TY  - THES
A1  - Kolb, Christiane
T1  - Untersuchungen zur Erfassung und Bewertung der UV-Abschirmung bei Kulturvarietäten verschiedener Nutzpflanzenarten
T1  - Investigations on recording and evaluation of UV-screening in varieties of different crops
N2  - In dieser Arbeit wurden unter naturnahen Bedingungen die Effekte von UV-Strahlung auf die Akkumulation löslicher phenolischer Komponenten und die epidermale UV-Transmission in vivo bei Kulturvarietäten di- und monokotyler Arten untersucht. Durch die Versuchsanordnungen konnten die Effekte der spektralen Bereiche der UV-A- und UV-B-Strahlung von denen des sichtbaren Bereichs getrennt betrachtet werden. Visuelle Schadensevaluierungen und die Erfassung der variablen Chlorophyllfluoreszenz dienten der Beurteilung einer durch Strahlungseinflüsse bedingten Schädigung der untersuchten Organe. In kurzfristigen Experimenten erfolgte bei unter Schwachlichtbedingungen angezogenen Pflanzen eine rasche Verringerung der epidermalen UV-Transmission, die durch UV-Strahlung induziert oder verstärkt wurde. Dies stimmte für alle untersuchten Arten (Vitis vinifera, Hordeum vulgare, Avena sativa und Triticum aestivum) überein. Hingegen war in keinem Fall eine durch UV verstärkte Inhibierung der Photosynthese, bestimmt über die variable Chlorophyllfluoreszenz (FV/FM), zu erkennen. Zwischen der epidermalen Transmission für UV-A- und UV-B-Strahlung wurde bei allen drei monokotylen Arten ein strikt linearer Zusammenhang festgestellt. Dieser Zusammenhang bestand jedoch nicht für die untersuchten Organe in V. vinifera. Bei Vitis vinifera und Hordeum vulgare wurde über HPLC- Analytik eine positive Wirkung besonders der UV-B-Strahlung auf die Akkumulation der Flavonoide sowohl kurz- als auch langfristig nachgewiesen. Bei V. vinifera wurden die für Blätter bereits festgestellten Zusammenhänge (Kolb et al., 2001) an Beeren untersucht. Es wurden einerseits allgemeine Reaktionsmuster auf kurz- und langfristige UV- Exposition erfasst, und andererseits zwei Kulturvarietäten (cv. Bacchus und Silvaner) verglichen, deren Anfälligkeit für ein strahlungsbedingtes Schadsymptom unterschiedlich war. In allen Experimenten konnten ohne UV-Strahlung keine nennenswerten Mengen an Flavonoiden gebildet werden. Die löslichen Hydroxyzimtsäurederivate (HZS) hingegen waren bei den Beeren von der Art der Exposition weitgehend unabhängig. Die Identität der phenolischen Komponenten wurde über HPLC, UV-Spektroskopie, sowie Massenspektrometrie abgeklärt. Ihre Lokalisation in mehreren Zelllagen der Beerenhaut wurde durch Epifluoreszenzmikroskopie gezeigt. Der Einfluss des physiologischen Stadiums der Beeren auf die Akkumulation einzelner phenolischer Komponenten wurde durch Verwendung verschiedener Reifeindikatoren belegt. Im Vergleich zu den Blättern wurden Unterschiede bezüglich der Akkumulation der HZS festgestellt, während für die Akkumulation der Flavonoide weitgehend Übereinstimmung herrschte. Anders als bei den Blättern konnte bei den Beeren die fluorometrisch bestimmte epidermale Transmission nur zum Teil auf die Absorption der phenolischen Extrakte zurückgeführt werden. Die qualitativen Substanzmuster stimmten zwischen den Beeren der beiden Sorten überein, es konnten aber signifikante Unterschiede bezüglich der Quantität einzelner Komponenten festgestellt werden. Zwei bisher unter "Sonnenbrand" zusammengefasste Schadbilder konnten voneinander getrennt dargestellt werden. Eines der beiden wurde eindeutig durch UV- Strahlung induziert, wobei UV-B die Intensität verstärkte. Das Ziel, einen praxisrelevanten Bezug zwischen dem Schadbild der nicht-parasitär bedingten Blattverbräunung (NBV) bei Gerste und der Akklimatisation an verschiedene Strahlungsbedingungen herzustellen, bedingte eine Festlegung auf ausdifferenzierte Blätter adulter Pflanzen anstelle von Primärblättern. Die Auswahl der Kulturvarietäten bei H. vulgare erfolgte im Hinblick auf unterschiedliche Anfälligkeit für NBV. Zwischen den Sorten konnte jedoch bezüglich der Anpassungsfähigkeit der epidermalen UV-Transmission an die unterschiedlichen Strahlungsbedingungen kein eindeutiger Unterschied ermittelt werden. Die epidermale UV-Transmission in vivo wurde bei H. vulgare ebenfalls mit der Absorption von Extrakten löslicher phenolischer Komponenten in Beziehung gesetzt und mit der für die Blätter von V. vinifera gefundenen Relation verglichen. Übereinstimmend konnten ca. 80% der Transmissionseigenschaften über die Absorption der Extrakte erklärt werden. Dennoch bestanden deutliche Unterschiede in der Art der Relationen. Über HPLC-Analytik und UV-Spektroskopie wurden bei H. vulgare die löslichen phenolischen Komponenten in Derivate einzelner Flavonoide unterteilt. Die löslichen HZS hatten im Gegensatz zu V. vinifera nur einen geringen Anteil an der Gesamtmenge der phenolischen Substanzen. Das Substanzmuster der beiden Varietäten stimmte überein; teilweise auftretende Konzentrationsunterschiede bezüglich der Flavonoide insgesamt bzw. einzelner Komponenten waren zwischen den verschiedenen Experimenten nicht konsistent. Ein Zusammenhang zwischen der UV-Exposition und dem Auftreten oder der Intensität des Schadbildes NBV konnte nicht festgestellt werden.
