Mangan – Bedeutung für Pflanzen

Mangan ist ein metallisches Element mit einer Atommasse von 54,94 u. Es kommt nicht nur als Kation Mn²⁺^, sondern auch als Anion, z. B. MnO₄⁻_,^somit amphoter. Charakteristisch für Mangan ist seine Fähigkeit, leicht seinen Oxidationszustand zu ändern (es kann 2-, 3-, 4-, 6- oder 7-wertig sein), und seine Verbindungen besitzen ein hohes Redoxpotential. Die wachstumsfördernde Wirkung von Mangan auf Pflanzen wurde Anfang des 20. Jahrhunderts erkannt (Loew, 1903; et al.). 1922 erkannte McHargue dieses Element als essenziell für Pflanzen. Von großer Bedeutung für die Entwicklung der Manganforschung als Spurenelement war die Entdeckung von Sjollema und Hudig im Jahr 1909, dass die Haferkrankheit „Graufleckenkrankheit“ durch Zugabe von Mangansulfat zum Boden behandelt werden konnte. Niederländische Forscher kannten die genaue Natur dieses Phänomens damals jedoch noch nicht. Erst 1929 erklärten Samuel und Piper, dass die „Graufleckenkrankheit“ bei Hafer durch Manganmangel im Boden verursacht wird. Symptome von Manganmangel wurden auch bei anderen Pflanzen beobachtet, und man schloss später, dass alle Pflanzen, Tiere und Menschen ohne dieses Element nicht überleben können. 

Mangangehalt und -verfügbarkeit in Böden 

Der Gesamtgehalt an Mangan in Oberböden variiert stark. Ein vollständiger (oder vielmehr nahezu vollständiger) Manganmangel ist selten, da sich dieses Spurenelement, ähnlich wie Eisen, unter Bedingungen ausreichender Belüftung (wie sie in Oberböden üblicherweise vorliegen) in schwerlösliche Oxide umwandelt, die selbst in sehr leichten Böden relativ auswaschungsresistent sind. Fast von Beginn der Manganforschung an konzentrierte man sich auf die komplexe Frage der Manganverfügbarkeit im Boden. Mangan kommt im Boden in Form einer Vielzahl chemischer Verbindungen mit unterschiedlichem Oxidationsgrad und unterschiedlicher Verfügbarkeit vor (im Allgemeinen gilt: Je höher der Oxidationsgrad, desto geringer die Manganverfügbarkeit). Diese Verbindungen unterliegen im Boden ständigen Redoxprozessen, die einen Kreislauf von Umwandlungen bilden.

Die Hauptursache für die mangelnde Aufnahmefähigkeit von Mangan im Boden ist die Bildung von Mangankomplexen mit organischer Substanz. Es wurde auch festgestellt, dass höhere Manganoxide, die gemeinhin als unzugänglich gelten, von Pflanzen wie Hafer aufgenommen werden. Die Meinungen über die Reduktion oxidierter Manganverbindungen gehen auseinander. Einige Theorien gehen davon aus, dass diese Reduktion primär durch Reaktionen mit organischer Substanz erfolgt, während andere sie auch mikrobiologischer Natur zuordnen. Die mikrobielle Oxidation von Mangan sowie die Reduktionsprozesse hängen maßgeblich vom pH-Wert des Bodens ab. Mit steigendem pH-Wert bis etwa pH 7,5 intensivieren sich die mikrobiellen Oxidationsprozesse, während die Reduktion von Mangan zur zweiwertigen Form mit sinkendem pH-Wert zunimmt. Viele Forscher sind sich einig, dass saure Böden reich an zweiwertigem Mangan sind, das dort sogar in großen Überschüssen vorkommen kann. Neben dem pH-Wert beeinflussen auch das Redoxpotenzial des Bodens und die Feuchtigkeit die Manganaufnahme signifikant. Es wird angenommen, dass für Pflanzen verfügbares Mangan folgende Eigenschaften aufweist:

1) zweiwertiges Mangan Mn²⁺, d.h.: in Bodenlösungen lösliches Mangan und austauschbares Mangan,

2) Formen von Manganoxiden, die leicht reduzierbar sind, z. B. Mn₂O₃xH₂O.

Beziehung zwischen Fe und Mn.

