TY - THES A1 - Steinmeyer, Ralf T1 - Untersuchungen und Simulationen zur Koordination der Ionenflüsse bei der Schließzellbewegung in Vicia faba und Arabidopsis thaliana T1 - Studies and Simulations about the Coordination of Ion Fluxes during the Guard Cell Movement in Vicia faba and Arabidopsis thaliana N2 - Trotz der bereits lange gut bekannten Funktion der Stomata und der einzelnen, an der Funktion beteiligten Transportproteine, fehlen Funktionsmodelle, die diese schließzellspezifsch in einen Zusammenhang bringen und ihre Koordination untersuchen. Ergebnisse - Der einwärts gleichrichtende Kaliumkanal aus Arabidopsis thaliana, KAT1 ist sowohl molekularbiologisch, als auch elektrophysiologisch gut charakterisiert. Ein „ausschalten“ dieses Kanals sollte die Stomaöffnung deutlich verlangsamen oder vermindern. Es wurde aber unter verschiedenen Bedingungen, weder mit Licht als Öffungsreiz, noch mit Fusicoccin, kein Unterschied zwischen Wildtyp und KAT1::En-1 Mutante gefunden. - Einige Publikationen schlagen Zucker, vornehmlich Glukose als osmotisch aktive Substanz zur Stomaöffnung vor, da im Tagesgang bei längerer Stomaöffnung auch die Zuckerkonzentration zunimmt. Die Zuckeraufnahme wurde mit einem fluoreszierenden Glukose-Derivat gemessen und als lichtabhängig gefunden. Weiterhin wurde die Aufnahme besonders durch CCCP gehemmt, was auf eine Abhängigkeit von einem Protonengradienten hindeutet. - Die Aufnahme von Glukose wurde weiterhin mit einer Knockout-Mutante des AtSTP1 Protonen/Zucker-Kotransporters getestet. Die deutliche Verminderung des Anteils der fluoreszierenden Zellen gegenüber dem Wildtyp unter den gleichen Bedingungen zeigt eine Beteiligung dieses Kotransporters an der Glukose-Aufnahme. - Schließzellen in der intakten Pflanze wurden auf den Verlauf ihres Membranpotentials in CO2-freier Luft bei Licht/Dunkel Wechseln untersucht. Ein großer Teil dieser Zellen zeigte eine wiederholbare Hyperpolarisation im Licht und Depolarisation im Dunklen. Als Auslöser dieser Änderung in der Membranspannung wurde hauptsächlich die (In-)Aktivierung eines instantanen positiven Stromes in der Größÿe von etwa 35 pA festgestellt, vermutlich die H+-ATPase. - Die Abhängigkeiten des Anionenkanals, der einwärts und auswärts gleichrichtenden Kaliumkanäle und der Protonenpumpe von internen und externen Ionenkonzentrationen, dem pH-Wert und der Membranspannung wurden in einer biophysikalischen Simulation vereint. Zusammen mit den jeweiligen Leitfähigkeiten und Literaturdaten der Konzentrationsverläufe ergibt sich ein realistisches Modell der Flüsse zur Stomabewegung. - Aus dem Modell ergeben sich zwei wesentliche Voraussagen für das Zusammenwirken der Transportproteine: 1. Bei der Stomaöffnung muss die H+-ATPase zur Beendigung der Öffnung wieder deaktiviert werden, anderenfalls steigt die interne Kaliumkonzentration und das Membranpotential fällt auf Werte, die in Messungen nie gefunden wurden. Eine Desensitisierung der H+-ATPase wurde zwar nach Blaulicht-Pulsen bereits gemessen, jedoch nicht bei andauernder Beleuchtung. 2. Der bisher in Schließzellen noch nicht elektrophysiologisch nachgewiesene Protonen/Chlorid Kotransporter zum Import von Chlorid muss nicht nur während der Stomaöffnung aktiv sein, sondern erhält auch eine Rolle beim Stomaschluss. Da die cytosolische Chloridkonzentration deutlich unter der von Kalium liegt, würde die für den Efflux der beiden Ionen nötige Depolarisation bereits enden, wenn die Chloridkonzentration deutlich sinkt, also bevor auch die Konzentration von Kalium soweit abgenommen hätte, dass die Spaltöffnung geschlossen wäre. - Zur Messung interner Ionenkonzentrationen in intakten Schlieÿzellen wurden verschiedene Methoden der Beladung mit fluoreszierenden Indikatorfarbsto#en getestet. Die Beladung durch niedrigen pH, niedrige Temperatur oder der Farbstoffe als Acetoxymethyl-Ester kann bei Schließzellen von Vicia faba als nicht praktikabel angesehen werden. Lediglich eine Detergenz unterstützte Farbstoffbeladung wurde in der Literatur gefunden. - Zur parallelen Anwendung elektrophysiologischer Messungen und fluoreszenzbasierter Bestimmung von Ionenkonzentrationen wurde eine Technik der Druckinjektion über einen Kanal einer Doppel-Elektrode getestet. Diese Methode erlaubt die