N2  - In this study, the effects of UV radiation on accumulation of soluble phenolic compounds and on epidermal UV transmittance in vivo were investigated under close to nature conditions. Varieties of different crop species, of both dicots and monocots, were examined. The experimental design allowed to distinguish between effects of UV-B, UV-A and visible radiation. Inhibition of photosynthesis, measured by FV/FM, and observable damage caused by exposure to the different light regimes were determined. In plants grown under shaded conditions in the greenhouse, short time outdoor exposure resulted in fast reduction of epidermal UV transmittance. This effect was spe-cifically enhanced by UV radiation and was observed in all species investigated (V. vinifera, H. vulgare, A. sativa and T. aestivum). In contrast, inhibition of photosynthesis did not occur in all species. A good correlation was found between epidermal transmittance for UV-B and UV-A radiation in all of the monocot species investigated. This correlation, however, was not observed in V. vinifera. Flavonoid contents were determined in V. vinifera and H. vulgare by HPLC. Flavonoid synthesis was particularly enhanced by exposure to UV-B radiation. For V. vinifera, the study concentrated on long and short term effects of UV exposure on grapes and the data were related to recently reported UV effects on grape leaves (Kolb et al., 2001). Two white grapevine varieties (cv. Bacchus and cv. Silvaner) were compared. The two varieties differ in their sensitivity for "sunburn" a syndrome which typically occurs during periods of high light intensities. Phenolic compounds were examined by HPLC analysis, UV spectroscopy, and mass spectrometry. Phenolics of berries of the two varieties were similar and agreed with the phenolic substances determined in leaves. In all experiments, the amounts of flavonoids synthesised in absence of UV radiation were negligible. Under outdoor conditions, however, significant differences between the two berry types in the amount of phenolic compounds were determined. It was also shown that these variations are modulated by the prevailing developmental stage of grapes. Similar to leaves, UV-B radiation stimulated flavonoid synthesis in grapes. Different from leaves, synthesis of soluble hydroxycinnamic acids was not stimulated by high visible radiation. Furthermore, in leaves fluorescence microscopy demonstrated that phenolics are especially concentrated in the epidermal layer, whereas in grapes, phenolics appear to occur at elevated concentrations in several layers of the skin. The relationship between fluorometrically determined UV absorbance of grape skins and UV absorbance of extracted phenolics was statistically significant, but not all of the variations in absorbance by skin could be explained by phenolics. In leaves, damage during outdoor exposure was clearly enhanced by UV radiation. In grapes, sunburn, which was originally considered as a homogeneous syndrome after exposure to strong radiation, could be divided in two classes of stress reactions. One of these can be seen as strictly UV related, while the other is only enhanced by UV radiation, and occurred also under visible light conditions. Further studies investigated relations between the PLS (physiological leaf spot) syndrome occurring in fully developed leaves of barley and UV radiation. The crop varie-ties investigated showed a different sensitivity for PLS. However, acclimation to the different light conditions, determined as UV transmittance, revealed no clear difference between the cultivars. The relationship between fluorometrically determined UV absorbance of barley leaves and UV absorbance of extracted phenolics were examined. Similar as observed with V. vinifera leaves, about 80% of the variations of epidermal UV transmittance were explained by soluble phenolics. In H. vulgare, soluble phenolic compounds as identified by UV/VIS spectroscopy could be divided in two different groups of flavonoids while, in contrast to V. vinifera, soluble hydroxycinnamic acids are minor compounds in H. vulgare. HPLC profiles were similar for the two varieties of H. vulgare, and concentrations of flavonoids were almost comparable in both varieties in all experiments. These data together with UV exclusion experiments showed that PLS is not caused by UV-radiation.
KW  - Getreide
KW  - Weinrebe
KW  - Ultraviolett
KW  - Abschirmung
KW  - Flavonoide
KW  - Ultraviolett
KW  - Vitis
KW  - Gerste
KW  - Fluorimetrie
KW  - flavonoids
KW  - ultraviolet
KW  - Vitis
KW  - barley
KW  - fluorometry
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-5365
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jiang, Fan
T1  - Water, mineral nutrient and hormone flows and exchanges in the hemiparasitic association between root hemiparasite Rhinanthus minor and the host Hordeum vulgare
N2  - Summary Using the facultative root hemiparasite Rhinanthus minor and Hordeum vulgare as a host, several aspects of water relations, the flows and partitioning of mineral nutrients, the flows, depositions and metabolism of abscisic acid (ABA) and zeatin type cytokinins (zeatin Z, zeatin riboside ZR, zeatin nucleotide ZN) within the host, the parasite and between host and parasite and the flows and partitioning of the transport metabolites mannitol in the parasite, and of sucrose in the host, have been studied during the study period 41 to 54 days after planting, i.e about 30 to 43 days after successful attachment of the parasite to the host. Water relations Extraction of xylem sap by the parasite from the host’s roots is facilitated by considerably higher transpiration per leaf area in the parasite than in the host and by the fact that stomata of attached Rhinanthus were wide open all day and night despite extremely high ABA concentrations in the leaves. By comparison, another related root hemiparasite, Melampyrum arvense, parasitising on various grasses in the field (botanic garden), showed normal diurnal stomatal behaviour. The abnormal behaviour of Rhinanthus stomata was not due to anatomical reasons as closure could be induced by applying high external ABA concentrations. Remarkable differences have been detected between the hydraulic conductance of barley seminal roots showing relatively low values, and that of Rhinanthus the seminal root showing very high values. The latter could be related to the observed high ABA concentrations in these roots. Whole plant water uptake, transpirational losses, growth-dependent deposition and the flows of water within the plants have been measured in singly growing Rhinanthus and Hordeum plants and in the parasitic association between the two. Water uptake, deposition and transpiration in Rhinanthus were dramatically increased after attachment to the barley host; most of the water used by the parasite was extracted as xylem sap from the host, thereby scavenging 20% of the total water taken up by the host’s roots. This water uptake by the parasitised host, however, due to a parasite induced reduction in the hosts growth, was decreased by 22% as compared to non- parasitised