Somers und Shive gehörten zu den Ersten, die das Fe:Mn-Verhältnis in Pflanzen untersuchten. Sie stellten die Hypothese auf, dass der Gehalt an aktivem Eisen (Fe²⁺⁾im Pflanzengewebe durch Mangan reguliert wird, welches aufgrund seines hohen Redoxpotenzials Fe²⁺ zu Fe³⁺ oxidiert^. Bei^Manganmangelkann die Konzentration an zweiwertigem Eisen in der Pflanze zu hoch, bei Manganüberschuss hingegen zu niedrig sein. Dies deutet darauf hin, dass sich eine Pflanze normal entwickeln kann, solange ihr Eisen-Mangan-Verhältnis innerhalb bestimmter Grenzen liegt. Somers und Shive ermittelten für Sojabohnen, dass das Verhältnis von aktivem Eisen zu aktivem Mangan im Gewebe und in der Nährlösung zwischen 1,5:1 und 2,5:1 liegen sollte. Übersteigt dieses Verhältnis 2,5:1, können Symptome von Manganmangel auftreten, die denen von Eisenüberschuss ähneln. Liegt das Fe:Mn-Verhältnis unter 1,5:1, leiden die Pflanzen unter Manganüberschuss, der gleichzeitig auf Eisenmangel hinweist. Zahlreiche Wissenschaftler haben gezeigt, dass der für normales Pflanzenwachstum notwendige Bereich des Fe:Mn-Verhältnisses breiter ist. Darüber hinaus sind nicht nur das Fe:Mn-Verhältnis selbst, sondern auch die absoluten Mengen dieser Nährstoffe für Pflanzen wichtig. Man geht außerdem davon aus, dass die Symptome eines Manganüberschusses nicht mit denen eines Eisenmangels identisch sind und umgekehrt. Verschiedene Autoren interpretieren die Bedeutung des Fe:Mn-Verhältnisses in Pflanzen unterschiedlich, was wahrscheinlich auf einen Antagonismus bei der Nährstoffaufnahme oder, bei Manganüberschuss, auf die Verdrängung von Eisen aus den aktiven Zentren von Enzymen durch Mangan zurückzuführen ist. Es gibt jedoch auch Meinungen (Nasonem und McElroy), die jeglichen Zusammenhang zwischen Eisen und Mangan in Frage stellen. Sie argumentieren, dass nicht nur Manganüberschuss, sondern auch eine Reihe anderer Metalle eisenfreie Chlorose verursachen und betonen, dass Eisen und Mangan in Pflanzen völlig unterschiedliche physiologische Funktionen haben. Angesichts dieser kontroversen Ansichten bedarf die Frage des Fe:Mn-Verhältnisses in Pflanzen weiterer Forschung.

Verteilung und Formen von Mangan in Pflanzen.

Mangan ist in der Pflanze ungleichmäßig verteilt, und aufgrund der erheblichen Variabilität des Mangangehalts in einzelnen Organen lassen sich nur schwer eindeutige Zusammenhänge herstellen. Es wird angenommen, dass die Mobilität von Mangan innerhalb der Pflanze begrenzt ist, doch unter Mangelbedingungen konnte die Verlagerung dieses Nährstoffs von den unteren zu den oberen Pflanzenteilen nachgewiesen werden. Über Manganverbindungen in Pflanzen liegen keine präzisen Informationen vor. Es ist jedoch mit hoher Wahrscheinlichkeit anzunehmen, dass Mangan in Pflanzengeweben in unterschiedlichen Oxidationsgraden vorkommt; die mobilste und aktivste Form ist zweifellos zweiwertiges Mangan (Mn²⁺⁾, das durch Oxidationsprozesse in Mn³⁺ und Mn⁴⁺ umgewandelt wird^. Während^dreiwertigesMangan wieder zu Mn²⁺ reduziert werden kann^,vierwertiges Mangan (Mn⁴⁺⁾eine inaktive Form und fällt bei Überschüssen als MnO₂_innicht-assimilierenden Geweben aus.

Symptome von Manganmangel und -überschuss bei Pflanzen.

