven in het Proefstation voor de Groenteteelt Een eerste opzet van de initiële proeven was het zoeken naar een goede methode om een zelfgemaakte manometer (rubberen U-buis gevuld met gekleurd water) te bevestigen op een plant uit behandeling O. Daarnaast werd gezocht naar een verschil in het patroon van stengeldiametervariaties tussen deze drie manipulaties. Hiervoor werden in totaal vier planten gemonitord; twee referentieplanten en twee planten welke werden afgesneden. De planten uit behandeling R werden elk uitgerust met een LVDT- en een HB-sensor. Op de planten uit behandeling O werd een manometer en een LVDT-sensor geplaatst. Planten uit behandeling B werden uitgerust met een LVDT- en HB-sensor (Figuur 2.2). Deze proef werd viermaal herhaald, waarbij de referentieplanten steeds dezelfde bleven Experimenten op de faculteit Bio-ingenieurswetenschappen Bij de start van elk experiment in de serre op de faculteit Bio-ingenieurswetenschappen te Gent werden in het begin twee planten gekozen die gedurende de verschillende proeven als referentieplanten (behandeling R) dienden. Deze planten stonden meestal centraal in de serre om randeffecten te vermijden en werden uitgerust met verschillende sensoren: een HB voor de sapstroom, twee LVDTs voor de stengeldiameter en een thermokoppel voor de substraattemperatuur (Figuur 2.2 A). In een eerste proef werd het dagelijks patroon van worteldruk bij behandeling O onderzocht. Hiervoor werden twee planten afgesneden onder het onderste blad. Op het onderste deel werd een drukmeetomvormer (Jumo Midas C08, type , Fulda, Duitsland) geplaatst en een thermokoppel in het substraat werd gebruikt om de substraattemperatuur te monitoren (Figuur 2.2 C). De bovenstengel (behandeling B) werd na het afsnijden onmiddellijk in een kom met voedingsoplossing gestoken. Daarna werd een nieuw stukje van de stengel onder water afgesneden om te verhinderen dat lucht in het xyleem kon en de waterkolom zou worden onderbroken (Figuur 2.2 B). In deze proef werden eveneens de stengeldiametervariaties en de sapstroom van behandeling R vergeleken met behandeling B bij verschillende klimaatscondities. Daartoe werd op de bovenstengel (behandeling B) een LVDT- en een HB-sensor geplaatst (Figuur 2.2 B). Het verloop van de worteldruk, stengeldiameter en sapstroom van de afgesneden stengels werd ten minste vijf dagen opgevolgd. Daarna werden de sensoren verhangen op andere planten zodat deze proef driemaal kon worden herhaald tijdens het eerste en vierde experiment en viermaal tijdens het tweede en derde experiment. In een tweede proef werd het effect van een temperatuursdaling van het substraat op de worteldruk nagegaan. Deze proef liep gelijktijdig met de eerste proef. Hiervoor werd vanaf de derde dag van de proef gedurende 50 minuten de steenwolmat van één plant uit behandeling O ingebed in ijs, terwijl de substraattemperatuur continu werd opgevolgd. Deze 24

51 proef werd driemaal herhaald tijdens experiment twee en vier en viermaal tijdens het derde experiment. Een derde proef had als doel na te gaan of een temperatuursdaling van het wortelmedium van planten uit behandeling R een verandering teweegbracht in het stengeldiameterverloop op tijdstippen waarop er verhoogde worteldruk werd verwacht. Ook deze proef liep gelijktijdig met de eerste proef en werd viermaal herhaald tijdens experiment drie waarbij er ijs werd gelegd op en onder de steenwolmat van één plant uit behandeling R. Figuur 2.2: Schematisch overzicht van de proefopzet waarbij (A) behandeling R, (B) behandeling B en (C ) behandeling O voorstelt. Deze opzet staat zowel links als rechts in de serre gedurende één proef. 2.3 Ecofysiologische metingen Voor de validatie van de niet-destructieve methode voor de schatting van worteldruk is het noodzakelijk om verschillende plant- en omgevingsvariabelen op te meten Microklimaat Om de invloed van het microklimaat op de worteldruk te onderzoeken werd de relatieve vochtigheid (RV), de luchttemperatuur (T), de substraattemperatuur (T s ) en de fotosynthetische actieve straling ( Photosynthetic Active Radiation, PAR) gemeten en het VPD berekend. PAR werd gemeten met een quantum sensor (Model QS, Delta-T Devices, Cambridge, UK) op positie A en B (Figuur 2.1) in de serre boven de planten. T en T s werden gemeten met koper-constantaan thermokoppels (Type T, Omega, Amstelveen, Nederland). In totaal werden vier thermokoppels in de substraatmatten geplaatst: twee bij de planten uit behandeling R en twee bij de planten uit behandeling O. De RV werd gemeten met een RVsensor (type HIH-3605-A, Honeywell, Morristown, NJ, USA). De meting van de RV en T gebeurde op positie A en B in de serre (Figuur 2.1) op een hoogte van 1,5 m. Het VPD werd 25

52 vervolgens voor beide posities berekend op basis van de T- en de RV-metingen als het verschil tussen de verzadigde dampspanning (e 0 in kpa) en de actuele dampspanning (e in kpa) (Jones 1992). (2.1) met (2.2) en (2.3) Sapstroom De sapstroom (F H2O ) van de planten uit behandeling R en B werd continu gemeten met Heat Balance (HB) sensoren (Model SGA10-WS, Dynamax Inc., Houston, TX, USA), die op de stengels werden bevestigd onder het eerste blad (Figuur 2.2 A en B). Deze sensoren werden thermisch geïsoleerd door middel van aluminium- en bubbelfolie om thermische steady state condities te verzekeren en het effect van externe straling op de sensor te minimaliseren (Figuur 2.3). Figuur 2.3: (A) een geïsoleerde Heat Balance sensor bevestigd op een plant uit behandeling B en (B) een niet-geïsoleerde Heat Balance sensor bevestigd op een plant uit behandeling R. Zoals in paragraaf al werd aangehaald, is de HB gebaseerd op het thermodynamisch principe. Door middel van een verwarmingselementje wordt een hoeveelheid warmte toegevoegd aan de stengel. Op basis van de getransporteerde warmte via convectie met de opstijgende sapstroom, kan de sapstroom worden berekend. Het stengelsegment krijgt een constante energie-input afkomstig van een verwarmingselement rondom de stengel. De warmtebalans van dit segment kan bij steady state beschreven worden door (van Bavel et al., 1990; Vermeulen et al., 2007): (2.4) 26

53 Hierbij is P in de warmte-input van het verwarmingselement (W), Q r het warmteverlies door radiale conductie (W), Q v het verticale warmteverlies door conductie in de stengel welk wordt opgesplitst in een opwaartse (Q o ) en een neerwaartse (Q n ) component (W) en Q s het convectief warmtetansport via sapstroom (W). De warmte-input kan worden berekend door middel van de elektrische inputspanning (U in V) en de elektrische weerstand van het verwarmingselement (R e in Ω). (2.5) Het opwaartse en neerwaartse warmteverlies wordt berekend door de wet van Fourier: (2.6) Hierbij is A st het oppervlak van de dwarsdoorsnede van het stengelsegment (m²), K st de warmteconductiviteit van de stengel welke voor kruidachtige planten op 0,54 W m -1 K -1 wordt gezet (Sakuratani, 1984), T b en T a de temperatuursgradiënten langs het verwarmingselement (K) (Figuur 2.4) en x de afstand tussen het bovenste en onderste thermokoppel (m). Het radiale warmteverlies wordt berekend door: (2.7) Met T c de temperatuurgradiënt langs het omhulsel (K) en K sh de effectieve warmtegeleiding van het omhulsel dat het verwarmingselement omsluit (W K -1 ). De waarde voor K sh is afhankelijk van de stengeldiameter van het stengelsegment en de warmtegeleiding van het isolerende omhulsel. Daardoor wordt K sh bepaald wanneer de sapstroom nul bedraagt. (2.8) De sapstroom kan dan berekend worden via: (2.9) met: (2.10) Hierbij is c p de warmtecapaciteit van water (4186 J g -1 K -1 ) en T de temperatuursstijging van het sap (K) (Vermeulen et al., 2007). 27

54 Figuur 2.4: Schematische voorstelling van het werkingsprincipe van een HB-sensor (aangepast van Vermeulen et al., 2007) Stengeldiameter Stengeldiametervariaties werden gemeten door middel van een linear variable displacement transducer (LVDT) (Model 2.5 DF, Solartron Metrology, Bognor Regis, UK). Er werden telkens twee LVDTs geplaatst bij de planten uit behandeling R, waarvan één net boven de HB en één bovenaan in de plant (Figuur 2.2 A). De planten uit behandeling B kregen één LVDT bovenaan in de plant (Figuur 2.2 B). De sensoren werden op de plant bevestigd met behulp van roestvrije stalen houders en elastieken (Figuur 2.5). Figuur 2.5: Een LVDT-sensor bovenaan in de plant geplaatst. Een LVDT-sensor is een transformator met drie spoelen: een primaire spoel die centraal gelegen is en twee secundaire buitenspoelen. De spoelen zitten achter elkaar rond een buis. Daarnaast is er nog een staafvormige ferromagnetische kern welke verbonden is met de te meten stengel en langs de as van de buis kan glijden (Figuur 2.6 A). De werking van de LVDT is gebaseerd op het principe van elektromagnetische inductie. Doorheen de primaire spoel wordt een wisselstroom gestuurd. Hierdoor wordt er een magnetisch veld opgewekt wat een elektrische spanning veroorzaakt in beide secundaire spoelen. Wanneer de kern verschuift door het krimpen of zwellen van de stengel, zal de wederzijdse inductie wijzigen, waardoor de spanning in de secundaire spoelen ook zal veranderen. De secundaire spoelen 28

55 zijn in serie geschakeld, maar in tegenfase, waardoor de uitgangsspanning het verschil is tussen de twee secundaire spanningen. Wanneer de kern zich in de centrale positie bevindt, zullen beide spoelen een gelijke, maar tegenovergestelde spanning hebben. Hierdoor is de uitgangsspanning gelijk aan nul (Figuur 2.6 C). Wanneer de kern zich in één richting verplaatst, zal de spanning in de ene spoel stijgen en in de andere dalen, wat de uitgangsspanning doet stijgen tot een maximale waarde. Deze spanning is in fase met de primaire spanning (Figuur 2.6 B). Wanneer de kern zich in de andere richting beweegt, zal de uitgangsspanning ook stijgen tot een maximale waarde, maar zal de spanning in tegenfase zijn met de primaire spanning (Figuur 2.6 D). De grootte van de uitgangsspanning is evenredig met de afstand van de kern tot zijn centrale positie ( linear ) en de fase van de spanning geeft de richting van de verplaatsing weer ( displacement ) (Solartron metrology, 2012). Figuur 2.6: (A) de schematische voorstelling van de LVDT-sensor. (B), (C) en (D) schematische voorstelling van de uitgangsspanning voor drie verschillende posities van de kern (aangepast van macrosensors, 2012) Worteldruk Om gedurende de vier experimenten de worteldruk te meten bij planten uit behandeling O, werd gebruik gemaakt van een drukmeetomvormer (Jumo Midas C08, type , Fulda, Duitsland). Deze werd op de stengel bevestigd door middel van een rubberen buisje. Om een correcte meting te kunnen uitvoeren is het belangrijk dat de aansluiting met de stengel water- en luchtdicht is. Dit werd gerealiseerd door de dag voor het afsnijden, silicone (TEC 7, Novatech N.V., Olen, België) op de stengel te smeren en deze te laten drogen. Hierdoor sluit het buisje beter aan op de stengel. Na het afsnijden van de stengel werd het rubberen buisje over de stengel geschoven en werd opnieuw silicone aangebracht. Om lekken te voorkomen werd ook nog een extra dichting aangebracht met teflontape (PTFE thread seal tape 12 m x 12 mm x 0,075 mm, RS, Northants, UK) (Figuur 2.7). 29