Farbstoffinjektion, allerdings hat sich die Spannungs-Klemm-Technik mit der für einen einzelnen Kanal einer Einstichelektrode notwendigen gepulsten Technik als nicht praktikabel erwiesen, da die Membranspannung vermutlich aufgrund nicht kompensierbarer Kapazitäten nicht die vorgegebenen Werte erreichte. N2 - While the function of stomata as well as of the different proteins involved in ion fluxes across the plasma membrane are well understood, a guard cell specific model for the concerted function and coordination is still missing. Results - KAT1, the inward rectifying potassium channel from Arabidopsis thaliana is well characterized in terms of structure and electrophysiological function. A knock-out mutant of this channel should be restrained in stomatal opening. Nevertheless under different conditions, with light or fusicoccin as opening stimulus, no difference could be found between wild type and KAT1::En-1 mutant plants. - Glucose is found to accumulate in guard cells during the day when stomata are opened and it is thus suggested to contribute to the osmotical pressure for opening. The uptake of a fluorescent glucose derivative was found to be light dependent and impaired by addition of CCCP which eliminates the proton gradient across the plasma membrane. - A knock-out mutant of the proton/sugar cotransporter protein AtSTP1 showed a significant reduction of cells showing 2-NBDG fluorescence as compared to the wild type. This shows a prominent contribution of this transporter to the uptake of glucose. - Changes of the free running membrane potential upon light/dark transitions were measured in guard cells of intact Vicia faba plants. A majority of these cells showed repeatable hyperpolarizations in light and depolarizations in darkness. These changes in potential were mainly driven by the (in-)activation of an instantaneous positive current of about 35 mA, most probably the H+-ATPase. - In a biophysical simulation, the dependence of anion channel, inward as well as outward rectifying potassium channels and proton pump on cytosolic and apoplastic ion concentrations, pH and membrane potential were included to build a model of ion fluxes for stomatal movements. Also included were literature values for channel conductance and the kinetics of concentrations during stomatal movements. - From this model, two main predictions were made for the cooperation of transport proteins in stomatal movements: 1. At the end of the opening phase of stomata, the H+-ATPase must be deactivated, since otherwise the cytosolic potassium concentration would rise and the membrane potential would decrease both to values that were never reproduced in measurements. A desensitization of the H+-ATPase was already found after pulses of blue light, but never upon permanent white light. 2. The proton/chloride cotransporter not only needs to be active during stomal opening for chloride uptake, but also during closure. Since in guard cells of open stomata, the concentration of potassium is higher than that of chloride, a 1:1 efflux of both ions would soon end the depolarization needed for further potassium efflux. To overcome this, a chloride cycle is suggested, where the cotransporter is active and keeps the net efflux of chloride small. - Different loading techniques were tested for fluorescent calcium indicator dyes. Incubation at low pH, for the free acid form as well as low temperature for the acetoxymethyl-ester forms of the dyes were shown to be impossible in Vicia faba guard cells. During the work on this thesis, one example for a detergent-aided loading of free acid dyes was published. - For parallel recording of electrophyiological parameters and cytosolic ion concentrations, an injection technique was tested that operates by regulated air pressure on one barrel of a double-barreled pipette. The other barrel was used for measurements of the membrane potential. Experiments with a discontinuous voltage clamp amplifier failed, since the target voltage was not reached probably due to non-compensable, variable pipette capacities. KW - Ackerbohne KW - Schließzelle KW - Ionenkanal KW - Ackerschmalwand KW - Schließzelle KW - Ionenkanal KW - Apoplast KW - Membranpotential KW - guard cell KW - ion channel KW - apoplast