barley. The overall changes in growth-related water deposition in host and parasite pointed to decreased shoot and relatively favoured root growth in the host and to strongly favoured shoot growth and less strongly increased root growth only in the parasite. These changes in the host became more severe, when more than one Rhinanthus was parasitising one barley plant. Mineral nutrients relations 5 mM NO3- supply In parasitising Rhinanthus shoot growth was 12-fold, but root growth only twofold increased compared to the non-parasitising (very small) plants. On the other hand, in the Hordeum host, shoot dry matter growth was clearly reduced, by 33% in leaf laminae and by 52% in leaf sheaths, whereas root growth was only slightly reduced as a consequence of parasitism. Growth-dependent increments of total N and P and of K, Ca and Mg in parasitising Rhinanthus shoot were strongly increased, particularly increments of total N and P, which were 18 and 42 times, respectively, higher than in the small solitary Rhinanthus. On the other hand, increments of the above mineral nutrients in leaf sheaths of parasitised Hordeum vulgare were more strongly decreased than in leaf laminae in response to parasitic attack. Estimation of the flows of nutrients revealed that Rhinanthus withdrew from the host xylem sap about the same percentage of each nutrients: 18% of total N, 22% of P and 20% of K. Within the host almost all net flows of nutrient ions were decreased due to parasitism, but retranslocation from shoot to root-as related to xylem flow-was somewhat increased for all nutrients. Quantitative information is provided to show that the substantially increased growth in the shoot of attached Rhinanthus and the observed decrease in Hordeum shoot growth after infection were related to strongly elevated supply of nitrogen and phosphorus in the parasite and to incipient deficiency of these nutrients in the parasitised host. The flows of nutrients between host and parasite are discussed in terms of low selectivity of nutrient abstraction from the host xylem by the hemiparasite Rhinanthus minor. 1 mM NO3- or 1 mM NH4+ supply Rhinanthus shoot growth as measured by dry matter increase, was 19-fold (1 mM NO3-) and 15-fold (1 mM NH4+), but root growth only twofold (1 mM NO3-) and 2.9-fold (1 mM NH4+) increased-relative to singly growing Rhinanthus-when parasitising on host barley. In the Hordeum host, shoot dry matter growth was clearly reduced, whereas root growth was only slightly affected. Growth-dependent increments of total N and P and of K, Ca and Mg in parasitising Rhinanthus shoot were strongly increased, particularly increments of total N or of P, which were 20 or 53 times (1 mM NO3-) and 18 or 51 times (1 mM NH4+) , respectively, higher than those in solitary Rhinanthus. Within the host almost all net flows of nutrient ions were decreased due to parasitism. Flows of mannitol in parasite and sucrose flows in host barley When the plants were supplied with 5 mM NO3-, the biosynthesis of mannitol in Rhinanthus shoots increased 16-fold by parasitism, resulting in a 15-fold higher mannitol flow in the phloem and a 10-fold higher deposition in the shoot. Also the backward transport of mannitol in the xylem were increased 10-fold after attachment. Lower level nitrogen supply increased the deposition of mannitol in both single and attached Rhinanthus shoot and root. No mannitol was found in barley roots even in the direct vicinity of the haustoria. This indicates there are no backward transport of xylem sap from parasite to host. Compared to unparasitised barley, the net biosynthesis and deposition of sucrose in the shoot and the phloem flow was decreased substantially when plants were supplied with 5 mM NO3- or 1 mM NO3-. No sucrose has been detected in barley xylem sap and consequently there was no indication of a sucrose transfer from the host to the parasite. A possible involvement of mannitol in the abscisic acid relations of the parasite is discussed. ABA relations When the plants were supplied with 5 mM NO3-, there were weak or no effects of parasitism on ABA flows, biosynthesis and ABA degradation in barley. However, ABA growth-dependent deposition was significantly increased in the leaf laminae (3 fold) and in leaf sheath (2.4 fold), but not in roots. Dramatic changes in ABA flows, metabolism and deposition on a per plant basis, however, have been observed in Rhinanthus. Biosynthesis in the roots was 12-fold higher after attachment resulting in 14-fold higher ABA flows in the xylem. A large portion of this ABA was metabolised, a small portion was deposited. Phloem flows of ABA were increased 13-fold after attachment. The concentrations of ABA in tissues and xylem sap were higher in attached Rhinanthus by an order of magnitude than in host tissues and xylem sap. Similar dramatic difference existed when comparing the high concentrations in the xylem sap of single Rhinanthus with unparasitised barley. As compared to 5 mM NO3-, lower NO3- or 1 mM NH4+ supply doubled the ABA concentrations in barley leaf laminae, while having only small or no significant effects in the other organs. The possible special functions of ABA for the parasite are discussed. Zeatin type cytokinins relations Parasitism decreased, in the case of zeatin (Z), the synthesis (by 57%) in the root, xylem flows (by 56%) and metabolism (by 71%) in leaf laminae, however, increased the phloem flows of zeatin massively (3-fold) in host barley. The deposition of zeatin in the root of Rhinanthus and the flowing in xylem and phloem were 24, 12, 29-fold, respectively, increased after successfully attaching to the host barley. However, net biosynthesis of zeatin in Rhinanthus roots decreased by 39% after attachment. This indicates that a large portion (70%) of xylem flow of zeatin in attached Rhinanthus was extracted from the host. In singly growing Rhinanthus plants, the balance of zeatin deposition in the shoot was negative, i.e. zeatin was metabolised and exported back to root in the phloem. The xylem flows of zeatin riboside (ZR) in barley decreased by 39% after infected by Rhinanthus; phloem flow, which was 117% relative to xylem flow was less decreased (by 13%) after infection. Deposition of ZR has not been significantly affected in the leaf laminae, in leaf sheaths and roots. After parasitising on the host barley depositions in root, xylem flow and phloem flow increased 12, 18, 88–fold respectively in Rhinanthus. A large portion (57%) of xylem flow of ZR in attached Rhinanthus was extracted from the host. In single Rhinanthus increament of shoot zeatin riboside was negative and a substantial portion was degraded in shoot and the rest was retranslocated back to the root in the phloem. A significant depositions of Z and ZR were detected in the haustoria of the Rhinanthus/barley association. Flows and deposition of zeatin nucleotides also have been investigated. The possible physiological functions of the large quantities of Z and ZR derived from the host barley, for the improved growth and the stomatal opening in the parasitising Rhinanthus are discussed.