56 Figuur 2.7: Drukmeetomvormer geplaatst op een afgesneden stengel Stengelwaterpotentiaal De stengelwaterpotentiaal werd gemeten met behulp van een drukbom (PMS Instrument Company, Model 1000, Corvallis, OR, USA). Met de drukbom kan op een snelle en efficiënte manier de waterpotentiaal van bladeren en stengels worden bepaald. Om de waterpotentiaal van de stengel te bepalen werd een blad ingepakt in een plastic zakje bedekt met aluminiumfolie (Figuur 2.8 D). Zo wordt de transpiratie stilgelegd en wordt er een evenwicht bereikt tussen blad en stengel. De potentiaalwaarde in het blad is dan gelijk aan de potentiaalwaarde in de stengel. Na één uur wordt het blad afgesneden en in de drukbom geplaatst. Het snijvlak van het blad moet uit de drukbom komen zodat het kan worden geobserveerd (Figuur 2.8). Voor het afsnijden staat de waterkolom in het xyleem onder spanning (negatieve waterpotentiaal) (Figuur 2.8 A). Door het afsnijden wordt de waterkolom verbroken en valt de zuigkracht (negatieve drukpotentiaal, Ψ p ) weg. Hierdoor trekt het water terug in het xyleem (Figuur 2.8 B). Wanneer de druk in de kamer wordt verhoogd, zal er water vanuit de protoplast (opslagweefsel) in de apoplast (xyleem) worden geperst. Hierdoor verschijnt er terug water aan het oppervlak. Vanaf het moment dat het water aan het snijvlak verschijnt, wordt de druk in de kamer niet meer verhoogd en kan de druk worden afgelezen op de manometer. Deze druk is gelijk aan de drukpotentiaal in het xyleem, maar het teken is hierbij omgekeerd. -P gas = Ψ p x (2.11) Uit de vergelijking blijkt dat bij gebruik van een drukbom het niet mogelijk is om de totale stengelwaterpotentiaal te bepalen wegens het ontbreken van de osmotische component (Ψ π ). Wanneer het xyleemsap veel opgeloste stoffen bevat, zal de totale waterpotentiaal lager zijn dan de gemeten drukpotentiaal door de negatieve waarde van de osmotische potentiaal. De concentratie aan opgeloste stoffen in het xyleemsap is echter laag voor de meeste planten, waardoor de metingen toch goede indicaties zijn voor de totale xyleemwaterpotentiaal (Ψ t x ) (Taiz et al., 2010). 30

57 Figuur 2.8: Drukbommethode voor het meten van de stengelwaterpotentiaal. Links de schematische voorstelling van het toestel, (A) de waterkolom onder negatieve spanning, (B) het wegvallen van de zuigkracht, (C) het verschijnen van water aan het oppervlak en (D) een ingepakt blad om de transpiratie stil te leggen (aangepast van Taiz et al., 2010) Data-acquisitie Alle sensoren die tijdens de experimenten werden gebruikt, waren aangesloten op een datalogger (CR1000, Campbell Scientific Inc., Logan, Utah, USA). De outputsignalen van de sensoren werden om de 30 seconden geregistreerd en elke 5 minuten werden gemiddelde waarden berekend. Software (LoggerNet, Campbell Scientific Inc., Logan, Utah, USA) liet toe verbinding te maken met de datalogger en de data te verzamelen. Alle figuren met data afkomstig van de datalogger worden uitgedrukt in zomeruur. 2.4 Simulaties Naast de ecofysiologische metingen zijn ook simulaties van variabelen nodig om de nietdestructieve methode voor de schatting van worteldruk te kunnen ontwikkelen. Deze simulaties gebeurden met een mechanistisch plantmodel dat oorspronkelijk werd ontwikkeld voor bomen (Steppe et al., 2006) en waarvan de principes reeds werden beschreven in paragraaf In dit onderzoek werden in een eerste deel simulaties gemaakt van stengeldiameter (D), totale xyleemwaterpotentiaal ( t x ) en van osmotische ( π o ), hydrostatische ( p o ) en totale ( t o ) potentiaal in het opslagweefsel. Hiervoor werd de gemeten sapstroom (F H2O ) als inputvariabele gebruikt. In het tweede deel werden worteldruk (P r ), t x, π o, p o en t o gesimuleerd waarbij de gemeten stengeldiameter als inputvariabele voor het model werd gebruikt. In het derde deel werd D gesimuleerd waarbij de gemeten F H2O en de gesimuleerde P r uit deel 2 als inputvariabele werd gebruikt. In het laatste deel werd D gesimuleerd vertrekkende van de gemeten F H2O en de gemeten P r van een plant uit behandeling O. In paragraaf werd reeds vastgesteld dat de sapstroom gerelateerd is met t x door het van den Honert concept: (2.12) 31

58 Hierbij is s de waterpotentiaal van het substraat (MPa) en R x de hydraulische weerstand in het xyleem (MPa h g -1 ). De veranderingen in diameter zijn gerelateerd aan de veranderingen in het watergehalte in het opslagweefsel (W o ) welke door het model gesimuleerd worden door een waterpotentiaalgradiënt tussen xyleem en opslagweefsel: (2.13) Hierbij is r de hydraulische weerstand tussen het xyleem en het opslagweefsel (MPa h g -1 ). t o is de som van de osmotische ( π o ) en de hydrostatische ( p o ) potentiaal van het opslagweefsel. π o kan berekend worden via de van t Hoff vergelijking (De schepper et al., 2010). Een verandering in p o wordt bepaald door het watertransport in en uit het opslagweefsel. Daarnaast worden variaties in stengeldiameter bepaald door twee componenten: een elastische component en een plastische component. Wanneer p o kleiner is dan de drempelwaarde waarbij de celwand irreversibel uitzet (Γ) zullen de variaties in stengeldiameter enkel bepaald worden door reversibele krimp of zwel (elastisch). Wanneer p o groter is dan Γ zal ook irreversibele groei (plastisch) de variaties in stengeldiameter bepalen. Wanneer vervolgens de stengel als een cilinder met een vast volume aan inelastisch weefsel wordt beschouwd, kunnen de stengeldiametervariaties gesimuleerd worden: (2.14) Hierbij is L de lengte van het stengelsegment (m) en ρ H2O de dichtheid van water (g m -3 ). Een overzicht van de formules wordt weergegeven in Figuur 2.9 A. In deel 2 worden enkele vergelijkingen van deel 1 hervormd zodat het mogelijk wordt Ψ t x te simuleren aan de hand van de gemeten stengeldiameter (Figuur 2.9 B). P r wordt dan berekend door het verschil tussen Ψ t x gesimuleerd met de sapstroom als input (deel 1) en Ψ t x gesimuleerd met de diameter als input (deel 2). In deel 3 en deel 4 wordt een analoog model gebruikt als in deel 1 mits een aanpassing aan t x. 32 (2.15) De modelontwikkelingen, -simulaties en calibraties werden uitgevoerd met PhytoSim (Phyto-IT BVBA, Mariakerke, België). Dit is software ontwikkeld voor plantmodellering, simulaties en calibraties. Voor de calibratie werd de simplexmethode gebruikt welke oorspronkelijk ontwikkeld werd door Nelder en Mead (1965). Deze methode, beschikbaar in PhytoSim, minimaliseert de sum of squared errors (SSE) tussen de gesimuleerde en de gemeten stengeldiameter. Zo konden de parameters r, ɛ 0, ɸ en S worden geschat. De parameters r en S werden geschat met de eerste metingen van elk experiment en nadien constant gehouden voor de verdere simulatie van dat experiment. Er werd vanuit gegaan dat deze parameters weinig variëren tijdens één experiment. De waarde voor s werd

59 bepaald via een empirische vergelijking waarbij afhankelijk is van de elektrische geleidbaarheid van de voedingsoplossing (van den Sanden et al., 1995): s (2.16) Zo werd s vastgesteld op -0,1 MPa voor alle experimenten. De schatting van de parameter R x is gebaseerd op de meting van t x door middel van de drukbom. t x werd op vier tijdstippen van de dag bepaald bij de referentieplanten en dit minimaal één keer per experiment. Via continue meting van de sapstroom en vergelijking 2.12 werd R x bepaald. Γ kreeg gedurende de verschillende experimenten de waarde 0,3 MPa welke geldt voor kruidachtige planten (Cosgrove, 1986). Ook de sucroseconcentratie in het opslagweefsel (C o ) werd overgenomen vanuit de literatuur en vastgelegd op 0,11 g g -1 (Liu et al., 2007). Figuur 2.9: (A) schema van het model dat gebruikt wordt voor simulaties en calibraties in deel 1, (B) schema van het model dat gebruikt wordt voor simulaties en calibraties in deel 2. De hervormde x vergelijkingen worden aangeduid met een kader. Ψ t = totale xyleemwaterpotentiaal, Ψ s = waterpotentiaal van het substraat, F H2O = sapstroom, R x o = hydraulische weerstand in het xyleem, Ψ π = osmotische potentiaal van het opslagweefsel, R = universele gasconstante, T = temperatuur, M o = gehalte aan osmotische actieve componenten in het opslagweefsel, W o = watergehalte in het opslagweefsel, C o = sucroseconcentratie in het opslagweefsel, MM sucrose = molaire massa van sucrose, Ψ t o = totale waterpotentiaal in het opslagweefsel, Ψ p o = hydrostatische potentiaal van het opslagweefsel, t = tijd, r = hydraulische weerstand tussen het xyleem en het opslagweefsel, S = constante suikerstatus van het opslagweefsel, D = stengeldiameter, ρ H2O = dichtheid van water, L = lengte van de stengelsegment, ε = bulk elastic modulus, ε 0 = proportionele constante, φ = uitrekbaarheid van de celwand, Γ = drempelwaarde van de drukwaterpotentiaal waarbij de celwand irreversibel uitzet en P r = worteldruk (aangepast van De Swaef, 2011). 33

60 2.5 Factoren die de grootte van de worteldruk beïnvloeden Voor de nachten waarbij worteldruk werd gesimuleerd voor de plant uit behandeling R, werd het verband tussen de grootte van de worteldruk en de klimaatscondities onderzocht. Voor de grootte van de worteldruk werd een 6-uursgemiddelde (2-8 h) berekend. De factoren die werden onderzocht, zijn weergegeven in Tabel 2.3. Het verband werd onderzocht door middel van de Pearson product-momentcorrelatie en de bijhorende p- waarde. De waarde van de correlatiecoëfficiënt is een maat voor de sterkte van de lineaire samenhang tussen de klimaatsfactor en de grootte van de worteldruk. De p-waarde geeft aan of het verband al dan niet significant is. p-waarden kleiner dan 0,05 wijzen op een significant verband. De correlaties werden uitgevoerd in SigmaPlot (Systat Software inc., Chicago, USA) Tabel 2.3: Factoren die de grootte van de worteldruk kunnen beïnvloeden. Klimaatsfactor Waarde Tijdens de nacht RV VPD T s T Tijdens de dag ervoor T s T VPD PAR Som van het aantal uren waarbij RV > 95% tussen 24-8 h Som van het aantal uren waarbij VPD < 0,120 kpa tussen 24-8 h Minimale waarde tussen 2-8 h Gemiddelde waarde tussen 2-8 h Maximale waarde tussen 2-8 h Minimale waarde tussen 2-8 h Gemiddelde waarde tussen 2-8 h Maximale waarde tussen 2-8 h Minimale waarde tussen h Gemiddelde waarde tussen h Maximale waarde tussen h Minimale waarde tussen h Gemiddelde waarde tussen h Maximale waarde tussen h Minimale waarde tussen h Gemiddelde waarde tussen h Maximale waarde tussen h Som van de PAR-straling van h 34

