Physiological and Biochemical Effects of Potassium Deficiency on Apple Tree Growth

Resumo

O potássio (K) é um elemento mineral essencial que sustenta numerosos processos vegetais, incluindo fotossíntese, ativação enzimática, osmorregulação e equilíbrio de nutrientes. Este estudo investigou como a deficiência de K impacta o crescimento, o desempenho fisiológico e o metabolismo de carboidratos em macieiras ‘Granny Smith’ enxertadas no porta-enxerto M9. O material experimental foi cultivado hidroponicamente em casa de vegetação sob quatro regimes de K (0,00, 0,75, 1,50 e 3,00 mM), durante 159 dias. Sintomas de deficiência como clorose e necrose foram observados principalmente em folhas basais. A redução da taxa fotossintética líquida em folhas superiores e basais esteve associada à diminuição da condutância estomática, limitando a absorção de CO₂ (limitações estomáticas da fotossíntese). Pigmentos fotossintéticos, incluindo clorofila a, clorofila b e carotenoides, também foram significativamente reduzidos em folhas com K limitado. Além disso, o desempenho fotoquímico do PSII declinou sob deficiência de K, com menores taxas de transporte de elétrons, eficiência do PSII e extinção fotoquímica (limitações não estomáticas da fotossíntese). Embora a taxa fotossintética tenha declinado sob deficiência de K, o metabolismo de carboidratos permaneceu relativamente estável, sem variação significativa nos açúcares totais, translocáveis ou não translocáveis. Notavelmente, um aumento na razão sacarose:hexose sob baixo K sugere alterações na partição e utilização de açúcares. A alocação de biomassa também foi afetada, com redução notável na razão parte aérea:raiz, principalmente devido ao aumento do peso seco das raízes, provavelmente refletindo uma resposta adaptativa para aumentar a absorção de K. Nosso estudo fornece insights valiosos para práticas sustentáveis de fertilização potássica visando maximizar a capacidade fotossintética, o teor de pigmentos e a produção de biomassa. Esses achados enfatizam a importância de considerar as interações porta-enxerto/copa em pesquisas futuras para melhorar o vigor e a produtividade da macieira.

Abstract

Potassium (K) is an essential mineral element that supports numerous plant processes, including photosynthesis, enzyme activation, osmoregulation, and nutrient balance. This study investigated how K deficiency impacts growth, physiological performance, and carbohydrate metabolism in ‘Granny Smith’ apple trees grafted onto M9 rootstock. The experimental material was cultivated hydroponically in a greenhouse under four K regimes, including 0.00, 0.75, 1.50, and 3.00 mM K, over 159 days. Deficiency symptoms such as chlorosis and necrosis were observed primarily in basal leaves. A reduced net photosynthetic rate in top and basal leaves was linked to a decreased stomatal conductance, thus limiting CO2 uptake (stomatal limitations of photosynthesis). Photosynthetic pigments, including chlorophyll a, chlorophyll b, and carotenoids, were also significantly reduced in K-limited leaves. Furthermore, photochemical performance of PSII also declined under K deficiency, with lower electron transport rates, PSII efficiency, and photochemical quenching (non-stomatal limitations of photosynthesis). While the photosynthetic rate declined under K deficiency conditions, the carbohydrate metabolism remained relatively stable without significant variation in total, translocating, or non-translocating sugars. Notably, an increase in sucrose-to-hexose ratio under low K suggests changes in sugar partitioning and utilization. Biomass allocation was also affected, with a notable decrease in the shoot-to-root ratio, mainly due to increased dry weight of roots, likely reflecting an adaptive response to enhance K uptake. Our study provides valuable insights into sustainable K fertilization practices aiming to maximize photosynthetic capacity, pigment content, and biomass production. These findings emphasize the importance of considering rootstock/scion interactions in future research to enhance apple tree vigor and productivity.