@phdthesis{Degenhardt2000,
  author    = {Degenhardt, Birgit},
  title     = {Wachstum und physiologisches Verhalten von Zea mays bei multiplem Streß unter besonderer Ber{\"u}cksichtigung des Wurzelsystems},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-16964},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2000},
  abstract  = {In der vorgestellten Arbeit wurden das Wachstum und das physiologische Verhalten von Zea mays auf M{\"u}llheizkraftwerk (MHKW) -Schlacke im Vergleich zu Gartenerde als Kulturmedium untersucht. Dabei stand das Wurzelsystem der Maispflanzen im Mittelpunkt des Interesses. Da feste Bodensubstrate verwendet wurden, mußten diese zu Beginn der Experimente chemisch, physikalisch und bodenbiologisch charakterisiert werden. Die Analyse der Schlacke zeigte, daß Schlacke ein multifaktorielles Streßsystem darstellt: Sie enth{\"a}lt einen hohen Gehalt an leicht l{\"o}slichen Salzen, v.a. NaCl (bis zu 220 mM in der Bodenl{\"o}sung). MHKW-Schlacke ist dagegen arm an Stickstoff und pflanzenverf{\"u}gbarem Phosphat. Der pH-Wert der Bodenl{\"o}sung von Schlacke ist stark alkalisch (pH 8.4 - 9.0). Dar{\"u}ber hinaus besitzt Schlacke einen hohen Gehalt an potentiell toxischen Schwermetallen und weist im Vergleich zum Kontrollsubstrat Gartenerde eine verdichtete Bodenstruktur mit erh{\"o}htem mechanischen Widerstand auf. Im Vergleich zu der Kontroll-Anzucht auf Gartenerde reagierten die auf Schlacke kultivierten Mais-Pflanzen mit vermindertem Wachstum: Sproß und Wurzel erreichten nur die H{\"a}lfte der L{\"a}nge der Kontrollpflanzen. Ein Vergleich der Biomassen von Sproß und Wurzel zeigte, daß das Sproßwachstum der Schlacke-Pflanzen st{\"a}rker eingeschr{\"a}nkt ist als das Wurzelwachstum, woraus ein vergr{\"o}ßertes Wurzel / Sproß-Verh{\"a}ltnis resultiert. Das Wachstum von jungen Mais-Pflanzen auf Schlacke ist jedoch nicht in dem Maß eingeschr{\"a}nkt, wie es aufgrund der hohen Salzbelastung zu erwarten w{\"a}re. In einem Vergleichsexperiment mit Mais-Pflanzen, die in einer N{\"a}hrl{\"o}sung mit Zusatz von 100 mM NaCl kultiviert wurden, war das Wachstum erheblich schlechter und in den Bl{\"a}ttern akkumulierte weitaus mehr Natrium als in Schlacke-Pflanzen. Hier wird der positive Einfluß des hohen Calciumgehaltes der Schlacke deutlich. Die Beeintr{\"a}chtigung des Wachstums von Mais bei Kultur auf Schlacke wird haupts{\"a}chlich auf Phosphatmangel zur{\"u}ckgef{\"u}hrt, da durch D{\"u}ngung eine betr{\"a}chtliche Wachstumsverbesserung erzielt werden kann. Zudem wurden keine toxischen Konzentrationen an Schwermetallen im Blattgewebe von auf Schlacke kultivierten Pflanzen gefunden. Der Photosynthese-Apparat der Schlacke-kultivierten Pflanzen war sehr leistungsf{\"a}hig: Es bestand keine Beeintr{\"a}chtigung in der Energieverf{\"u}gbarkeit (Quantenausbeute des Photosystems II) und die Lichts{\"a}ttigung der photo-synthetischen Elektronentransportrate lag sogar h{\"o}her als bei den Kontrollpflanzen. Die Bestimmung des „adenylate energy charge" best{\"a}tigte diesen Sachverhalt. Das Wurzelsystem von Zea mays auf Schlacke wies strukturelle Ver{\"a}nderungen auf. Neben der verk{\"u}rzten Wurzell{\"a}nge und dem vergr{\"o}ßerten Wurzeldurchmesser der Schlacke-Pflanzen ergaben mikroskopische Untersuchungen, daß die Wurzeln durch Kultur auf Schlacke mit einer mechanischen Verst{\"a}rkung reagieren: St{\"a}rker ausgepr{\"a}gte tangentiale Zellwandverdickungen der Endodermis im terti{\"a}ren Zustand und Zellwandmodifikationen in den radialen Zellw{\"a}nden