61 Hoofdstuk 3 Resultaten en discussie 3.1 Relatie tussen microklimaat en plantgedrag Wanneer het substraat voldoende water bevat, wordt de waterstroming in de plant bepaald door het microklimaat. Figuur 3.1 toont het verloop van de sapstroom en de stengeldiameter van twee planten uit behandeling R voor vier opeenvolgende dagen (DOY 25-29) in respons op het microklimaat. Figuur 3.1 E en F illustreren het inverse patroon tussen F H2O en D zoals werd beschreven in paragraaf Bij transpirerende planten vertoont de diameter een typisch dagelijks patroon met maximumwaarden voor zonsopgang en minimumwaarden in de namiddag. Doordat de wateropname via de wortels naijlt op de transpiratie, zal de plant in de ochtend interne waterreserves aanspreken om aan de atmosferische vraag naar water te voldoen, wat resulteert in een krimp van de stengel. In de avond en de nacht, wanneer de transpiratie afneemt, gebeurt het omgekeerde zodat het opslagweefsel kan rehydrateren, wat de oorzaak is van het opnieuw zwellen van de stengel. Wanneer er dan voldoende turgordruk wordt opgebouwd, kan ook irreversibele groei optreden, die eveneens bijdraagt aan de toename van de stengeldiameter. Figuur 3.1 A, B, C en D geven het overeenkomstige microklimaat (respectievelijk PAR, RV, T en VPD) weer. De lage waarden van PAR kunnen worden verklaard doordat de sensor voor een andere, gelijktijdige proef tussen het gewas stond in plaats van erboven. Door de schaduw van de bladeren op de sensor zijn de gemeten waarden lager dan de PAR-straling boven het gewas. Het patroon van de sapstroom en daardoor ook het patroon van de stengeldiameter wordt sterk bepaald door het microklimaat. Een verhoging in T, PAR en VPD gaat typisch gepaard met een verhoging in F H2O en een krimp in D (pijl 1 Figuur 3.1). Wanneer echter T, PAR en VPD dalen, kan het omgekeerde worden vastgesteld (pijl 2 Figuur 3.1). Verder valt op dat het patroon van F H2O bijna identiek is aan het patroon van PAR en VPD, wat overeenstemt met waarnemingen in andere studies (Gallardo et al., 2006; De Swaef et al., 2010). Daarnaast vertoont het verloop van de RV ook sterke overeenkomsten met het patroon van D. Er is een duidelijk verschil in RV tussen de eerste twee en de laatste twee nachten. Tijdens de eerste twee nachten bereikt de RV bijna 100% door het aanschakelen van twee luchtbevochtigers. Deze werden uitgeschakeld tijdens de twee laatste nachten. De hoge RV resulteert dan ook rechtstreeks in een laag nachtelijk VPD (Figuur 3.1 B en D) aangezien de nachttemperatuur over de vier dagen heen constant werd gehouden. Het effect van de verschillen in RV is ook duidelijk op te merken in het patroon van F H2O en D (Figuur E en F). Tijdens de eerste twee nachten vertoont D vanaf middernacht een versterkte toename voor beide referentieplanten, terwijl tijdens de laatste twee nachten D eerder een lineaire groei gedurende de hele nacht vertoont. Deze versterkte toename in D bij hoge RV kan het gevolg zijn van worteldruk, die onder deze klimaatomstandigheden versterkt optreedt. Immers door het lage VPD, zal de transpiratie te 35

62 verwaarlozen zijn en kan onder invloed van worteldruk het xyleemwater opwaarts in de plant geduwd worden. Hierdoor zal ook water stromen naar het omringend opslagweefsel, wat resulteert in een toename van de diameter van de stengel. Er kan worden verwacht dat de toename in diameter, veroorzaakt door worteldruk, dan op te merken is in het verloop van de sapstroom. Echter, zowel referentieplant 1 en 2 vertonen tijdens de eerste twee nachten nagenoeg geen sapstroom (Figuur 3.1 E en F). Wanneer de hoeveelheid water, die nodig is om de stijging in D te realiseren wordt berekend, resulteert dit voor een 2,5 m lange plant tijdens de eerste nacht voor referentieplant 1 in ongeveer 0,86 g en voor plant 2 in ongeveer 1 g. Dit stemt overeen met een gemiddelde sapstroom van 123 mg h -1 voor plant 1 en 143 mg h -1 voor plant 2 gedurende zeven uur. Dit is ongeveer 800 keer kleiner dan de sapstroomsnelheden van overdag. De gevoeligheid van de HB-sensoren gebruikt tijdens de experimenten laten echter niet toe deze lage sapstromen te detecteren. De verticale lijnen in Figuur 3.1 E en F duiden de tijdstippen van irrigatie aan. In deze proef werd geen effect op F H2O en D opgemerkt ten gevolge van irrigatie. Dit wijst erop dat er voldoende water beschikbaar was voor de plant. Bij hoge transpiratie (en dus ook hoge F H2O ) kan er droogtestress ontstaan, wanneer er onvoldoende water beschikbaar is in het substraat. Bij een volgende irrigatiebeurt kan dan een piek in F H2O en een toename in D plaatsvinden door het terug aanvullen van het opslagweefsel (De Swaef et al., 2010). 36

63 Figuur 3.1: Fotosynthetisch actieve straling (PAR; A), relatieve vochtigheid (RV; B), luchttemperatuur (T; C), dampdrukdeficit (VPD; D), stengeldiameter (D) en sapstroom (F H2O ) van plant 1 (E) en plant 2 (F) uit behandeling R voor vier opeenvolgende dagen (DOY 25-29).

64 3.2 Het gemeten patroon van worteldruk bij behandeling O Het verloop Gedurende de drie experimenten met tomaat zijn er in totaal 22 worteldrukmetingen (behandeling O) uitgevoerd, waarvan 20 succesvol. De overige twee mislukten door een slechte aansluiting op de stengel, waardoor er lekken optraden en de drukmeting foute waarden aangaf. Al deze metingen vertonen gelijkaardige patronen zoals het verloop weergegeven in Figuur 3.2. Vanaf het moment dat de drukmeetomvormer op de stengel is bevestigd, begint de druk onmiddellijk te stijgen, ongeacht het tijdstip van afsnijden. Na enkele uren (3 tot 15 h) stabiliseert het systeem en volgt de worteldruk een dagelijks patroon. Het verloop wordt gekenmerkt door maximumwaarden in de namiddag (± 16 h) en minimumwaarden in de ochtend (± 8 h). Dit verloop houdt meerdere dagen stand, maar in vele gevallen werd een dalende trend waargenomen vanaf de vierde dag na afsnijden. Worteldruk ontstaat immers door de actieve opname van ionen, waarvoor ATP is vereist. Door het wegvallen van de fotosynthese, verdwijnt de voornaamste bron van ATP, zodat de reserves snel uitgeput zijn en de worteldruk zal dalen (Henzler et al., 1999). De waarden van de gemeten worteldruk lagen voor de 20 metingen in dezelfde grootteorde. Er werd voor elke meting een 24-uursgemiddelde berekend van de worteldruk vanaf het moment waarop het systeem tot evenwicht was gekomen. De gemiddelde worteldruk die werd gemeten over deze 20 succesvolle metingen bedroeg 0,03730 ± 0,00420 MPa. De range waarin werd gemeten, ging van 0 tot 0,10630 MPa. In het verleden werden reeds gelijkaardige patronen en waarden gemeten voor worteldruk bij kruidachtige planten (Helianthus, Grossenbacher, 1938; Lotus japonicus, Henzler et al., 1999; Celastrus orbiculatus en Vitis riparia, Tibbetts et al., 2000; Cucumis sativus L., Lee et al., 2002). Verder is er op te merken dat het verloop van de worteldruk eerder het patroon van de substraattemperatuur volgt dan het verloop van de luchttemperatuur (respectievelijk T s en T in Figuur 3.2). Het valt op dat de dagelijkse maxima van de worteldruk overeenkomen met de dagelijkse maxima van de substraattemperatuur, terwijl de luchttemperatuur op die tijdstippen al aan het dalen was. Dit kan verklaard worden doordat worteldruk ontstaat door de actieve opname van ionen in het wortelxyleem. Deze actieve opname wordt beïnvloed door de substraattemperatuur (Ahn et al., 2000; Lee et al., 2004b; Lee et al., 2005b). Daarnaast zorgen aquaporines ervoor dat symplastisch watertransport mogelijk is. Ook de activiteit en de vorming van deze aquaporines wordt beïnvloed door de substraattemperatuur (Lee et al., 2004a; Aroca et al., 2005). Bij een temperatuurstoename wordt de actieve opname van ionen gestimuleerd en wordt de activiteit van de aquaporines verhoogd, zodat de worteldruk zal stijgen. Bij een temperatuursafname geldt het omgekeerde. Mits de actieve opname van ionen en de aquaporines zich situeren in de wortels, is het logisch dat het verloop van de worteldruk het verloop van de substraattemperatuur volgt en niet dat van de luchttemperatuur. 38

65 Figuur 3.2: Het verloop van de worteldruk (P r ) gemeten bij behandeling O, luchttemperatuur (T) en substraattemperatuur (T s ) voor een periode van 164 h (DOY 51-58). De drukmeetomvormer werd om 18 h op de stengel bevestigd Het effect van een temperatuursdaling in het substraat Om te bewijzen dat worteldruk wel degelijk beïnvloed wordt door de substraattemperatuur, werd er meermaals een proef uitgevoerd waarbij gedurende 50 minuten de steenwolmat van één plant uit behandeling O ingebed werd in ijs. Bij de andere plant uit behandeling O werd het substraat niet in ijs ingebed om het patroon van de worteldruk tussen beide planten te kunnen vergelijken. Deze proef werd in totaal zeven keer herhaald bij tomaat. Bij al deze proeven werden gelijkaardige resultaten verkregen zoals weergegeven in Figuur 3.3. De tijdstippen waarop het ijs werd aangebracht, worden aangeduid met pijlen. De eerste keer (38,5-39,35 h) werd er ijs aangebracht bij plant 1 en de tweede keer (86,75-87,6 h) bij plant 2. In beide gevallen daalt de worteldruk wanneer ijs werd aangebracht, terwijl de worteldruk van de andere plant uit behandeling O het dagelijks patroon verder zet. Nadat het ijs is verwijderd, stijgt de substraattemperatuur langzamerhand en stabiliseert de daling in worteldruk, totdat het oorspronkelijk patroon opnieuw hervat. In de meeste gevallen kon de worteldruk zich niet meer herstellen tot zijn oorspronkelijke grootte. Verder is in de figuur een verschil in substraattemperatuur bij de twee planten op te merken, dat kan verklaard worden doordat het slechts om puntmetingen gaat. Desalniettemin volgt de substraattemperatuur in beide matten hetzelfde patroon, ondanks het kleine verschil in absolute waarde. In het verleden zijn al meerdere onderzoeken uitgevoerd naar het effect van een temperatuursdaling in het wortelmedium op de waterrelaties van de plant (Kramer et al., 1940; Ahn et al., 2000; Lee et al., 2002; Bloom et al., 2004). Lee et al. (2002) toonde aan dat de worteldruk bij komkommer daalde ten gevolge van een temperatuursdaling in het wortelmedium. Verschillende effecten kunnen hierbij een rol spelen. Vooreerst wordt water meer visceus bij lagere temperatuur, waardoor het minder snel geabsorbeerd kan worden door de wortels en trager doorheen de wortelcellen beweegt (Kramer, 1934). Ook de permeabiliteit van de membranen daalt bij lagere temperatuur (Kramer, 1940). Deze effecten zijn echter niet voldoende om de daling in worteldruk en de 39