N2  - Zusammenfassung An dem fakultativen Hemiparasiten Rhinanthus minor, einem Wurzelparasiten, und Gerste (Hordeum vulgare) als Wirtspflanze wurden verschiedene Aspekte des Wasserhaushaltes sowie die Flüsse von mineralischen Nährstoffen in den Leitbahnen von Wirt und Parasit, die Verteilung der Nährstoffe in den ganzen Pflanzen sowie deren Transport vom Wirt zum Parasiten untersucht. Auch für die pflanzlichen Hormone Abszisinsäure (ABA) und die Cytokinine vom Zeatintyp - Zeatin (Z), Zeatinribosid (ZR) und Zeatinnukleotid (ZN) - und die hauptsächlichen Transportmetabolite Mannit (im Parasiten) und Saccharose (in der Wirtspflanze) wurden deren Flüsse in den Leitbahnen der Pflanzen, ihre Verteilung in den Pflanzen, ihre metabolischen Umwandlungen und der mögliche Austausch zwischen Wirt und Parasit untersucht. Der Unersuchungszeitraum lag zwischen 41 und 54 Tagen nach der Aussaat und das war zugleich zwischen ca. 30 und 43 Tage nach dem erfolgreichen Befall des Wirtes durch den Parasiten. Wasserhaushalt. Ein Entzug von Xylemsaft durch die Haustorien des Parasiten aus den Wurzeln des Wirtes wird dadurch bewirkt, dass der Parasit eine wesentlich höhere Transpiration pro Blattfläche aufweist als die Wirtspflanze, sowie im speziellen Fall dadurch, dass bei parasitierenden Rhinanthus-Pflanzen trotz sehr hoher ABA-Konzentration in den Blättern die Stomata Tag und Nacht weit geöffnet sind. Bei einem verwandten Wurzel-Hemiparasiten, Melampyrum arvense, der im botanischen Garten auf verschiedenen Gräsern parasitierte, wurde anders als bei Rhinanthus im Freiland ein normales diurnales Öffnen und Schließen der Stomata beobachtet. Das anomale Spaltöffnungsverhalten bei Rhinanthus beruht freilich nicht auf anatomischen Besonderheiten, denn ein Schließen der Stomata ließ sich durch Applikation extrem hoher ABA – Konzentrationen induzieren. Bemerkenswerte Unterschiede zwischen der Wirtspflanze und dem Parasiten wurden hinsichtlich der hydraulischen Leitfähigkeit der Keimwurzeln von Gerste mit vergleichsweise niedrigen Werten und derjenigen der Keimwurzel von Rhinanthus mit sehr hohen Werten gemessen. Letzteres könnte mit den beobachteten hohen ABA Konzentrationen in den Wurzeln des Parasiten zusammenhängen. Die Wasseraufnahme durch die ganze Pflanze, die Transpiration, die Deposition von Zellwasser in den Organen und die Wasserflüsse in den Leitbahnen innerhalb der Pflanze wurden in unabhängig wachsenden Rhinanthus- und in Hordeum- Pflanzen sowie innerhalb der parasitischen Assoziation zwischen beiden gemessen. Die Aufnahme von Wasser, seine Einlagerung und die Transpiration waren bei Rhinanthus nach erfolgreichem Befall einer Gersten – Wirtspflanze drastisch erhöht, wobei der Hauptanteil des vom Parasiten genutzten Wassers vom Wirt stammte und wodurch 20% der gesamten Wasseraufnahme der Gerstenwurzel entzogen wurde. In der vom Parasiten befallenen Gerste wurde dadurch jedoch die Wasseraufnahme im Vergleich zu einer unbefallenen Pflanze um 22% erniedrigt und zugleich auch das Wachstum behindert. Insgesamt kam es in der Wirtspflanze Gerste zu vermindertem Spross- und relativ gefördertem Wurzelwachstum, während im Parasiten Rhinanthus besonders das Sprosswachstum und weniger das Wurzelwachstum gesteigert wurde. Diese Veränderungen in der Wirtspflanze wurden deutlich intensiviert, wenn die Gerste von mehr als einem Rhinanthus-Parasiten befallen wurde. Mineralstoffwechsel. Düngung mit 5 mM NO3- In parasitierenden Rhinanthus-Pflanzen war das Sprosswachstum 12 – fach, das der Wurzel aber nur zweifach im Vergleich zu selbstständig wachsenden (sehr kleinen) Pflanzen erhöht. Andererseits war in der vom Parasiten befallenen Gerste das Sprosswachstum – gemessen als Trockenmassezunahme – deutlich erniedrigt, und zwar um 33% in Blattspreiten und um 52% in Blattscheiden, während das Wurzelwachstum nur geringfügig im Vergleich zur unbefallenen Kontrolle vermindert war. Die mit dem Wachstum verbundenen Inkorporationen von N, von P, von K sowie von Ca und Mg waren im Spross von parasitisch ernährtem Rhinanthus beträchtlich erhöht, besonders die von N und von P, die 18- oder sogar 42-fach im Vergleich zu den selbständig wachsenden Pflänzchen erhöht waren. Andererseits waren in der Wirtspflanze infolge des Parasitenbefalles die Inkorporationen der genannten Mineralstoffe in den Blattscheiden stärker als in den Blattspreiten erniedrigt. Eine Berechnung der Nährstoffflüsse zeigte, dass Rhinanthus dem Xylemsaft des Wirtes jeweils ähnliche Anteile der Nährstoffe entzog: 18% des insgesamt aufgenommenen N, 22% des P und 20% des K. Innerhalb der Wirtspflanze Gerste waren die Nettoflüsse fast aller mineralischen Nährstoff-Ionen in den Leitbahnen infolge des