Bedeutung des pH-Wertes im Apoplasten für das Blattwachstum von mono- und dikotylen Pflanzen unter Salzstress
Final Report Abstract
Salzstress zält zu einem der Hauptfaktoren, durch welches Pflanzenwachstum erheblich eingeschränkt wird. Diese Reaktion ist besonders stark bei Glycophyten ausgeprägt, zu denen sowohl Mais {Zea mays L.) als auch die Ackerbohne {Vicia faba L.) zu zählen sind. Ein mögliches Mittel, Wachstumsdepressionen zu überwinden, kann über die Ausbildung verschiedener Resistenzmechanismen erfolgen. Da Salzresistenz jedoch multigen beeinflusst wird und ein komplexes Phänomen biochemischer und physiologischer Prozesse darstellt, ist es schwierig, einzelne Wirkungszusammenhänge zu erkennen. Welche Faktoren schließlich zu einer Wachstumsreduktion unter Salzstress führen und wie Salzresistenz unter diesem Aspekt einzuordnen ist, ist noch weitgehend unbekannt. Vor dem Hintergrund der Säurewachstumstheorie und ausgehend von einer veränderten lonenverteilung in der Pflanze unter Salzstress war das Ziel dieses Projektes, einen möglichen Einfluss auf die Plasmalemma-H+-AT Pase sowie daraus folgend auf den apoplastischen pH-Wert und die Funktionalität der Expansine zu erkennen und zu prüfen. Abschließend lassen sich die wichtigsten Mechanismen wie folgt plakativ charakterisieren: • Wie wirkt sich Salzstress auf das Wachstum von Glycophyten aus? Salinität führte bei beiden Pflanzenarten und Genotypen zu einer unterschiedlichen Wachstumsreaktion in der ersten Phase von Salzstress. Dabei war das Sprosswachstum des sensitiven Pioneer 3906 sowie der Ackerbohne deutlich stärker beeinträchtigt als das des resistenteren Maisgenotyps (SR03). • Gibt es Unterschiede in den lonenverhältnissen unter Salzstress? Unter Salzstress zeigten alle Pflanzen bis zu einem Salzangebot von 100 mM NaCl keine ausgewiesene lonentoxizität. Im Vergleich zur Kontrolle waren aber deutliche Veränderungen in der Kalium- und Natriumverteilung zu erkennen. So war der resistentere Maishybrid SR03 im Vergleich zu Pioneer 3906 und der Ackerbohne in der Lage, auch unter einer hohen Salzbelastung ein günstigeres K+/Na+-Verhältnis aufrecht zu erhalten. • Ändert sich unter Salzstress die Aktivität der Plasmalemma-ATPase? Unabhängig vom Einfluss des Salzstresses war bei beiden Maisgenotypen keine Veränderung der hydrolytischen Aktivität festzustellen. Demgegenüber kam es bei Pioneer 3906 zu einer salzinduzierten Abnahme der H+-Pumpaktivität in der ersten Phase des Salzstresses, welche jedoch bei SR03 ausblieb. • Kommt es unter Salzstress zu einer Erhöhung des pH-Wertes im Blattapoplasten? Die Unterschiede in der H+-Pumpaktivität beider Genotypen war auf die Ausprägung des apoplastischen pH-Wertes zu übertragen. Durch zwei methodische in vivo Ansätze konnte nachgewiesen werden, dass es unter Salzstress in der ersten Phase zu einer Alkalisierung des Blattapoplasten des sensitiven Maisgenotyps Pioneer 3906 sowie der Ackerbohne kam, wohingegen kern Einfluss auf das Ansäuerungsvermögen des resistenteren SR 03 zu erkennen war. Eine Alkalisierung des Blattapoplasten konnte weiterhin sowohl indirekt über Berechnung als auch direkt mittels der DISP-Methode mit einem reduzierten Wachstum korreliert werden. • Sind unter Salzstress wachstumsinduzierende Proteine in ihrer Funktionalität eingeschränkt? Eine für Expansine beschriebene Stimulation der Transkripte durch Salzstress und deren direkte Übersetzung in funktionelle Proteine konnte bei beiden Maisgenotypen nicht beobachtet werden. Vielmehr kam es bei Pioneer 3906 zu einer deutlich verminderten Expression, bei SR 03 hingegen zu einer Hochregulation. Resistenzbedingte Unterschiede lassen sich also auch auf der Proteinebene nach vollziehen. Die vorliegenden Ergebnisse spiegeln bereits deutlich mögliche wachstumshemmende Wirkungszusammenhänge im Blattapoplasten unter Salzstress wieder. Dennoch gibt es einige Faktoren, die während dieses Projektes nicht in ihrer Ausführlichkeit geprüft werden konnten. Dieses betrifft zum einen die Aktivität der Plasmalemma-H+-ATPase in dikotylen Pflanzen. Ein direkter Vergleich der Pumpaktivität beispielsweise zwischen verschieden resistenten Ackerbohnesorten könnte ein weiteres Glied zur Beschreibung der pH-Veränderungen auch in dikotylen Pflanzen darstellen. Ebenso scheint eine intensivere Beschreibung der unter Kontroll- und Salzstressbedingungen exprimierten Transkripte der MHA-Familie sowohl in mono- als auch dikotylen Pflanzen von Bedeutung, nicht zuletzt, um dadurch die pH-Regulation über die Plasmalemma-ATPase besser zu verstehen. Da während dieses Projektes die Proteomanalytik nur als kleiner zusätzlicher Teilbereich berücksichtigt wurde, können weitere Versuche sowohl auf genetischer als auch auf Proteinebene wichtige Hinweise bezüglich der Rolle wachstumsfördernder Alpha- und ß-Expansine im Wirkungsgefüge der Pflanze unter Salzstress liefern.