66 daling in hydraulische geleidbaarheid van de wortels te verklaren (Bloom et al., 2004; Lee et al., 2004a; Lee et al., 2004b; Lee et al., 2005b; Steppe et al., 2012). Uit verschillende onderzoeken (Ahn et al., 2000; Lee et al., 2004b; Lee et al., 2005a; Lee et al., 2005b) blijkt dat ook de activiteit van het H + -ATPase en de activiteit van de aquaporines daalt wanneer de temperatuur in het wortelmedium daalt. Dit H + -ATPase creëert een elektrochemische gradiënt over het plasmamembraan welke nodig is voor de opname van ionen. Deze actieve ionenopname veroorzaakt dan een osmotische waterstroom, waardoor er een positieve hydrostatische druk wordt opgebouwd in het xyleem. Wanneer de activiteit van dit H + - ATPase daalt, zullen er minder ionen worden opgenomen, resulterend in een kleinere osmotische waterstroom, waardoor de worteldruk zal dalen. Daar bovenop zal de osmotische waterstroom bemoeilijkt worden door de verlaagde activiteit en het sluiten van de aquaporines bij lagere temperatuur, wat een bijkomend negatief effect heeft op de worteldruk (Lee et al., 2004b; Aroca et al., 2005). De verlaagde activiteit van het H + -ATPase en de aquaporines is te verklaren door verschillende effecten. Enerzijds is er het directe effect waarbij de verlaagde temperatuur een verandering teweeg brengt in de tertiaire structuur van de aquaporines en het H + - ATPase, waardoor hun activiteit daalt (Lee et al., 2004a; Lee et al., 2005b). Anderzijds wordt door de verhoogde concentratie aan zuurstofradicalen (waterstofperoxide, superoxiden en hydroxylradicalen) bij lagere temperatuur de functie van het H + -ATPase en de aquaporines aangetast (Lee et al., 2004a). Onder normale omstandigheden worden deze zuurstofradicalen afgebroken door specifieke enzymen (superoxide dismutase, peroxidase en katalase), echter bij lagere worteltemperatuur verlaagt de activiteit van deze enzymen waardoor de concentratie aan zuurstofradicalen stijgt, zodat de activiteit van de aquaporines en het H + -ATPase daalt. Daarnaast zal, wanneer de activiteit van de H + -ATPase daalt, ook de ph in het cytoplasma dalen, wat een bijkomend negatief effect heeft op de activiteit van de aquaporines (Lee et al., 2004a; Aroca et al., 2005). Het valt op dat de worteldruk na de temperatuursdaling zich vaak niet kan herstellen tot zijn oorspronkelijke grootte. Er wordt daarom verondersteld dat er irreversibele schade kan optreden aan de structuur en de functie van H + -ATPasen en aquaporines ten gevolge van een grote temperatuursdaling in het wortelmedium (Lee et al., 2004a; Aroca et al., 2005). Verder onderzoek kan meer duidelijkheid brengen over de invloed van aquaporines op de worteldruk. Een suggestie hierbij is een experiment waarbij er een aquaporineblokker zoals HgCl 2 of cycloheximide (CHX) gebruikt wordt. Het kwikchloride reageert met de thiolgroep van het eiwit, zodat het kanaal wordt gesloten en geen water meer doorlaat (Wan et al., 1999; Chaumont et al., 2005). CHX remt de biosynthese van het eiwit, waardoor het aantal en de activiteit van de aquaporines daalt (Cochard et al., 2007; Steppe et al., 2012). Om de invloed van de aquaporines te bepalen moet het verschil in worteldruk worden opgevolgd van een plant uit behandeling O behandeld met aquaporineblokker en een plant uit behandeling O zonder aquaporineblokker. Ook kan voor beide stengels het effect van een temperatuursdaling in het wortelmedium worden opgevolgd. Tegelijkertijd zou de activiteit van het H + -ATPase kunnen geanalyseerd worden. 40

67 Figuur 3.3: Substraattemperatuur (T s ; A) van plant 1 en 2 uit behandeling O en overeenkomstige worteldruk (P r ; B) van plant 1 en 2 voor zeven opeenvolgende dagen (DOY 31-37). De pijlen duiden de tijdstippen aan waarop de steenwolmat werd ingebed in ijs. 3.3 Vergelijking tussen verschillende behandelingen Diametervariaties Figuren 3.4 D, E en F tonen de verschillen in de patronen van de stengeldiametervariaties tussen de drie behandelingen (O, B en R) als respons op het microklimaat (RV en VPD Figuur 3.4 A en PAR en T Figuur 3.4 B). De planten uit behandeling O en B werden afgesneden om 18 h. Vanaf 24 h werden stabiele patronen verkregen. Het verloop van de diameter van de plant uit behandeling O vertoont de meeste afwijkingen in vergelijking met de andere twee behandelingen met maximumwaarden in de namiddag (± 16 h), op het warmste moment van de dag (Figuur 3.4 A) en minimumwaarden tijdens de nacht (0-7 h), op het koudste moment van de dag. Het stengeldiameterverloop van behandeling R en B vertoont net het omgekeerde: maximumwaarden tijdens de ochtend (± 7 h) en minimumwaarden in de namiddag (± 16 h). Ondanks de gelijkenissen tussen behandeling R en B zijn er ook verschillen op te merken tussen deze twee behandelingen. Vooreerst verschillen deze behandelingen in dagelijkse krimp (verschil tussen de maximum diameter voor zonsopgang en de minimum diameter in de namiddag). Behandeling B heeft voor de drie opeenvolgende dagen na afsnijden een gemiddelde maximum dagelijkse krimp (MDS) van 0,394 ± 0,109 mm terwijl behandeling R voor dezelfde dagen slechts een gemiddelde MDS heeft van 0,023 ± 0,003 mm. Daarnaast verschillen de behandelingen ook in dagelijkse stengelgroei (verschil tussen de maxima van twee opeenvolgende dagen). Behandeling R heeft een gemiddelde groei van 0,035 ± 0,014 mm dag -1 terwijl behandeling B eerst een negatieve groei heeft van 0,133 mm dag -1 en daarna een stagnerend verloop. 41

68 De verschillen in diameterpatronen voor de verschillende behandelingen is te verklaren door de nog aanwezige mechanismen die het watertransport bepalen. Het watertransport in een plant uit behandeling O wordt enkel gedreven door de worteldruk. Immers de zuigkracht is weggevallen doordat er geen transpiratie meer optreedt. Hierdoor zal het verloop van de diameter afwijken van het verloop van een plant uit behandeling R. Doordat de worteldruk het grootst is in de namiddag door de verhoogde substraattemperatuur (Figuur 3.3), is het logisch dat op deze tijdstippen de diameter het grootst is. De worteldruk verhoogt de totale xyleemwaterpotentiaal zodat er water naar het opslagweefsel stroomt en de diameter toeneemt. Het verschil in diameterpatroon tussen behandeling R en B is te verklaren door het feit dat de plant uit behandeling B geen wortels meer heeft. Deze planten hebben een kleiner oppervlak (enkel stengeldoorsnede) om water op te nemen, wat de wateropname bemoeilijkt. Daarnaast beschikken ze ook niet meer over de lijst van Caspary, zodat water enkel nog passief (hydrostatische potentiaalgradiënt tussen voedingsoplossing en xyleem) en niet meer via osmose kan worden opgenomen. Planten die droogtestress ervaren, vertonen een grotere dagelijkse krimp en een kleinere stengelgroei in vergelijking met planten die wel voldoende water kunnen opnemen (Klepper et al., 1973; Gallardo et al., 2006; De Swaef et al., 2009). Deze planten kunnen tijdens de nacht hun opslagweefsel niet volledig heraanvullen, zodat de turgordruk niet volledig hersteld wordt en de diameter vaak niet de maximumwaarde bereikt van de dag ervoor (cfr. negatieve groei vastgesteld bij plant uit behandeling B). Door het wegsnijden van de wortels konden deze planten slechts een kleinere hoeveelheid water opnemen. Dit bleek ook uit de resultaten van de sapstroom bij de planten uit behandeling B. 42

69 Figuur 3.4: Relatieve vochtigheid (RV; A), dampdrukdeficit (VPD; A), fotosynthetisch actieve straling (PAR; B), luchttemperatuur (T; B), sapstroom van de plant uit behandeling R (F H2O ; C), stengeldiameter van de plant uit behandeling O (D; D), stengeldiameter van de plant uit behandeling B (D; E) en stengeldiameter van de plant uit behandeling R (D; F) voor drie opeenvolgende dagen (DOY ). De plant uit behandeling O en B werd afgesneden om 18 h. 43

70 3.3.2 Invloed van klimaatscondities op de ontwikkeling van worteldruk Het verloop van de stengeldiameter wordt sterk bepaald door de klimaatscondities in de serre. Om het verschil in stengeldiameterverloop tussen de behandelingen bij verschillende relatieve vochtigheden te onderzoeken, werd er een proef opgesteld waarbij tijdens de eerste twee nachten extra werd bevochtigd met luchtbevochtigers om de RV hoog te houden, gevolgd door twee nachten waarbij de luchtbevochtigers werden uitgeschakeld. Figuur 3.5 toont het verloop van de stengeldiameter van een plant uit behandeling R (Figuur 3.5 D) en van een plant uit behandeling B (Figuur 3.5 E) voor vijf opeenvolgende dagen (DOY 45-49). De plant voor behandeling O en B werd om 10,75 h afgesneden. Figuur 3.5 A en B tonen het overeenstemmende microklimaat met in Figuur A de relatieve vochtigheid en het dampdrukdeficit en Figuur B de fotosynthetisch actieve straling en de luchttemperatuur. Figuur 3.5 C toont tenslotte de sapstroom van de plant uit behandeling R. Het valt op dat wanneer de luchtvochtigheid stijgt naar 100%, de diameter van de plant uit behandeling R een versnelde toename vertoont (Figuur 3.5 D). Deze versnelde diametertoename is echter niet waar te nemen bij de plant uit behandeling B. De snellere toename in diameter bij behandeling R houdt tevens langer stand tijdens de tweede nacht. In het microklimaat kan worden gezien dat de relatieve vochtigheid tijdens deze nacht sneller stijgt naar 100% en deze hoge waarden langer worden aangehouden. Gedurende de twee laatste nachten stijgt de relatieve vochtigheid tot maximum 80% en wordt er geen versnelde toename van de stengeldiameter waargenomen. De diameter van de plant uit behandeling R vertoont dan enkel een lineaire groei, terwijl die van de plant uit behandeling B zelfs een negatieve groei (verschil tussen maximum diameter op twee opeenvolgende dagen) heeft tijdens de twee laatste nachten. De nachtelijke sapstroom van de plant uit behandeling R vertoont lagere gemiddelde waarden (1,767 ± 0,016 g h -1 ) tijdens de eerste twee nachten wanneer de relatieve vochtigheid 100% bereikt en het VPD ongeveer 0 kpa bedraagt, tegenover een gemiddelde sapstroom van 3,951 ± 0,019 g h -1 tijdens de laatste twee nachten, wanneer de relatieve vochtigheid lager en het VPD bijgevolg hoger is (Figuur 3.5 A en C). Gedurende de drie experimenten van tomaat werden in totaal 12 nachten met een snellere stijging in diameter waargenomen bij de planten uit behandeling R. In alle situaties werd er een relatieve vochtigheid vastgesteld van minimum 95%. Uit deze resultaten bleek ook dat wanneer deze hoge vochtigheid minder dan twee uur standhoudt, er geen stijging in diameter wordt waargenomen. De hoge vochtigheid moet dus voldoende lang aanhouden, zodat de worteldruk zich kan opbouwen en merkbaar is in het diameterverloop. Uit de experimenten blijkt dat een hoge relatieve vochtigheid niet automatisch een stijging in stengeldiameter impliceert. Gedurende de drie experimenten waren er nog zeven nachten waar er gedurende een voldoende lange tijd zulke hoge vochtigheden werden bereikt, maar toch geen versnelde diametertoename werd waargenomen. Tijdens deze nachten viel het op 44