Parasitenbefalles erniedrigt, aber die Retranslokation im Phloem vom Spross zur Wurzel war für alle Nährstoffe – in Bezug auf den Xylemtransport - geringfügig erhöht. Quantitative Daten deuten an, dass das drastisch gesteigerte Sprosswachstum in parasitisch ernährtem Rhinanthus sowie das vermindere Sprosswachstum bei der Gerste nach dem Parasitenbefall kausal einerseits mit der beträchtlich erhöhten Zufuhr von gebundenem Stickstoff und Phosphor an den Parasiten und andererseits mit einem einsetzenden Mangel an diesen Nährstoffen in der befallenen Wirtspflanze verbunden ist. Insgesamt werden die Nährstoff-Flüsse von der Wirtspflanze zum Parasiten im Lichte einer nur geringfügigen Selektivität des Entzuges von Nährstoff-Ionen zusammen mit dem Xylemsaft aus dem Xylem des Wirtes durch die Haustorien des Wurzelparasiten Rhinanthus minor diskutiert. Düngung mit 1 mM NO3- oder 1 mM NH4+ Das als Trockenmassezunahme gemessene Sprosswachstum von parasitisch ernährtem Rhinanthus war 19-fach (1 mM NO3-) bzw. 15-fach (1 mM NH4+) , das Wurzelwachstum aber nur 2-fach (1 mM NO3-) bzw. 2.9-fach (1 mM NH4+) im Vergleich zur selbständig wachsenden Kontrolle erhöht. In der Wirtspflanze Gerste war das Sprosswachstum deutlich vermindert, während das Wurzelwachstum nur wenig beeinflusst war. Die mit dem Wachstum verbunden Zunahme an gebundenem N und P sowie an K, Ca und Mg waren im Spross von parasitisch ernährtem Rhinanthus stark vermehrt, und zwar besonders die Zunahme an gebundenem N bzw. P, die 20- bzw. 53-fach (bei 1 mM NO3-) und 18- bzw. 51-fach (bei 1 mM NH4+) im Vergleich zu selbständig wachsenden Rhinanthus- Pflänzchen erhöht waren. Innerhalb der Wirtspflanze Gerste waren fast alle Nettoflüsse der verschiedenen Nährstoff-Ionen infolge des Parasitenbefalles erniedrigt. Flüsse von Mannit im Parasiten Rhinanthus und von Saccharose in der Wirtspflanze Gerste. Im Falle einer Stickstoffernährung mit 5 mM NO3- war die Biosynthese von Mannit in den Blättern von parasitisch ernährtem Rhinanthus 16-fach im Vergleich zum selbständig wachsenden Pflänzchen erhöht und das führte zu einem 15-fach gesteigerten Phloemtransport zur Wurzel und einer 10-fach erhöhten Einlagerung von Mannit im Spross. Auch der Rücktransport von Mannit im Xylem von der Wurzel zum Spross war 10-fach erhöht. Im Falle einer Stickstoffernährung mit geringerer Konzentration war die Einlagerung von Mannit im Spross und in der Wurzel sowohl bei selbständig wachsendem als auch bei parasitisch ernährtem Rhinanthus im Vergleich zu 5 mM NO3- erhöht. In der Wirtspflanze Gerste konnte kein Mannit detektiert werden, auch nicht in den Wurzeln von Rhinanthus-befallenen Pflanzen, selbst nicht in direkter Nachbarschaft zu den Haustorien des Parasiten; das bedeutet, es erfolgte kein Rücktransport von Xylemsaft vom Parasiten zur Wirtspflanze. In den Gerstenpflanzen – bei Ernährung mit 5 mM oder mit 1 mM NO3- – wurde die Nettosynthese von Saccharose sowie ihre Einlagerung im Spross und ihr Transport im Phloem zur Wurzel erheblich infolge eines Befalles mit Rhinanthus erniedrigt. Im Xylemsaft von Gerste war die Konzentration von Saccharose unterhalb der Nachweisgrenze und folglich gab es keinen Hinweis auf einen Transfer von Saccharose aus dem Wirt in den Parasiten. Eine mögliche Bedeutung von Mannit für die hohen ABA-Konzentrationen in Rhinanthus wird diskutiert. Konzentrationen und Flüsse von ABA. Bei einer Stickstoffernährung mit 5 mM NO3- hatte ein parasitischer Befall mit Rhinanthus nur geringen oder keinen Einfluss auf die Flüsse, die Biosynthese oder den metabolischen Abbau von ABA in der Gerstenpflanze. Wohl aber wurde die wachstumsbedingte Einlagerung von ABA in den Blattspreiten (3-fach) und den Blattscheiden (2.4-fach) vermehrt, diejenige in der Wurzel blieb aber unverändert. In Rhinanthus dagegen führte der erfolgreiche Befall einer Wirtspflanze zu drastischen Veränderungen der Flüsse, des Metabolismus und der Einlagerung von ABA in die Gewebe, jeweils gemessen im Bezug auf eine ganze Pflanze. Auf dieser Basis war die ABA-Biosynthese in den Wurzeln nach erfolgreichem Befall eines Wirtes 12-fach höher und dies führte zu 14-fach höherem ABA-Transport im Xylem. Ein großer Anteil dieser ABA wurde im Spross metabolisiert, ein kleiner Anteil wurde in die Gewebe eingelagert. Auch die ABA-Flüsse im Phloem wurden 13-fach erhöht. Gleichzeitig waren die ABA-Konzentrationen in den Geweben und im Xylemsaft der parasitierenden Rhinanthus-Pflanze um eine Größenordnung höher als in den Geweben und im Xylemsaft der Wirtspflanze. Dasselbe gilt auch für einen Vergleich zwischen den hohen ABA-Konzentrationen im Xylemsaft von selbstständig wachsendem Rhinanthus und den niedrigen in nicht vom Parasiten befallener