der Rhizodermis (Phi-Verdickungen). F{\"u}r monokotyle Arten, insbesondere f{\"u}r Mais, gibt es bisher keine Beschreibung von Phi-Verdickungen in der Literatur. Gaschromatographische und massenspektrometrische Untersuchungen belegen, daß sich die Zellw{\"a}nde von auf Erde und Schlacke kultivierten Maiswurzeln im Hinblick auf den Gesamtgehalt an Lignin (endodermale Zellwandisolate) und in der Ligninzusammensetzung (hypodermale Zellwandisolate) unterscheiden: In Schlacke-kultivierten Maiswurzeln wurde ein h{\"o}herer Anteil an dem Lignin-Monomer p Hydroxyphenyl gefunden, was zu einem h{\"o}her verdichteten Lignin f{\"u}hrt (Streßlignin). Die endodermalen Zellw{\"a}nde von auf Schlacke-kulivierten Pflanzen hatten dagegen einen h{\"o}heren Gesamtlignin-Gehalt als die entsprechenden Kontrollen, was ebenfalls eine mechanische Verst{\"a}rkung der Wurzel bewirkt. In Bezug auf Suberin konnten keine Unterschiede zwischen den verschiedenen Anzuchten gefunden werden, weder in den hypodermalen noch in den endodermalen Zellwandisolaten. Die verschiedenen Streßfaktoren f{\"u}hren demnach nicht zu einer verst{\"a}rkten Impr{\"a}gnierung der Zellw{\"a}nde mit lipophilem Material. Die Zellw{\"a}nde von Mais spielen eine wichtige Rolle bei der Immobilisierung von Schwermetallen. Die Zellwandisolate von auf Erde und Schlacke kultivierten Mais-Pflanzen wiesen je nach Schwermetall-Element 43 - 100 \% des Gesamtgehaltes auf. Die absoluten Gehalte in den Zellwandisolaten von auf Schlacke angezogenen Pflanzen waren dabei h{\"o}her als die entsprechenden Werte der Kontrolle. Eine Anreicherung in den Zellw{\"a}nden wurde haupts{\"a}chlich f{\"u}r die Schwermetalle Zink, Blei, Nickel und Chrom beobachtet. Als unspezifische Streßantwort reagierten Maispflanzen auf die Kultur in Schlacke mit einer erh{\"o}hten Peroxidaseaktivit{\"a}t in der interzellul{\"a}ren Waschfl{\"u}ssigkeit. Die Peroxidaseaktivit{\"a}t des Symplastens der Wurzel unterscheidet sich zwischen den beiden Anzuchten dagegen nicht. Die Konzentration des Phytohormons Abscisins{\"a}ure (ABA) war in Bl{\"a}ttern von auf Schlacke kultivierten Pflanzen von Zea mays und Vicia faba im Vergleich zu den Kontrollpflanzen erh{\"o}ht. Dieser Anstieg ist eine Folge der erh{\"o}hten Salzbelastung der Schlacke, da die ABA-Gehalte entsprechender Bl{\"a}tter von auf gewaschener Schlacke kultivierten Pflanzen ann{\"a}hernd den Kontrollwerten entsprachen. Bei der Verteilung von ABA zwischen der Wurzel und der Bodenl{\"o}sung der umliegenden Rhizosph{\"a}re konnte das als Anionenfalle bekannte Prinzip best{\"a}tigt werden. Nach diesem Modell reichert sich ABA im alkalischten Kompartiment an (hier: Schlacke-Bodenl{\"o}sung). In den Wurzeln konnte nur in der Maiskultur auf Schlacke ein erh{\"o}hter Gehalt gefunden werden, nicht dagegen in der Vicia faba-Kultur. Dieser Unterschied liegt daran, daß Mais im Gegensatz zu Vicia faba eine exodermale Spezies ist und die Exodermis f{\"u}r ABA eine Barriere darstellt, was den ABA-Efflux in die Rhizosph{\"a}re verhindert. Im Wurzelgewebe von auf Schlacke kultivierten Maispflanzen wurde ein im Vergleich zur Kontrolle 15-facher Gehalt an wasserl{\"o}slichen, nicht proteingebundenen Sulfhydrylgruppen nachgewiesen. Diese auf Schwermetallstreß zur{\"u}ckzuf{\"u}hrende Reaktion impliziert, daß die in der Schlacke-Bodenl{\"o}sung vorhandenen Schwermetalle nicht ausreichend im Apoplasten zur{\"u}ckgehalten werden und bis in den Symplasten vordringen k{\"o}nnen.},
  subject      = {Mais},
  language  = {de}
}