71 dat de buisverwarming geregeld aansprong om de minimum nachtelijke temperatuur in de serre te handhaven. Deze veranderingen in temperatuur hebben echter een rechtstreeks effect op het VPD in de serre (vergelijkingen ): wanneer de buisverwarming opspringt, stijgt het VPD. Deze stijging in het VPD beïnvloedt op zijn beurt de sapstroom, waarin een lichte stijging kon worden vastgesteld. Het VPD wordt immers vaak als één van de belangrijkste drijvende krachten voor de sapstroom beschouwd (Gallardo et al., 2006; De Swaef et al., 2010). Door deze kleine transpiratie wordt de worteldruk teniet gedaan, waardoor er geen effect van worteldruk op de stengeldiameter kon worden vastgesteld. Wanneer de lucht reeds verzadigd is (100%) en door de luchtbevochtigers continu vocht in de lucht wordt gebracht, zal een stijging in temperatuur weinig tot geen effect hebben op het VPD doordat de lucht verzadigd is. Zo is er in Figuur 3.1 C ook een stijging van de luchttemperatuur op te merken rond 52 h, deze stijging heeft echter geen effect op het VPD (Figuur 3.1 D) doordat de lucht volledig verzadigd is (Figuur 3.1 B). Ook in de sapstroom werd geen stijging waargenomen in respons op de temperatuurstoename waardoor de worteldruk, en daardoor ook de stijging in diameter, stand hield (Figuur 3.1 E en F). Maar ook het VPD kan niet altijd uitsluitsel geven over het al dan niet aanwezig zijn van een versnelde stijging in diameter (onder invloed van het optreden van worteldruk). In drie van deze zeven nachten werd er geen stijging in het VPD waargenomen, maar wel een stijging in sapstroom. Hoewel dus uit het VPD bleek dat de lucht verzadigd was (VPD 0 kpa), kon toch een zekere sapstroom worden vastgesteld. Dit kan het gevolg zijn van de plaatsing van de sensoren. De sensor voor de relatieve vochtigheid en de luchttemperatuur staan boven het gewas terwijl de sapstroomsensor onder het eerste blad is bevestigd. Het onderste deel van de planten bevindt zich dichter bij de verwarmingsbuizen. Het zou daardoor kunnen dat de luchttemperatuur in de omgeving van de onderste bladeren sneller stijgt bij het opspringen van de buisverwarming dan dat gemeten wordt boven het gewas. Hierdoor kunnen deze bladeren toch transpireren, waardoor de gemeten sapstroom toeneemt, terwijl er geen veranderingen in het VPD werden waargenomen. Daarom is het ook nuttig om naast het verloop van het VPD, welk berekend wordt door twee puntmetingen, ook het verloop van de sapstroom op te volgen om een stijging in diameter te detecteren. De sapstroom is immers een geïntegreerde meting van de reacties van de plant op de omgevingscondities en dus ook op de verticale variabiliteit van het kasklimaat. De versterkte toename in stengeldiameter bij de plant uit behandeling R (Figuur 3.5 D), die optreedt bij hoge RV, kan het gevolg zijn van worteldruk, die onder deze klimaatsomstandigheden versterkt optreedt. Lövdahl et al. (1992), die stengeldiametervariaties onderzochten op drie tot zes jaar oude sparren, beweren echter dat de variaties in diameter veroorzaakt worden door de exogene hygroscopische zwel en krimp van het stengeloppervlak. Het buitenste dode deel van de bast is onder normale omstandigheden onverzadigd terwijl het binnenste deel verzadigd is. Zo ontstaat er een gradiënt in vochtgehalte tussen het binnenste en het buitenste deel van de bast. Wanneer de RV stijgt, neemt het buitenste deel water op vanuit de lucht, zodat er een evenwicht 45

72 wordt bereikt tussen het vochtgehalte van de bast en de omgeving. Bijgevolg zwelt de stengel bij stijgende RV. Lövdahl et al. (1992) stelden tevens vast dat de toename in stengeldiameter groter was bij hoge RV dan bij lagere RV. Deze hypothese werd echter tegengesproken door Herzog et al. (1995) die stengeldiametervariaties onderzochten bij 220 jaar oude sparren. Ze toonden aan dat het stengeloppervlak bij oudere sparren behoorlijk hydrofoob was, zodat de diametervariaties niet volledig kunnen worden toegeschreven aan hygroscopische zwel en krimp van het oppervlak, maar dat de veranderingen in diameter vooral endogeen gedreven worden door het verschil in waterpotentiaal tussen het xyleem en het opslagweefsel. Ook onze resultaten sluiten hierbij aan en weerleggen de hypotheses van Lövdahl et al. (1992). Enerzijds kan de grote toename in diameter van een plant uit behandeling R als gevolg van een kleine toename in RV (bij hoge RV) niet verklaard worden door de relatie tussen de veranderingen in diameter en de RV zoals werd beschreven door Lövdahl et al. (1992). Daarbij aansluitend werd er bij zeven nachten een verhoogde RV waargenomen maar geen toename in diameter, zodat ook deze waarnemingen niet verklaard kunnen worden door de relatie tussen de veranderingen in diameter en de RV zoals werd beschreven door Lövdahl et al. (1992). Anderzijds wordt er verwacht wanneer de toename in stengeldiameter verklaard wordt door hygroscopische zwel van het stengeloppervlak bij toenemende RV, dat de diameter van de plant uit behandeling B hetzelfde verloop vertoont als de plant uit behandeling R. Uit de resultaten is echter duidelijk gebleken dat het diameterverloop van planten uit behandeling B geen sterkere stijging vertoont wanneer de RV stijgt tot 100% (Figuur 3.5 E). Dit alles wijst er op dat de versnelde toename in stengeldiameter bij planten uit behandeling R niet enkel verklaard kan worden door exogene hygro-expansie, maar dat vooral het endogene verschil in waterpotentiaal tussen het xyleem en het opslagweefsel de drijvende kracht is. Uit onze resultaten blijkt ook duidelijk dat de versnelde toename in diameter bij de planten uit behandeling R veroorzaakt wordt door een mechanisme in de wortels, daar de stengeldiameter van de planten uit behandeling B zonder wortels dit verloop nooit hebben vertoond. Figuur 3.5 toont deze vergelijking tussen planten uit behandeling R en B voor één experiment, echter, vergelijkbare resultaten werden in alle experimenten verkregen. Er kan dus verondersteld worden dat de versnelde toename in diameter veroorzaakt wordt door worteldruk. Het is een mechanisme dat versterkt optreedt wanneer de transpiratie wegvalt (hoge RV), veroorzaakt wordt door de wortels en een verschil in waterpotentiaal tussen xyleem en opslagweefsel tot gevolg heeft. 46

73 Figuur 3.5: Relatieve vochtigheid (RV; A), dampdrukdeficit (VPD; A), fotosynthetisch actieve straling (PAR; B), luchttemperatuur (T; B), sapstroom van de plant uit behandeling R (F H2O ; C), stengeldiameter van de plant uit behandeling R (D; D) en stengeldiameter van de plant uit behandeling B (D; E) voor vijf opeenvolgende dagen (DOY 45-49). De plant uit behandeling B werd afgesneden om 10,75 h. 47

74 3.4 Modeltoepassing en simulaties van worteldruk Om aan te tonen of de nachtelijke versnelde toename in diameter bij planten uit behandeling R een indicatie is voor worteldruk, zijn simulaties en metingen van worteldruk noodzakelijk Deel 1: sapstroom als inputvariabele Om de worteldruk te simuleren, werd er gebruik gemaakt van het mechanistisch plantmodel zoals werd beschreven in paragraaf 2.4. Via de vergelijkingen van deel 1 (Figuur 2.9 A) werd de totale xyleemwaterpotentiaal (Figuur 3.6 C en D) en de stengeldiameter (Figuur 3.6 E en F) gesimuleerd van twee verschillende planten uit behandeling R op twee verschillende tijdstippen (plant 1: DOY en plant 2: DOY 45-49). Voor deze simulaties werd de gemeten sapstroom (Figuur 3.6 A en B) als inputvariabele gebruikt. De parameters die gebruikt werden voor deze simulaties, worden weergegeven in Tabel 3.1. ε 0 en φ werden voor beide planten gecalibreerd voor een periode van twee dagen startend vanaf 60 h. Er werd hierbij verondersteld dat vanaf 60 h het watertransport enkel gedreven was door de cohesietheorie. Alle parameterwaarden liggen in de grootteordes met wat voorheen in de literatuur werd gevonden (De Swaef, 2011). De gesimuleerde diameter stemt overdag goed overeen met de gemeten diameter, maar voor zowel plant 1 als plant 2 vertoont de gesimuleerde diameter een groot verschil met de gemeten diameter tijdens de nacht van 24 h tot 32 h en van 48 h tot 56 h. Tijdens de nachten met lage relatieve vochtigheid verloopt het gemeten en gesimuleerde diameterpatroon praktisch gelijk. De snellere stijging in de gemeten stengeldiameter tijdens de nachten met hoge relatieve vochtigheid kan het gevolg zijn van worteldruk. Aangezien het model in deel 1 enkel gebaseerd is op de cohesietheorie en geen andere effecten, zoals worteldruk, in rekening brengt die invloed hebben op Ψ x t, zijn afwijkingen tussen de gemeten en de gesimuleerde diameter niet uit te sluiten. Immers, onder omstandigheden x x van lage transpiratie kan worteldruk een hogere Ψ t veroorzaken. Een stijging in Ψ t resulteert dan in watertransport van het xyleem naar het opslagweefsel, wat een versterkte diametertoename tot gevolg heeft (De Swaef, 2011). Tabel 3.1: Waarden van de modelparameters voor plant 1 en 2. Parameter Plant 1 Plant 2 Waardebepaling R x (MPa h g -1 ) 0,0025 0,0025 Drukbommeting Ψ s (MPa) -0,1-0,1 van de Sanden et al. (1995) r (MPa h g -1 ) 0,5 0,5 Initiële calibratie ε 0 (m -1 ) 642, Modelcalibratie φ (MPa -1 h -1 ) 0, , Modelcalibratie S (g h -1 ) 0, , Initiële calibratie Γ (Mpa) 0,3 0,3 Cosgrove (1986) C o (g g -1 ) 0,11 0,11 Liu et al. (2007) 48

75 Figuur 3.6: Gemeten sapstroom (F H2O ) van plant 1 (A) en plant 2 (B), gesimuleerde xyleemwaterpotentiaal (Ψ t x ) van plant 1 (C) en plant 2 (D) en gesimuleerde en gemeten stengeldiameter (D) van plant 1 (E) en plant 2 (F). Metingen werden uitgevoerd voor plant 1 op DOY en voor plant 2 op DOY Deel 2: gemeten stengeldiameter als inputvariabele Om naast transpiratie ook andere mechanismen, die invloed hebben op Ψ t x, in rekening te brengen, werd in deel 2 Ψ t x (Figuur 3.7 C en D) gesimuleerd aan de hand van de gemeten diameter (Figuur 3.7 A en B). Het valt op dat Ψ t x, gesimuleerd in deel 2, een stijging vertoont in vergelijking met Ψ t x gesimuleerd in deel 1 gedurende de twee nachten wanneer er worteldruk wordt verwacht. Het verschil tussen deze nachtelijke Ψ t x gesimuleerd in deel 1 en deel 2 resulteert in een positieve drukcomponent welke toegewezen kan worden aan worteldruk (Figuur 3.7 E en F). De verschillen die tijdens de dag optreden tussen Ψ t x gesimuleerd in deel 1 en deel 2 zijn klein en werden uitgefilterd. 49

76 Figuur 3.7: Gemeten stengeldiameter (D) van plant 1 (A) en plant 2 (B), gesimuleerde xyleemwaterpotentiaal (Ψ t x ) via deel 1 (sapstroom als inputvariabele) en via deel 2 (stengeldiameter als inputvariabele) voor plant 1 (C) en plant 2 (D) en gesimuleerde worteldruk (P r ) voor plant 1 (E) en voor plant 2 (F) Deel 3: sapstroom en gesimuleerde worteldruk als inputvariabele In deel 3 werd de gesimuleerde worteldruk (Figuur 3.8 E en F) uit deel 2 eveneens als inputvariabele gebruikt naast de gemeten sapstroom (Figuur 3.8 A en B) om de diameter te simuleren (Figuur 3.8 G en H). De worteldruk werd enkel opgenomen in de simulatie wanneer de relatieve vochtigheid (Figuur 3.8 C en D) groter was dan 95%. Immers, bij deze omstandigheden is de transpiratie zeer laag, wat toelaat dat worteldruk zich kan ontwikkelen. Voor beide planten werd een betere simulatie van de diameter verkregen in vergelijking met de simulaties uit deel 1 (Figuur 3.8 G en H). De verbeterde simulatie wordt aangetoond door de hogere R²-waarde van de lineaire regressie tussen de gemeten en gesimuleerde stengeldiameter (tussen 24 en 60 h): voor plant 1 bedraagt deze R²-waarde 0,900 wanneer de diameter gesimuleerd wordt volgens deel 3, tegenover 0,702 wanneer de diameter gesimuleerd wordt met deel 1. Voor plant 2 bedragen de R²-waarden respectievelijk 0,950 en 0,862. Gedurende de 12 nachten waarin een snellere stijging in diameter kon worden waargenomen, bleef het VPD altijd onder de 0,120 kpa. Wanneer dezelfde simulaties werden uitgevoerd, maar waarbij de worteldruk enkel in rekening wordt gebracht in de simulatie wanneer het VPD kleiner is dan 0,120 kpa, worden dezelfde resultaten bekomen als in Figuur 3.8 (data niet weergegeven). 50