Gerste. Im Vergleich zur Ernährung mit 5 mM NO3- führte 1 mM NO3- oder auch 1 mM NH4+ zu einer Verdoppelung der ABA-Konzentrationen in den Blattspreiten von Gerste, hatte aber nur geringe oder keine Wirkung in den anderen Organen. Mögliche spezielle Funktionen von ABA für den Parasiten werden diskutiert. Cytokinine vom Zeatin-Typ Ein parasitischer Befall verminderte bei Zeatin (Z) seine Synthese in der Wurzel der Wirtspflanze Gerste (um 57%), den Xylemtransport (um 56%) und den metabolischen Umbau in den Blattspreiten (um 71%), jedoch vergrößerte er zugleich substantiell (3-fach) den Phloemtransport von Zeatin in der Gerste. In Rhinanthus wurde die Einlagerung von Zeatin in der Wurzel und seine auf eine ganze Pflanze bezogenen Flüsse im Xylem und im Phloem 24-, 12- bzw. 29-fach nach erfolgreichem Befall von Gerste erhöht. Jedoch die Netto-Biosynthese von Zeatin in der Wurzel von Rhinanthus verminderte sich um 39% nach erfolgreichem Befall des Wirtes. Das bedeutet, dass ein großer Anteil (70 %) des im Xylem von Rhinanthus transportierten Zeatin zuvor dem Xylem der Wirtspflanze Gerste entzogen wurde. Im Spross selbständig wachsender Rhinanthus-Pflänzchen war die Einlagerung von Zeatin in die Sprossgewebe in der Bilanz negativ, d.h. Zeatin wurde abgebaut bzw. im Phloem abtransportiert. Die Flüsse von Zeatinribosid (ZR) im Xylem von Gerste wurden nach einem Befall durch Rhinanthus um 39% erniedrigt, aber seine Retranslokation vom Spross zur Wurzel im Phloem, die 117% des Xylemtransportes betrug, wurde nur schwach (um 13%) nach dem Befall erniedrigt. Die Einlagerung von ZR in die Gewebe wurde in den Blattspreiten, den Blattscheiden und den Wurzeln nicht signifikant beeinflusst. Andererseits waren nach einem erfolgreichen Befall von Gerste in Rhinanthus die Einlagerung von ZR in Wurzelgewebe und seine Flüsse im Xylem und im Phloem, alle im Bezug auf die ganze Rhinanthus-Pflanze, 12-, 18- bzw. 88-fach erhöht. Ein beträchtlicher Anteil (57%) des im Xylem von Rhinanthus transportierten ZR entstammte freilich wiederum dem Xylem der Wurzel der Wirtspflanze Gerste. Im Spross selbständig wachsender Rhinanthus-Pflänzchen nahm die Menge an ZR (wie die von Zeatin) im Laufe des Untersuchungs-Intervalles ab, wobei ein beträchtlicher Anteil im Spross metabolisiert wurde und der Rest mit dem Phloem in die Wurzel transportiert. In die an den Gerstenwurzeln sitzenden Haustorien des Parasiten Rhinanthus wurden beträchtliche Mengen an Zeatin und an ZR eingelagert. Auch die Flüsse und die Einlagerung der Zeatinnukleotide in die Gewebe sind untersucht worden. Eine mögliche physiologische Funktion der aus dem Wirt stammenden großen Mengen an Zeatin und an ZR für das gesteigerte Wachstum und die Stomata-Öffnung im parasitierenden Rhinanthus wird diskutiert.
KW  - Hemiparasit
KW  - Klappertopf
KW  - Gerste
KW  - Stofftransport <Biologie>
KW  - water
KW  - mineral nutrient
KW  - Rhinanthus
KW  - hemiparasite
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-9863
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Rostás, Michael
A1  - Ruf, Daniel
A1  - Zabka, Vanessa
A1  - Hildebrandt, Ulrich
T1  - Plant surface wax affects parasitoid's response to host footprints
N2  - The plant surface is the substrate upon which herbivorous insects and natural enemies meet and thus represents the stage for interactions between the three trophic levels. Plant surfaces are covered by an epicuticular wax layer which is highly variable depending on species, cultivar or plant part. Differences in wax chemistry may modulate ecological interactions. We explored whether caterpillars of Spodoptera frugiperda, when walking over a plant surface, leave a chemical trail (kairomones) that can be detected by the parasitoid Cotesia marginiventris. Chemistry and micromorphology of cuticular waxes of two barley eceriferum wax mutants (cer-za.126, cer-yp.949) and wild type cv. Bonus (wt) were assessed. The plants were then used to investigate potential surface effects on the detectability of caterpillar kairomones. Here we provide evidence that C. marginiventris responds to chemical footprints of its host. Parasitoids were able to detect the kairomone on wild type plants and on both cer mutants but the response to cer-yp.949 (reduced wax, high aldehyde fraction) was less pronounced. Experiments with caterpillar-treated wt and mutant leaves offered simultaneously, confirmed this observation: no difference in wasp response was found when wt was tested against cer-za.126 (reduced wax, wt-like chemical composition) but wt was significantly more attractive than cer-yp.949. This demonstrates for the first time that the wax layer can modulate the detectability of host kairomones.