 Das charakteristischste Symptom von Manganmangel bei Pflanzen sind typische Veränderungen der Blattfarbe. Es entwickelt sich eine sogenannte „fleckige Chlorose“, die sich zwischen den Leitbündeln (auch Blattadern genannt) über die gesamte Blattoberfläche ausbreitet. Da die Zellen direkt neben diesen Leitbündeln normalerweise grün bleiben, entsteht ein komplexes Netzwerk. Die Chlorose betrifft vor allem junge, sich entwickelnde Blätter. Mit zunehmender Chlorose bilden sich nekrotische Flecken auf den Blättern, die durch das Absterben des betroffenen Gewebes entstehen. Die mit Manganmangel einhergehenden Blattfarbveränderungen ließen Forscher vermuten, dass dieses Element an der Chlorophyllsynthese beteiligt ist, ein direkter Beweis dafür steht jedoch noch aus. Eltlinge beobachtete, dass Chloroplasten sowohl bei Manganmangel als auch bei Manganüberschuss eine gelbgrüne Farbe annehmen, allmählich Stärkekörner verlieren und schließlich vollständig zerfallen. Das gleichzeitige Auftreten großer Mengen an Calciumoxalatkristallen und Fetttröpfchen deutet auf einen gestörten Pflanzenstoffwechsel hin. Es hat sich außerdem gezeigt, dass Manganmangel zur vollständigen Desorganisation der Lamellenstruktur der Chloroplasten in Pflanzen wie Spinat führt.

Die Symptome eines Manganüberschusses bei höheren Pflanzen unterscheiden sich grundlegend von denen eines Manganmangels. Chlorose tritt relativ spät auf, zuerst an älteren Blättern. Mit zunehmender Vergiftung verfärbt sich die gesamte Blattspreite, einschließlich der Blattadern. Die durch Manganüberschuss (oder Eisenmangel) verursachte Chlorose lässt sich durch die Zerstörung schützender Proteine ​​um die Chloroplasten aufgrund eines hohen Redoxpotenzials erklären. Bei einem Manganüberschuss fällt Mangan als MnO₂ aus_.Diese Verbindung wird in nicht-assimilierende Pflanzengewebe wie die Haarzellen auf Blatt- und Stängeloberfläche, die Epidermis oder die Wurzelhaube abgegeben. Die Ausfällung von MnO₂_schütztassimilierende Gewebe vor Vergiftung und erklärt, wie bereits erwähnt, die oft hohe Toleranz von Pflanzen gegenüber Manganüberschüssen.

Physiologische Funktionen von Mangan.

Mangan aktiviert eine Vielzahl enzymatischer Reaktionen; der genaue Mechanismus, durch den Mangan in diesen Reaktionen wirkt, ist noch nicht vollständig geklärt. Unter anderem aktiviert Mangan: 

a) die meisten Enzyme des Citratzyklus und viele andere Decarboxylasen,

b) viele Peptidasen und Arginasen, höchstwahrscheinlich einschließlich Prolidase und Leucylaminopeptidase; 

c) Indolessigsäureoxidase und ist außerdem ein spezifischer Aktivator im Peroxidasesystem.

Mangan spielt eine wichtige Rolle in der Photosynthese, deren Intensität bei Manganmangel deutlich abnimmt. Es wurde festgestellt, dass Mangan in diesem Prozess eine spezifische Funktion bei der photosynthetischen Sauerstoffproduktion durch Wasserphotolyse übernimmt. Man geht derzeit davon aus, dass Mangan als Elektronenträger auf der Sauerstoffseite des Pigmentsystems II fungiert, also zwischen Wasserphotolyse und Photosystem II. Mangan könnte jedoch auch auf der reduzierenden Seite von Photosystem II eine Rolle spielen. Darüber hinaus ist es an der Aufrechterhaltung der Lamellenstruktur der Chloroplasten beteiligt.

Autor: Marcin Kołodziejczyk

-Anna Nowotna-Mieczyńska „Physiologie der Mineralernährung von Pflanzen. PWRiL 1965,

 -Lityński T., Jurkowska H „Bodenfruchtbarkeit und Pflanzenernährung“ PWN 1982,

– Franck B. Salibury, Cleon Ross „Plant Physiology“ PWRiL 1975,

-Zurzycki J. Michniewicz M. „Plant Physiology“ PWRiL 1979,

-Otis F. Daniel G. Curtis Clark "Einführung in die Pflanzenphysiologie" PWRiL 1958.