KW - membrane potential Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-17098 ER - TY - THES A1 - Hartmann, Klaus Dieter T1 - Struktur, Funktion und chemische Zusammensetzung superinisierter Transportbarrieren im Apoplasten höherer Pflanzen T1 - Structur, Function and Chemical Composition of Suberized Transport Barriers in the Apoplast of Higher Plants N2 - In der vorliegenden Arbeit wurden die für den radialen Stofftransport durch die Wurzel Höherer Pflanzen wichtigen apoplastischen Barrieren der Wurzeln von sieben Pflanzenarten (Vicia faba L.; Typha glauca Godr.; Ricinus communis L.; Quercus petraea (Matt.) Liebl.; Fagus sylvatica L.; Picea abies (L.) Karst.; Zea mays L.) mikroskopisch charakterisiert und chemisch analysiert. Nach enyzmatischer Isolation der Gewebe wurde die Biopolymerzusammensetzung von Suberin und Lignin der isolierten Zellwände nach Depolymerisierung durch Umesterungsreaktion (Abbau von Suberin) oder Thioacidolyse (Abbau von Lignin) mittels Gaschromatographie und Massenspektroskopie aufgeklärt. Außerdem wurde Sprossknollenperiderm der Kartoffel (Solanum tuberosum L.) verschiedener post harvest Luftfeuchtebedingungen, sowie neugeformtes Wundperiderm chemisch-analytisch und auf die Permeabilität für Wasser hin untersucht. Zusätzlich zu den mikroskopischen und chemischen Analysen wurden die hydraulischen Leitfähigkeiten von Maiswurzeln verschiedener Kulturbedingungen und die Aufnahme von Rubidium-Ionen über die Maiswurzeln untersucht. Dabei wurde die Auswirkung von Salzstress (100mM NaCl), und eine Applikation des Phytohormons Abscisinsäure (10µM ABA) bei der Aufzucht der Pflanzen auf apoplastische Barrieren untersucht. Auch die Rubidiumaufnahme von bei Nitratmangel (0.00 M NO3-) aufgewachsenen Rizinuspflanzen wurde ermittelt und mit der chemischen Zusammensetzung der apoplastischen Barrieren korreliert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass: -monocotyle Pflanzen wesentlich höhere Aromatenanteile im Suberin apoplastischer Barrieren besitzen als dicotyle Pflanzen; -bei der Bewertung des Suberingehaltes apoplastischer Barrieren histochemische Methoden unzureichend sind; -die Flächenbelegung mit Suberin auch innerhalb gleicher Entwicklungsstadien bei verschiedenen Pflanzen stark unterschiedlich sein kann; -der Verknüpfungsgrad der Monomeren im Suberin stark unterschiedlich sein kann; -Suberin keine 100%ige Barriere für Wasser und Ionen darstellt; -Suberin auch eine Barriere gegen unkontrollierte Gasdiffusion darstellen kann; -der Stofftransport (z.B. Rb-Ionen) durch zusätzliche Suberinmengen verlangsamt werden kann, geringere Suberinmengen den Stofffluss aber nicht signifikant erhöhen wie bei Nitratmangelpflanzen gezeigt wurde; -eine direkte Ableitung der Funktion für den Wasser und Stofftransport aus dem Suberingehalt nicht ohne eine Extraktanalyse der Gewebe möglich ist, und in jedem Fall die Notwendigkeit besteht eine Flächenbelegung mit Suberin oder Wachsen zu ermitteln; -die Variabilität von Pflanzen verschiedenen Genotyps und die Entwicklung vieler verschiedener Anpassungsstrategien zum Schutz vor Stress eine Abschätzung funktioneller Aspekte aus monokausaler Sichtweise (z.B.: Suberingehalt) unmöglich macht. Um der Vielfältigkeit pflanzlicher Strategien gerecht zu werden, ist daher die Integration vieler unterschiedlicher Untersuchungsmethoden in interdisziplinärer Arbeitsweise notwendig. N2 - The aim of this thesis was to examine the chemical composition of suberised apoplastic barriers in roots of higher plants and to relate the obtained results to the function of these barrier tissues for the diffusive transport of ions and water. For the analysis of the chemical composition (mainly suberin and also lignin), the roots were digested enzymatically, and the remaining material was separated in two fractions: one fraction consisting of rhizodermal and hypodermal cell walls (RHCW) and the second one of endodermal cell walls (ECW). Xylem vessels were not analised. Suberin content of the isolated cell walls was determined after transesterification and GC/FID and GC/MS analysis of the monomers. Prior to the chemical analysis, the anatomical structures of the roots were thoroughly examined with light microscopy using histochemical dyes and