KW  - Brackwespen
KW  - Wirtsfindung
KW  - Gerste
KW  - Mutante
KW  - Pflanzenwachs
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-29201
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hansjakob, Anton
T1  - The role of cuticular waxes in the prepenetration processes of Blumeria graminis f.sp. hordei
T1  - Der Einfluss kutikulärer Wachse auf die Präpenetrationsprozesse von Blumeria graminis f.sp. hordei
N2  - Der obligat biotrophe Pilz Blumeria graminis f.sp. hordei gilt als Erreger des Gerstenmehltaus, einer destruktiven Erkrankung der Gerste (Hordeum vulgare). Als Folge des Befalls mit B. graminis f.sp. hordei drohen erhebliche Ernteeinbußen. Das kutikuläre Wachs von Gerstenblättern besteht hauptsächlich aus primären Alkoholen (80%), Alkylestern (10%) sowie aus geringfügig vorkommenden Bestandteilen wie Fettsäuren (2%), Alkanen (2%) und Aldehyden (1%). Der initiale Kontakt der asexuellen und durch die Luft verbreiteten Konidien findet auf der Blattoberfläche in einer Umgebung statt, die von den kutikulären Wachsen bestimmt ist, welche Keimung und Differenzierung stimulieren. Während der Keimungs- und Differenzierungsphase durchlaufen die Konidien eine sequenzielle Morphogenese, die so genannten Präpenetrationsprozesse. Dabei bilden die Konidien auf der Pflanzenoberfläche zunächst einen primären, kurzen und im weiteren Verlauf einen sekundären, elongierten Keimschlauch aus. Im Anschluss daran schwillt dieser an und wird letztlich zu einem septierten Appressorium differenziert. Mit Hilfe des Appressoriums dringt der Pilz dann in die Epidermiszelle der Wirtspflanze ein und bildet ein initiales Haustorium, das die Ernährung des Pilzes sicherstellt. Um den Einfluss von einzelnen Wachsbestandteilen der Wirtspflanze auf die Präpenetrationsprozesse systematisch zu untersuchen wurde ein neues in vitro System auf der Basis von Formvar®-Harz etabliert. Dieses System ermöglicht die Erzeugung homogener Oberflächen als Substrate für den Pilz, bei denen sowohl die aufgelagerten Mengen als auch die Oberflächenhydrophobizität unabhängig von den getesteten Substanzklassen und Kettenlängen der Moleküle hochgradig reproduzierbar sind. In diesem System haben langkettige Aldehyde die Keimung und die Differenzierung von B. graminis f.sp. hordei Konidien am wirksamsten induziert, wobei die Raten der Appressorienbildung in Abhängigkeit von der Konzentration und der Kettenlänge im Vergleich zu n-Hexacosanal (C26), das sich als am effektivsten zeigte, abnahmen (C22<<C24<C26>C28>>C30). Die getesteten gerad- und ungeradzahligen Alkane (C24-C33), Fettsäuren (C20-C28), Alkylester (C40-C44) und primären Alkohole (C20-C30) hatten keinen signifikanten Einfluss auf die Keimung und die Appressorienbildung des Pilzes. Der primäre Alkohol n-Hexacosanol (C26) stellte hierbei eine Ausnahme dar, da er die Keimung und die Bildung des Appressorium-Keimschlauchs signifikant erhöhte. Um die Rolle von langkettigen Aldehyden auf einer intakten Pflanzenoberfläche in vivo genauer zu untersuchen wurden B. graminis f.sp. hordei Konidien auf Blätter von glossy11 Mutanten der Nicht-Wirtspflanze Mais (Zea mays) inokuliert. Anders als der Wildtyp weisen glossy11 Blätter keine langkettigen Aldehyde auf. Auf glossy11 Blättern keimten 60% der B. graminis f.sp. hordei Konidien nicht und nur 10% der Konidien entwickelten ein reifes Appressorium, was einer dreimal geringeren Rate als auf Wildtyp-Blättern entspricht. Durch das Besprühen von glossy11 Blätter mit synthetischem n-Hexacosanal oder mit Wachs des Wildtyps wurden die pilzlichen Präpenetrationsprozesse wieder vollständig durchlaufen. Wurden im Gegensatz dazu Blätter des Mais-Wildtyps mit nicht induzierenden n-Alkanen, primären Alkoholen oder langkettigen Fettsäuren besprüht, konnte das den Aldehyd-defizienten Phänotyp von glossy11 imitieren. Während der Präpenetrationsprozesse wird ein Appressorium gebildet, wobei es sich hierbei um eine neu gebildete Zelle handelt. Die Keimung und die anschließende Morphogenese sind wichtige Schritte in der Etablierung der pilzlichen Infektionsstrukturen. Da diese Prozesse in einigen phytopathogenen Pilzen mit dem Zellzyklus gekoppelt sind wurde untersucht, inwieweit die Präpenetrationsprozesse von B. graminis f.sp. hordei mit dem Verlauf des Zellzykluses synchronisiert sind. Hierfür wurde eine Methode basierend auf DAPI (4,6-diamidino-2-phenylindole) zur Färbung der Zellkerne für fixierte Präparate von B. graminis f.sp. hordei Konidien entwickelt. Mittels eines pharmakologischen Ansatzes war es auf diese Weise erstmals möglich die Abhängigkeit der Präpenetrationsprozesse von der Mitose in vivo und in vitro zu verfolgen. Sechs Stunden nach der Inokulation trat nach Ausbildung des Appressorium-Keimschlauchs eine Mitose in der einkernigen Konidie auf. Die Hemmung der S-Phase mit Hydroxyharnstoff oder die Hemmung der M-Phase mit Benomyl verhinderten eine Bildung des Appressoriums, nicht aber die Entwicklung des Appressorium-Keimschlauchs. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Mitose und eine abgeschlossene Zytokinese notwendige Voraussetzungen für die Appressoriumsbildung, jedoch nicht für die Morphogenese der Konidie, sind. Als Reaktion auf bestimmte Wachsbestandteile der Wirtspflanze werden pilzliche Gene, die während der Präpenetrationsprozesse eine wichtige Rolle spielen können, differenziell exprimiert. Um solche Gene zu identifizieren wurden cDNA Klonbibliotheken mittels der suppression subtractive hybridization (SSH) 22 Minuten nach der Inokulation erstellt. Das auf Formvar®-Harz basierende in vitro System ermöglichte die selektive Anreicherung von cDNA Sequenzen aus B. graminis f.sp. hordei Konidien, die auf n-Hexacosanal beschichteten Oberflächen inokuliert wurden. Aus einer Reihe von Kandidaten wurde eine cDNA-Sequenz identifiziert, die sowohl auf Gerstenblättern als auch auf mit n-Hexacosanal oder extrahiertem Gerstenwachs beschichteten Oberflächen hochreguliert war. Mittels 3’ und 5’ RACE wurde das n-Hexacosanal induzierte Transkript kloniert. Diese cDNA-Sequenz wies keine Homologien zu bekannten Genen, die Funktionen in der pilzlichen Entwicklung und der Ausbildung von Pathogenität in Pflanzen haben, auf.