77 Figuur 3.8: Gemeten sapstroom (F H2O ) voor plant 1 (A) en plant 2 (B), RV voor plant 1 (C) en plant 2 (D), worteldruk (P r ) gesimuleerd met deel 2 voor plant 1 (E) en plant 2 (F) en gesimuleerde diameter (D) via deel 1 en deel 3 voor plant 1 (G) en plant 2 (H). De worteldruk werd als bijkomende inputvariabele gebruikt wanneer de RV groter is dan 95% (grijze balken) Deel 4: sapstroom en gemeten worteldruk als inputvariabele Relatieve vochtigheid of dampdrukdeficit als voorwaarde voor het optreden van worteldruk In deel 4 werd de gemeten worteldruk (Figuur 3.9 C) van een plant uit behandeling O, die om 10,75 h (DOY 45) werd afgesneden, als bijkomende inputvariabele gebruikt naast de gemeten sapstroom (Figuur 3.9 A) om de diameter te simuleren van plant 2 (Figuur 3.9 D). Bij plant 1 was er geen gelijktijdige plant uit behandeling O zodat de simulaties enkel werden uitgevoerd voor plant 2. De gemeten worteldruk werd enkel opgenomen in de simulatie wanneer de relatieve vochtigheid (Figuur 3.9 B) groter was dan 95%. Immers, bij deze omstandigheden is de transpiratie zeer laag en kan de worteldruk zich ontwikkelen. Gelijkaardige resultaten werden verkregen wanneer de gemeten worteldruk als bijkomende inputvariabele werd opgenomen in de simulatie wanneer het VPD kleiner was dan 0,120 kpa (data niet weergegeven). De diameter wordt via deze simulatie overschat tijdens de eerste nacht (24-32 h) en onderschat tijdens de tweede nacht (48-56 h). Deze overschatting en onderschatting van de diameter kunnen verklaard worden door de verschillen in gemeten en gesimuleerde worteldruk tijdens deze twee nachten. De gemeten worteldruk vertoont een 6-uursgemiddelde van respectievelijk 0,05560 ± 0,00001 MPa en 0,03360 ± 0,00005 MPa tijdens de eerste en tweede nacht, terwijl er tijdens de eerste en tweede nacht slechts een 6-uursgemiddelde van respectievelijk 0,00737 ± 0,00066 MPa en 0,05653 ± 0,00566 MPa wordt gesimuleerd. Wanneer de gemeten worteldruk in rekening wordt gebracht, wordt 51

78 tijdens de eerste nacht Ψ t x te hoog geschat zodat de stengeldiametertoename groter wordt gesimuleerd dan gemeten. Tijdens de tweede nacht wordt Ψ t x echter te laag geschat zodat de gesimuleerde stengeldiametertoename kleiner is dan de gemeten toename. Desalniettemin is uit Figuur 3.9 af te leiden dat de gesimuleerde diameter via deel 4 de gemeten diameter beter benadert dan wanneer enkel de cohesietheorie in rekening wordt gebracht. Verder valt het op dat de gesimuleerde diameter via deel 4 tijdens de tweede nacht geen opbouwend karakter heeft zoals de gemeten diameter, maar eerder de vorm heeft van een dal. Dit kan verklaard worden door het verloop van de gemeten worteldruk die gebruikt wordt voor de simulatie van de diameter. De worteldruk van een plant uit behandeling O vertoont een minimum tijdens de nacht op het moment dat de gemeten diameter van een plant uit behandeling R een versnelde toename vertoont. Het verloop van de worteldruk van de plant uit behandeling O is echter geen realistische weergave voor het drukverloop in het xyleem in een plant uit behandeling R. Door het wegvallen van de transpiratie is het verloop uit behandeling O positief gedurende de hele dag met minimumwaarden tijdens de nacht, terwijl het verloop van een plant uit behandeling R verwacht wordt overdag negatief te zijn door de zuigkracht van de transpiratie en pas s nachts minder negatief of positief zal worden. Om een meer realistisch verloop te verkrijgen, zou een drukmeetomvormer kunnen worden gebruikt die zowel negatieve als positieve druk kan meten. Wanneer dergelijke drukmeetomvormer wordt bevestigd op een getopte plant, die bladeren bevat, kan er verwacht worden dat de worteldruk zal opbouwen vanaf het moment dat de transpiratie wegvalt. Deze worteldruk kan dan gemeten worden als het minder negatief worden van de xyleemwaterpotentiaal. Wanneer deze druk wordt gebruikt in de simulaties van deel 4, kan een meer opbouwend karakter verwacht worden voor de gesimuleerde diameter op voorwaarde dat het voldoende vochtig is om de transpiratie stil te leggen. Een andere oplossing is het continu meten van de totale xyleemwaterpotentiaal door middel van een psychrometer die bevestigd wordt op de stengel (stem psychrometer, ICT International, Armidale, Australia), zodat de xyleemwaterpotentiaal rechtstreeks als inputvariabele kan worden gebruikt. 52

79 Figuur 3.9: Sapstroom (F H2O ; A), relatieve vochtigheid (RV; B), gemeten worteldruk (P r ; C) en gesimuleerde diameter via deel 1 (sapstroom als inputvariabele) en via deel 4 (gemeten worteldruk als bijkomende inputvariabele wanneer de relatieve vochtigheid groter is dan 95%) vergeleken met de gemeten diameter voor plant 2 (D; D) Sapstroom als voorwaarde voor het optreden van worteldruk Zoals in paragraaf werd aangehaald, impliceert een hoge relatieve vochtigheid (> 95%) en laag VPD (< 0,120 kpa) niet rechtstreeks in een snellere toename van de diameter. Wanneer in zulke gevallen de diameter wordt gesimuleerd via de simulaties van deel 4, waarbij het klimaat als randvoorwaarde wordt gebruikt om de worteldruk mee op te nemen in de simulatie, dan zal er voor bepaalde nachten een overschatting worden gemaakt voor de diameter. Figuur 3.10 D toont de simulatie van de diameter van plant 3 via deel 1 en deel 4 waarbij naast de sapstroom (Figuur 3.10 A) ook de gemeten worteldruk (Figuur 3.10 C) als inputvariabele wordt gebruikt, wanneer de relatieve vochtigheid groter is dan 95% (Figuur 3.10 B). Tijdens de eerste twee nachten vertonen de diameters ondanks de hoge relatieve vochtigheid en lage VPD toch geen versterkte toename, waardoor de diameter wordt overschat via de simulaties uit deel 4. De simulatie van de diameter voor de derde nacht stemt echter wel goed overeen met de gemeten diameter (Figuur 3.10 D). Wanneer er in detail wordt gekeken naar de sapstroom (Figuur 3.10 F) valt het op dat de sapstroom tijdens de eerste twee nachten hoger is dan de nacht wanneer er wel een versterkte diametertoename wordt gemeten. Dit kan te wijten zijn aan het opspringen van de buisverwarming. Wanneer de diameter gesimuleerd wordt via deel 4, maar waarbij de gemeten worteldruk (Figuur 3.10 G) enkel wordt opgenomen in de berekeningen wanneer de sapstroom kleiner is dan 1,5 g h -1 (Figuur 3.10 F), wordt een realistischere weergave verkregen en sluit de simulatie beter aan bij de meting (Figuur 3.10 H). Het valt op dat zelfs de kleine toenames in diameter tijdens de eerste nacht ook via deze methode worden 53

80 gesimuleerd. Er kan bijgevolg geconcludeerd worden dat de meest nauwkeurige simulaties van de stengeldiameter worden bekomen wanneer de sapstroom als randvoorwaarde wordt gebruikt. Het is echter niet eenvoudig om eenzelfde randvoorwaarde voor de sapstroom op te leggen voor alle planten wanneer de sapstroom wordt gemeten met een Heat Balance. Deze sensor heeft immers een nul sapstroom nodig om gecalibreerd te worden, wat arbitrair gebeurd. Daardoor kan de grootteorde wijzigen voor de verschillende planten wanneer er worteldruk is, maar het blijven wel momenten met de laagste sapstroom. Andere sensoren zoals een HFD zonder naalden en een externe Heat Ratio Method (HRM) (Clearwater et al., 2009) zouden wel in staat zijn absolute waarden te meten bij kleine sapstromen. Figuur 3.10: Sapstroom (F H2O ; A, E en F), relatieve vochtigheid (RV; B), gemeten worteldruk (P r ; C en G), gesimuleerde diameter via deel 1 (sapstroom als inputvariabele), gesimuleerde diameter via deel 4 (gemeten worteldruk als bijkomende inputvariabele wanneer de relatieve vochtigheid groter is dan 95%) en gemeten diameter voor plant 3 (D; D). Gesimuleerde diameter via deel 1 (sapstroom als inputvariabele), gesimuleerde diameter via deel 4 (gemeten worteldruk als bijkomende inputvariabele wanneer de sapstroom kleiner is dan 1,5 g h -1 ) en gemeten diameter voor plant 3 (D; H) Vergelijking tussen gemeten en gesimuleerde worteldruk Wanneer de 6-uursgemiddelden van de nachtelijke gemeten worteldrukken worden vergeleken met de 6-uursgemiddelden van de gesimuleerde worteldrukken, stemmen deze goed overeen (Figuur 3.11). De mediaan van de gemeten worteldruk bedraagt 0,03398 MPa en de mediaan van de gesimuleerde worteldruk bedraagt 0,03180 MPa. Er kan verondersteld worden dat de snellere toename in diameter een goede indicatie is voor het optreden van worteldruk. Worteldruk kan dus theoretisch geschat worden via een nietdestructieve manier aan de hand van externe plantsensoren 54

81 Figuur 3.11: Boxplot van de 6-uursgemiddelden van de nachtelijke gemeten en gesimuleerde worteldrukken Factoren die de grootte van de worteldruk beïnvloeden Uit de resultaten bleek dat, om worteldruk versterkt te laten optreden, er een minimale RV van 95% gedurende twee uur, een VPD kleiner dan 0,120 kpa en een lage sapstroom (± 1,5 g h -1 ) nodig is tijdens de nacht. Of deze klimaatsfactoren tijdens de nacht ook invloed hebben op de grootte van de gesimuleerde worteldruk werd met behulp van de Pearson productmomentcorrelatie (paragraaf 2.5) nagegaan. De waarden van correlatiecoëfficiënten voor het verband tussen het aantal uren (> 2 h) waarbij de relatieve vochtigheid hoger is dan 95% of het aantal uren dat de VPD kleiner is dan 0,120 kpa en de grootte van de gesimuleerde worteldruk waren kleiner dan 0,2. Dit zou erop wijzen dat er geen verband is tussen deze klimaatsfactoren en de grootte van de worteldruk. De p-waarden voor beide factoren waren eveneens groter dan 0,05. Er kan dus niet met zekerheid besloten worden dat er een verband is tussen deze klimaatsfactoren tijdens de nacht en de grootte van worteldruk. Ook voor de nachtelijke lucht- en substraattemperatuur waren de correlatiecoëfficiënten kleiner dan 0,2 en de p-waarden groter dan 0,05. Er kan wel worden verwacht dat de grootte van de worteldruk gerelateerd is aan de klimaatscondities van de voorgaande dag. Deze klimaatscondities bepalen immers de vereiste energie en nutriënten voor de opbouw van de nachtelijke worteldruk (Lambers et al., 1998; Steudle, 2001). Daarom werd het verband tussen de grootte van de gesimuleerde worteldruk en het klimaat (T, T s, VPD en PAR) van de dag ervoor onderzocht met behulp van de Pearson product-momentcorrelatie (paragraaf 2.5). Enkel voor de minimale en de gemiddelde substraattemperatuur werd er een redelijk verband gevonden. De correlatiecoëfficiënten bedroegen respectievelijk 0,518 en 0,473. De p-waarden bedroegen respectievelijk 0,085 en 0,120 wat er wijst dat het verband tussen de substraattemperatuur en de grootte van de worteldruk toch niet significant is. De correlatiecoëfficiënten voor de andere klimaatsfactoren waren kleiner dan 0,2 en de bijhorende p-waarden waren steeds groter dan 0,05. Door de hoge p-waarden die werden verkregen, zijn de gevonden verbanden niet significant en kan er niet met zekerheid worden gezegd welke 55