Publications
- Vortrag im Intemational Colloquium "Salt Stress and Salt Resistance of Crop Plants", Justus- Liebig Universität Gießen, Juni 2005: "Physiological traits for the decline in leaf growth under salinity"
K. H. Mühling
- Vortrag im Seminar für Phytosphäre, Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre im Forschungszentmm Jülich, März 2005: "Bestimmung von Kationen im Blattapoplasten mit Hilfe der ratio metrischen Fluoreszenzmikroskopie".
K. H. Mühling und T. Kranz
- Eingeladener Vortrag an der Agrar- und Emähmngswissenschaftliehen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Juli 2006: "Emähmngsphysiologische Aspekte von Kulturpflanzen imter Salzstress"
K. H. Mühling
- (2007): Does apoplastic pH contribute towards reduced leaf growth in plants under salinity. In: Plant Nutrition and its Prospects, Proc Int. Conf Bmo, ISBN 978-80-7375-068-8, Tschechien, pp. 63-66.
Pitann, B., T. Kranz und K. H. Mühling
- Vortrag anlässlich der Intemationalen Konferenz "Plant Nutrition and its Prospects" in Bmo / Tschechien, September 2007: "Does apoplastic pH contribute towards reduced leaf growth in plants under salinity?".
B. Pitann und K. H. Mühling
- (2008): "Einfluss der Plasmalemma-ATPase-Aktivität und des apoplastischen pHWertes auf das Blattwachstum und die Proteinexpression von salzempfindlichen und salzresistenten Maisgenotypen". Schriftenreihe der Agrar- imd Emähmngswissenschaftlichen Fakultät der Universität Kiel, 79, ISSN 0933-680 X.
Pitann, B.
- Vortrag am Institut für Pflanzenemähmng und Bodenkunde der CAU Kiel, März 2008: "Zusammenhang von Wachstumsprozessen und apoplastischem pH-Wert in Blättem von Vicia faba unter Salzstress".
T. Kranz
- Vortrag an der Agrar- und Emährungswissenschaftlichen Fakultät der CAU-Kiel, Juli 2008: "Salzstress bei Kulturpflanzen - Bedeutung für die landwirtschaftliche Produktion".
B. Pitann
- Vortrag anlässlich der Tagung der Deutschen Gesellschaft für Pflanzenemährung (DGP) in Speyer, September 2008: "Einfluss der Plasmalemma-ATPase-Aktivität und des apoplastischen pH-Wertes auf das Blattwachstum und die Proteinexpression von salzempfind Uchen und salzresistenten Maisgenotypen"
B. Pitarm
- Vortrag im "Lunchtime Seminar" des IFZ, JLU Gießen, November 2008: "Die Bedeutung der Plasmalemma-ATPase und des apoplastischen pH-Wertes in Blättem für die Adaption von Mais (Zea mays) an Salzstress".
B. Pitann
- (2009): The apoplastic pH and its significance in adaptation to salinity in maize (Zea mays L.): Comparison of fluorescence microscopy and pH-sensitive microelectrodes. Plant Science.
Pitann, B., T. Kranz and K. H. Mühling
- Plenar-Vortrag zur 59. Hochschultagung der Agrar- und Emährungswissenschaftliehen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Januar 2009: "Beeinflussung der Wehemähmng durch Bodenversalzung".
K. H. Mühling