UV-light as well as scanning electron microscopy. Analysis were performed on the roots of several species: Vicia faba L., Typha glauca Godr., Quercus petraea (Matt.) Liebl., Fagus sylvatica L., Picea abies (L.) Karst., Rhicinus communis L. and Zea mays L. To reveal functional aspects for the transport of water through suberised barriers, potato tuber (Solanum tuberosum L.) skin was used as a model system because it is easy to obtain and consists to more than 20% of suberin. Additionally it is impregnated with aliphatic wax like materials. Experiments with freshly harvested potatoes showed, that suberin and wax content increased in the first days after cutting the tubers from the stele, but no additional cell layers were build. As the content of aliphatic components increased in the peridermal cell walls, the water permeability decreased. Removal of the waxes increased the water permeability of potato periderm to more than a 100 fold from 5.4∙10-11 m s-1 to 8.0∙10-9 m s-1 for the extracted ones. Surprisingly, there was no significant difference in the water permeability of periderms with different suberin content. 28 day old periderms had approx. twice as much as the suberin from freshly harvested ones, but the difference in permeability was smaller than 0.4 units. These results are showing, that suberin is not a water tight barrier as it is discussed in common text books, but to a certain extend it controls the water flux. Suberin amounts and permeabilities where used to estimate hypothetical transport data for root tissues, but the calculated values were only roughly in the range of measured root hydraulic permeabilities obtained from pressure probe experiments. Pressure probe experiments with roots of 8 day old maize seedlings showed, that a higher suberin content in the exodermis significantly reduces the radial water flow through the roots. Even the ion flux in maize roots is reduced, when barrier tissues contained more suberin. These results were obtained in experiments with rubidium-ions as a tracer for potassium-ions in maize seedlings. Apoplastic root barrier tissues, especially the endodermis were strongly enhanced, when the plants were grown under 100 mM NaCl or with 10 µM of the stress-hormone abscisic acid in the hydroponic growth-solution. On the other hand, it was shown that plants of the same species but with different genotypes responded each in a different way to stress situations. For example, whilest maize genotype Pioneer 3906 was able to cope with high salt concentrations, without altering apoplastic barriers, the genotype Across 8023 showed strong enhancement with high suberin amounts of the endodermal cell walls at the same salt concentrations. Lack of nutrients (e.g.: nitrate) in castor bean hydroponic culture leads to low suberin content in the endodermis but the uptake ability for rubidium-ions was not affected at all. Analysis of broad bean root nodules showed the relevance of high suberin amounts as a barrier for water and solutes as well as for gases. Suberin content in nodules were much higher than in the root apoplastic barriers, for that it would concluded, that the uncontrolled diffusion of oxygen into the infected zone of the nodule was inhibited by large amounts of suberin in the nodule endodermis. Another hint to this idea was the analysis of Typha glauca roots and rhizomes, which had more suberin in the exodermis than in the endodermis (in maize it was vice versa), because the submerged tissues are full of air-filled intercellular spaces and the function of higher suberin amounts in the exodermis may be to prevent oxygen loss. The results of this thesis are showing that suberin is a variable material with several functions, not only as a transport barrier for water, ions and gases which controls to a certain extend the fluxes in and out of the apoplast, but also as a barrier against pathogens with high contents of aromatic materials. KW - Samenpflanzen KW - Wurzel KW - Stofftransport KW - Apoplast KW - Lignin KW - WURZEL KW - APOPLAST KW - SUBERIN KW - LIGNIN KW - ENDODERMIS KW - CASPARY-STREIFEN KW - Root KW - Apoplast KW - Suberin KW - Lignin KW - Endodermis KW - Casparian strip Y1 - 2002 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-4999 ER -