82 klimaatsfactoren wel een invloed hebben en welke geen invloed hebben op de grootte van de worteldruk. Een mogelijke verklaring hiervoor is het feit dat er geen specifieke proeven werden opgesteld om deze invloed te onderzoeken. Het klimaat tijdens de dag werd gestuurd zoals bij commerciële teelten. Het nachtelijk klimaat werd daarentegen gemanipuleerd om condities te creëren die het ontwikkelen van worteldruk in de hand werken. Hierdoor kan verwacht worden dat de worteldruk niet steeds beïnvloed werd door de klimaatsomstandigheden van de vorige dag, maar voornamelijk resulteerde van de gemanipuleerde omstandigheden tijdens de nacht. Een mogelijkheid om de invloed van verschillende klimaatsfactoren te onderzoeken op de grootte van worteldruk, zijn proeven waarbij gedurende de dag verschillende klimaatsfactoren constant worden gehouden terwijl één klimaatsfactor varieert over verschillende dagen. Als dusdanig kan het effect van specifieke klimaatsfactoren op het ontstaan en de grootte van de ontwikkelde worteldruk worden onderzocht. Naast klimaatsfactoren kan ook de EC van de voedingsoplossing een effect hebben op de grootte van de worteldruk, daar het de opname van ionen beïnvloedt. Proeven met verschillende EC-waarden van de voedingsoplossing bij constante klimaatscondities moeten hier uitsluitsel over geven. Ook het gebruik van onderstammen kan de grootte van de worteldruk beïnvloeden. Deze onderstammen worden in de praktijk geselecteerd doordat deze resistent zijn tegen enkele bodemziekten en zorgen voor een betere groeikracht. Deze onderstammen hebben vaak een groot en goed ontwikkeld wortelstelsel (Mavi et al., 2006). Tijdens de proeven op de faculteit Bio-ingenieurswetenschappen in Gent werden echter geen onderstammen gebruikt, zodat de waarden van de gemeten worteldruk lager kunnen zijn in vergelijking met geënte planten. Tot slot kan ook de cultivar een rol spelen in de grootte van de worteldruk. 3.5 Het effect van een temperatuursdaling in het substraat bij behandeling R Als de stengeldiameter een indicatie kan geven voor het optreden van worteldruk, kan er verwacht worden dat, wanneer de steenwolmat van een plant uit behandeling R ingebed wordt in ijs op het moment dat er worteldruk heerst, de stengeldiameter zal afnemen. Immers, in paragraaf werd aangetoond dat de worteldruk uit behandeling O daalt wanneer de steenwolmat wordt ingebed in ijs. Gedurende de drie experimenten bij tomaat werd viermaal de steenwolmat van een plant uit behandeling R ingebed in ijs op tijdstippen waarop verhoogde worteldruk werd verwacht. Bij geen enkele proef daalde de stengeldiameter, maar telkens werden resultaten verkregen zoals weergegeven in Figuur De overeenkomstige relatieve vochtigheid en het VPD worden weergegeven in Figuur 56

83 3.12 A, PAR en temperatuur worden weegegeven in Figuur 3.12 B. Figuur 3.12 C toont het diameterverloop en de sapstroom van plant 1 (behandeling R) waarvan de steenwolmat werd ingebed in ijs van 78,9 tot 79,75 h. Figuur 3.12 D toont tenslotte het diameterverloop en de sapstroom van plant 2 (behandeling R) waarbij de steenwolmat niet werd ingebed in ijs. Vanaf het moment dat het ijs werd aangebracht, lijkt de diameter een stagnerend verloop te vertonen (Figuur 3.12 C). Het is echter niet duidelijk of dit stagnerend verloop veroorzaakt wordt door het ijs, aangezien het geen duidelijke verschillen vertoont met het diameterverloop van plant 2 en met het verloop van de dag ervoor. In het verleden werd nog geen onderzoek gedaan naar het effect van verlaagde worteltemperatuur op het stengeldiameterverloop. Wel werd het verschil in sapstroom, hydraulische geleidbaarheid, bladwaterpotentiaal en stomatale weerstand onderzocht bij een temperatuursgevoelig en temperatuurstolerant tomatenras wanneer het substraat overdag werd afgekoeld tot 5 C (Bloom et al., 2004). Er werd vastgesteld dat voor beide rassen de sapstroom en de hydraulische geleidbaarheid daalden. De bladwaterpotentiaal van het tolerante ras bleef constant tijdens de proef terwijl deze daalde bij het temperatuursgevoelige ras. Dit was te verklaren doordat het tolerante ras de huimondjes sneller sloot, daardoor minder water verloor en de bladwaterpotentiaal stabiel kon houden waardoor de turgordruk behouden bleef in het bovenste deel van de plant. Het temperatuursgevoelige ras sloot later de huidmondjes zodat het bovenste deel begon te verwelken door het verlies van turgor. Lee et al. (2002; 2004a; 2004b; 2005a; 2005b) deden verschillende onderzoeken naar de effecten van lage substraattemperaturen bij komkommer. Deze studies toonden aan dat de sapstroom en de hydraulische geleidbaarheid daalden bij het verlagen van de substraattemperatuur. Naast bovenvermelde parameters werden ook worteldruk en turgordruk opgevolgd van een afgesneden wortel. De worteldruk daalde, maar de turgordruk in de wortelcellen bleef behouden bij het afkoelen van het wortelmedium (Lee et al., 2004a). Zowel bij het tolerante tomatenras als bij de afgesneden komkommerwortel wordt de transpiratie verhinderd, zodat de turgordruk blijft standhouden bij een temperatuursdaling van het substraat (Bloom et al., 2004; Lee et al., 2004a). Ook bij de planten uit behandeling R waarbij de steenwolmat werd ingebed in ijs, was de transpiratie verwaarloosbaar door het lage VPD dat er toen heerste (Figuur 3.12), zodat er gesteld kan worden dat de turgordruk kon behouden worden. De hydraulische geleidbaarheid, de sapstroom en de worteldruk zullen bijgevolg wel dalen door de temperatuursdaling, maar het aanwezige water dat in het opslagweefsel stroomde door de bestaande worteldruk vóór de temperatuursdaling kan niet verdwijnen door de afwezigheid van transpiratie, zodat de turgordruk behouden blijft en de diameter onveranderd blijft (Figuur 3.12 C). 57

84 Figuur 3.12: Relatieve vochtigheid (RV; A), dampdrukdeficit (VPD; A), fotosynthetisch actieve straling (PAR; B), luchttemperatuur (T; B), stengeldiameter (D) en sapstroom (F H2O ) van plant 1 (C) en plant 2 (D) uit behandeling R voor vier opeenvolgende dagen (DOY 57-60). Plant 1 werd ingebed in ijs van 78,9 tot 79,75 h. 3.6 Toepasbaarheid bij komkommer Volgens ervaringen uit de praktijk zouden komkommerplanten een grotere worteldruk kunnen vertonen dan tomaat. Er wordt verwacht dat de worteldruk zich dan ook zal uiten in het diameterpatroon, zodat de simulaties met behulp van het mechanistisch model ook toepasbaar zijn op komkommer. Voor komkommer werd dezelfde proefopstelling gebruikt als voor tomaat (paragraaf 2.2). De resultaten van de experimenten bij komkommer en de toepasbaarheid van de niet-destructieve methode voor de schatting van worteldruk worden in dit deel van deze thesis weergegeven en bediscussieerd. 58

85 3.6.1 Het opgemeten patroon van worteldruk en het effect van een temperatuursdaling in het substraat bij behandeling O De drie experimenten met komkommer tellen in totaal zes worteldrukmetingen (behandeling O). Hiervan mislukte één meting door een slechte aansluiting op de stengel, waardoor de meting niet meer representatief was. De vijf succesvolle metingen vertonen gelijkaardige patronen zoals het verloop weergegeven in Figuur Uit deze figuur kan worden afgeleid dat het worteldrukverloop van een komkommerplant uit behandeling O gelijkaardig is aan dat van tomaat (Figuur 3.2, 3.3 en 3.13). Het gemeten verloop bij komkommer vertoont eveneens een onmiddellijke stijging na het bevestigen van de drukmeetomvormer, gevolgd door een dagelijks patroon dat sterk gerelateerd is aan de substraattemperatuur (Figuur 3.13 A). De stijging in substraattemperatuur van plant 1 wordt immers duidelijk gereflecteerd in het drukverloop van plant 1. Daarnaast veroorzaakt een temperatuursdaling in het substraat door middel van ijs (aangeduid met pijlen in Figuur 3.13) een daling in de worteldruk zoals bij tomaat (Figuur 3.3). Het valt wel op dat de worteldruk bij komkommer slechter herstelt na de temperatuursdaling in vergelijking met tomaat. Dit zou te verklaren zijn doordat de H + -ATPasen in de plasmamembranen van wortels bij komkommers gevoeliger zijn voor lage temperaturen in vergelijking met andere planten en daardoor meer irreversibel worden aangetast. Dit stemt overeen met de bevindingen van Ahn et al. (2000) en Lee et al. (2004b). De waarden van de gemeten worteldruk lagen voor de vijf metingen in dezelfde grootteorde. Er werd voor elke meting een 24-uursgemiddelde berekend van de worteldruk vanaf het moment waarop het systeem tot evenwicht was gekomen. Het gemiddelde van deze vijf waarden bedroeg 0,04932 ± 0,00657 MPa. De range waarin werd gemeten varieert van 0 tot 0,10450 MPa. Deze waarden stemmen niet overeen met wat vanuit de praktijk werd verwacht, waar de worteldruk van komkommer groter werd geacht dan bij tomaat (Figuur 3.14). In de boxplot is te zien dat de mediaan van de 24-uursgemmiddeldes bij komkommer (0,04345 MPa) niet beduidend hoger is dan de mediaan bij tomaat (0,03931 MPa). In de literatuur zijn echter wel hogere waarden voor worteldruk bij komkommer vermeld: met een drukprobe op wortels van 14 dagen oude komkommerkiemplantjes (Cucumis sativus L. cv. Chung-Jang) werden waarden tussen de 0,15 en 0,2 MPa verkregen (Lee et al., 2004a). Bij de vijf metingen viel het wel op dat de afdichting soms lekken vertoonde, doordat het systeem niet bestand was tegen de ontwikkelde druk, waardoor de worteldruk niet verder kon worden opgebouwd. Om dit effect uit te sluiten zal er in de toekomst gewerkt moeten worden met een afdichting die meer dan 0,1 MPa kan weerstaan. Het verschil met de waarden gevonden in de literatuur, kan ook verklaard worden door het gebruik van andere rassen. 59

86 Figuur 3.13: Substraattemperatuur (T s ; A) van plant 1 en 2 uit behandeling O en overeenkomstige worteldruk (P r ; B) van plant 1 en 2 voor zes opeenvolgende dagen (DOY 72-77). De pijlen duiden de tijdstippen aan waarop de steenwolmat werd ingebed in ijs. Figuur 3.14: Boxplot van de 24-uursgemiddelden van de gemeten worteldrukken voor tomaat en komkommer Invloed van de klimaatscondities op de ontwikkeling van worteldruk Figuur 3.15 C en D tonen het verloop van de sapstroom, de stengeldiameter en de vruchtdiameter van een plant uit behandeling R voor vier opeenvolgende dagen (DOY 79-83). Figuur 3.15 A en B tonen het overeenstemmende microklimaat met in Figuur A de relatieve vochtigheid en het dampdrukdeficit en in Figuur B de fotosynthetisch actieve straling en de luchttemperatuur. Bij komkommer wordt net zoals bij tomaat het verloop van de sapstroom sterk beïnvloed door het microklimaat en treedt er een invers patroon op tussen sapstroom en diameter (Figuur 3.15 C). Het verloop van de stengeldiameter is 60

87 moeilijk te vergelijken met patronen vermeld in de literatuur, daar er nog maar praktisch geen onderzoek is gedaan met continue metingen van stengeldiameter bij komkommer. Verder valt het op dat ook de diameter van de stengel bij komkommer een grotere toename vertoont wanneer de RV groter is dan 95% en de VPD lager is dan 0,120 kpa (Figuur 3.15 C). Ook tijdens de andere herhalingen bij komkommer werd ditzelfde verschijnsel waargenomen. De toenames in diameter onder deze omstandigheden waren vaak wel minder uitgesproken dan bij tomaat. In Figuur 3.15 D is te zien dat de diameter van de vrucht eerder het patroon aanneemt van het verloop van de stengeldiameter in vergelijking met het diameterverloop van een vrucht bij tomaat (data niet weergegeven). Het valt op dat ook het verloop van de diameter van de vrucht een snellere toename vertoont in condities wanneer de transpiratie laag is. Ook dit patroon werd nog driemaal opgemerkt bij de andere vruchtdiameterpatronen. Dit kan erop wijzen dat de komkommervruchten gevoelig zijn aan het optreden van worteldruk. Zowel de stengeldiameter als de vruchtdiameter beginnen te dalen rond 9 h in de ochtend, terwijl de hoge relatieve vochtigheid nog werd aangehouden tot 10 h 30. Dit kan verklaard worden doordat om 9 h de assimilatiebelichting werd aangeschakeld waardoor de transpiratie op gang kwam en de worteldruk geneutraliseerd werd. De diameter vertoont daardoor een eerste krimp. In de namiddag (telkens rond 14 h) komt de zon in de serre, waardoor de sapstroom verder stijgt en de diameter verder afneemt. Het diameterpatroon van een plant uit behandeling B werd niet weergegeven aangezien deze planten onmiddellijk bleken te verwelken na het afsnijden zodat de diameter sterk daalde en een constant verloop vertoonde eens deze gedehydrateerd was. 61

88 Figuur 3.15: Relatieve vochtigheid (RV; A), dampdrukdeficit (VPD; A), fotosynthetisch actieve straling (PAR; B), luchttemperatuur (T; B), sapstroom van de komkommerplant uit behandeling R (F H2O ; C), stengeldiameter van de plant uit behandeling R (D; C) en vruchtdiameter van dezelfde plant uit behandeling R (D vrucht ; D) voor vier opeenvolgende dagen (DOY 68-71) Simulaties Doordat de stengeldiameter van komkommer ook een versterkte toename vertoont bij hoge RV en lage VPD, werd de toepasbaarheid van het mechanistisch model en de nietdestructieve schatting van worteldruk geëvalueerd bij komkommer Deel 1 en deel 2 Voor de simulaties bij komkommer werd hetzelfde mechanistisch plantmodel gebruikt als bij tomaat. Via de vergelijkingen van deel 1 werd de totale xyleemwaterpotentiaal (Figuur 3.16 B) en de stengeldiameter (Figuur 3.16 C) gesimuleerd van een plant uit behandeling R voor drie opeenvolgende dagen (DOY 69-71). Voor de simulaties werd de gemeten sapstroom (Figuur 3.16 A) als inputvariabele gebruikt. De parameters die gebruikt werden voor deze 62

89 simulaties, worden weergegeven in Tabel 3.2. ε 0 en φ werden voor beide planten gecalibreerd voor een periode van twee dagen startend vanaf 114 h. Er werd verondersteld dat het watertransport dan enkel gedreven was door de cohesietheorie. Ook bij komkommer stemt de gesimuleerde diameter overdag goed overeen met de gemeten diameter, maar vertoont de gesimuleerde diameter afwijkingen op het moment dat er worteldruk wordt verwacht ( h). Deze afwijkingen zijn toe te schrijven aan het feit dat het model enkel gebaseerd is op de cohesietheorie en geen andere effecten in rekening brengt die invloed hebben op t x. Tabel 3.2: Waarden van de modelparameters voor de plant uit behandeling R. Parameter Waarde Waardebepaling R x (MPa h g -1 ) 0,0025 Drukbommeting Ψ s (MPa) -0,1 van de Sanden et al. (1995) r (MPa h g -1 ) 0,5 Initiële calibratie ε 0 (m -1 ) 1312,11 Modelcalibratie φ (MPa -1 h -1 ) 0, Modelcalibratie S (g h -1 ) 0, Initiële calibratie Γ (Mpa) 0,3 Cosgrove (1986) C o (g g -1 ) 0,11 Liu et al. (2007) Via de vergelijkingen van deel 2 wordt de Ψ t x (Figuur 3.16 E) gesimuleerd aan de hand van de gemeten diameter (Figuur 3.16 D). De gesimuleerde Ψ t x vertoont een stijging gedurende de nacht wanneer er worteldruk wordt verwacht. Het verschil tussen de nachtelijke Ψ t x gesimuleerd in deel 1 en deel 2 resulteert in een positieve drukcomponent welke toegewezen kan worden aan worteldruk (Figuur 3.16 F). De verschillen in Ψ t x tijdens de dag zijn klein zodat deze er werden uitgefilterd en de waarde nul kregen. 63

90 Figuur 3.16: Sapstroom (F H2O ; A), gesimuleerde xyleemwaterpotentiaal (Ψ t x ; B) en stengeldiameter (D; C) vergeleken met de gemeten stengeldiameter (D; C) via deel 1 (sapstroom als inputvariabele). Gemeten stengeldiameter (D; D), gesimuleerde worteldruk (P r ; F) en xyleemwaterpotentiaal (Ψ t x ; E) via deel 2 (stengeldiameter als inputvariabele) vergeleken met xyleemwaterpotentiaal van deel 1 (Ψ t x ; E) Deel 3 en deel 4 In deel 3 werd de gesimuleerde worteldruk (Figuur 3.17 C) uit deel 2 mede als bijkomende inputvariabele gebruikt naast de gemeten sapstroom (Figuur 3.17 A) om de diameter te simuleren (Figuur 3.17 D). Het valt op dat de sapstroom tijdens de tweede nacht lager is dan de andere nachten, zodat de worteldruk enkel werd opgenomen in de berekening wanneer de sapstroom (Figuur 3.17 B) kleiner was dan 5,3 g h -1. Bij deze omstandigheden is de transpiratie zeer laag en kan worteldruk ontwikkelen. Ook bij komkommer werd een betere simulatie van de diameter verkregen in vergelijking met de simulaties uit deel 1 (Figuur 3.17 D). Dit wordt bevestigd door de R²-waarde van de lineaire regressie tussen de gemeten en gesimuleerde diameter (90 h tot 108 h) die respectievelijk 0,706 en 0,898 bedragen voor de simulatie via deel 1 en deel 3. In deel 4 werd tenslotte de gemeten worteldruk (Figuur 3.17 G) van een plant uit behandeling O die om 16 h (DOY 66) werd afgesneden als extra inputvariabele gebruikt naast de gemeten sapstroom (Figuur 3.17 E) om de diameter te simuleren (Figuur 3.17 H). Het verloop van de opgemeten worteldruk toont soms plotse dalingen door lekken die ontstonden bij de afdichting. Voor de simulaties werd deze gemeten worteldruk enkel opgenomen wanneer de sapstroom (Figuur 3.17 F) kleiner was dan 5,3 g h -1. De gesimuleerde diameter op basis van gemeten worteldruk stemt zeer goed overeen met de gemeten diameter en de gesimuleerde diameter uit deel 3. Dit is te verklaren door de 64

91 gelijkenissen tussen de gemeten en de gesimuleerde worteldruk tijdens de nacht wanneer er worteldruk wordt verwacht. De gemeten worteldruk heeft een 6-uursgemiddelde van 0,06593 ± 0,00017 MPa tijdens deze nacht en de gesimuleerde worteldruk heeft een 6- uursgemiddelde van 0,05271 ± 0,00063 MPa. Figuur 3.17: Sapstroom (F H2O ; A, B, E en F), gesimuleerde worteldruk uit deel 2 (P r ; C), gesimuleerde diameter uit deel 1 (D; D) en de gemeten diameter (D; D) vergeleken met de gesimuleerde diameter (D; D) via deel 3 (sapstroom en gesimuleerde worteldruk uit deel 2 als inputvariabele wanneer de sapstroom kleiner is dan 5,3 g h -1 ). Gemeten worteldruk (P r ; G), gesimuleerde diameter uit deel 1 (D; H) en de gemeten diameter (D; H) vergeleken met de gesimuleerde diameter (D; H) via deel 4 (sapstroom en gemeten worteldruk als inputvariabele wanneer de sapstroom kleiner is dan 5,3 g h -1 ). Ondanks een verschillende stengelopbouw bij komkommer en tomaat, werden ook bij komkommer goede simulaties verkregen met het mechanistisch plantmodel dat gebaseerd is op de anatomie van tomaat. De rangschikking van de vaatbundels is het grootste verschil in anatomie tussen tomaat en komkommer. Bij tomaten zijn de vaatbundels ringvormig gerangschikt. Deze vaatbundels worden verenigd zodat ze een gesloten ring vormen (Figuur 3.18 A). Bij komkommers komen de vaatbundels echter verspreid in de stengel voor (Figuur 3.18 B) (De Smet, 2007). Toch blijkt uit de simulaties en de metingen dat ook bij komkommer de versterkte toename in diameter een goede indicatie is voor het optreden van worteldruk. Bij komkommer kan dus ook worteldruk theoretisch geschat worden via een nietdestructieve manier aan de hand van enkel externe plantsensoren. Voor meer precieze simulaties met het mechanistisch plantmodel is er verder onderzoek nodig voor het afstemmen van de allometrische factor (a) en de drempelwaarde van de turgordruk waarbij de celwand irreversibel uitzet (Γ). Daarnaast kan er ook nog gekeken worden naar de invloed van het steunweefsel (Figuur 3.18 B) op de simulaties. 65

92 Figuur 3.18: Stengeldoorsnede van een tomaat (A) en een komkommer (B), met 1 = xyleem, 2 = floëem, 3 = intern floëem, 4 = extern floëem, 5 = merg, 6 = epidermis, 7 = schorsparenchym en 8 = steunweefsel. 3.7 Economische relevantie Het opvolgen van de stengeldiameter in combinatie met een mechanistisch model (zoals in deel 1) dat continu de stengeldiameter simuleert, zou een nuttige toepassing kunnen zijn om in de praktijk de worteldruk te controleren en zo de positieve effecten ervan te stimuleren en/of de negatieve effecten bij ontwikkeling van te hoge worteldruk ervan te vermijden. Een alarmsysteem zou dan kunnen aangeven wanneer de gesimuleerde diameter te veel afwijkt van de gemeten diameter. De teler kan dan inspelen op het kasklimaat, om de worteldruk aan te houden of te vermijden. Het voordeel bij deze toepassing is dat de teler pas gaat ingrijpen wanneer het noodzakelijk is. Uit paragraaf bleek immers dat de klimaatsfactoren niet altijd voldoende zijn om worteldruk op te volgen. Wanneer enkel op klimaat wordt gestuurd zal er soms onnodig gehandeld worden. Deze hiaten kunnen worden vermeden door het gebruik van plantsensoren en een mechanistisch plantmodel zodat er gehandeld wordt volgens de noden van de plant. De klimaatscondities kunnen dan optimaal worden afgesteld zodat enerzijds kwaliteit en productie wordt gegarandeerd, maar anderzijds energiebesparend gewerkt kan worden. 66