N2  - The obligate biotrophic fungus Blumeria graminis f.sp. hordei is the causative agent of barley powdery mildew, a destructive foliar disease. The fungus infests barley (Hordeum vulgare), an important crop plant, which causes remarkable yield losses. Leaf cuticular wax of barley consists mainly of primary alcohols (80%), alkyl esters (10%) and minor constituents such as fatty acids (2%), alkanes (2%) and aldehydes (1%). The asexual airborne conidia have an initial contact to the leaf surface, in an environment dominated by cuticular waxes, which trigger germination and differentiation. The conidia undergo a sequential morphogenesis during that phase, the so-called prepenetration processes. The conidium initially forms a short primary germ tube, followed by a secondary elongated germ tube, which swells and finally forms a septate appressorium. The fungal appressorium infests the epidermal cell of the host plant and establishes an initial haustorium, the feeding structure of the fungus. In order to assess the effects of single host plant wax constituents on the prepenetration processes a novel in vitro assay based on Formvar® resin was established. This system permits the setting up of homogeneous surfaces as substrata, at which the adsorbed amounts and the surface hydrophobicity are highly reproducible, independently of the tested substance classes and chain lengths of the molecules. In this system, very-long-chain aldehydes promoted germination and differentiation of B. graminis f.sp. hordei conidia. The appressorium formation rates were decreasing in a concentration and chain-length dependent manner compared to n-hexacosanal (C26), which was the most effective aldehyde (C22<<C24<C26>C28>>C30). The tested alkanes with even and odd numbers (C24-C33), fatty acids (C20-C28), alkyl esters (C40-C44) and primary alcohols (C20-C30) did not induce germination and appressorium formation. The primary alcohol n-hexacosanol (C26) was an exception, as it was capable of significantly stimulating conidial germination and appressorial germ tube formation. To elucidate the impact of very-long-chain aldehydes on an intact plant surface in vivo, B. graminis f.sp. hordei conidia were inoculated on glossy11 mutant leaves of the non-host plant maize (Zea mays), which are - unlike the wildtype - completely devoid of very-long-chain aldehydes. On glossy11 leaves 60% of B. graminis f.sp. hordei conidia remained ungerminated and 10% developed a mature appressorium, which is three times less than on wildtype plants. Spraying of synthetic n-hexacosanal or wildtype leaf wax on glossy11 leaves fully restored the fungal prepenetration processes. In contrast, spraying of non-inducing n-alkanes, primary alcohols or very-long-chain fatty acids on wildtype leaves of maize mimicked the aldehyde deficient phenotype of glossy11. During the prepenetration processes an appressorium is formed, which is a newly formed specialized cell. Germination and subsequent morphogenesis are linked to the cell cycle in certain phytopathogenic fungi. It was investigated to what extent the prepenetration processes of B. graminis f.sp. hordei are synchronized with cell cycle progression. Hence, a distinct staining procedure of nuclei for fixed samples of B. graminis f.sp. hordei conidia based on DAPI (4,6-diamidino-2-phenylindole) was developed. In combination with a pharmacological approach it was possible to trace mitosis in dependency of conidial germination and differentiation in vivo and in vitro. The uninucleate conidium germinated and after formation of the appressorial germ tube, a single mitosis occurred in the primordial conidium six hours after inoculation. The inhibition of S-phase with hydroxyurea or M-phase with benomyl prevented appressorium formation, but not the development of the appressorial germ tube. These results indicate that mitosis and a successful cytokinesis are necessary prerequisites for the appressorium formation but not for conidial morphogenesis. In order to identify genes that are expressed in response to certain host plant wax constituents, which may be critical for the prepenetration phase, cDNA clone libraries were constructed by suppression subtractive hybridization (SSH) after inoculation. The Formvar® resin based in vitro system provided a stable platform to enrich cDNA sequences that were expressed in B.graminis f.sp. hordei conidia incubated on n-hexacosanal coated surfaces for 22 minutes. Among various candidates, a cDNA sequence was identified, which was upregulated on barley leaves and on surfaces coated with n-hexacosanal or extracted barley leaf wax. The hexacosanal responsive transcript was cloned by 3’ and 5’ RACE. The cDNA sequence showed no homologies to genes of known function in fungal development and fungal pathogenicity in plants.
KW  - .
KW  - Gerste
KW  - Erysiphe graminis
KW  - Aldehyde
KW  - Kutikularwachs
KW  - barley
KW  - Blumeria graminis
KW  - very-long-chain aldehydes
KW  - wax
KW  - glossy11
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72840
ER  - 
TY  - THES
A1  - Koers, Sandra
T1  - Die Rolle der S-Typ Anionenkanäle in der Reaktion von Gerstenschließzellen auf Blumeria graminis f. sp. hordei
T1  - Role of S-type anion channels in the reaction of barley guard cells towards Blumeria graminis f. sp. hordei
N2  - In ihrer Evolution mussten Pflanzen Strategien entwickeln um sich sowohl gegen Pathogene aus der Luft als auch solche im Boden zu verteidigen. Diese Resistenzmechanismen der Pflanzen zu verstehen ist von höchster Wichtigkeit für die moderne Gesellschaft. Die Weltbevölkerung wächst schnell, was zu der Notwendigkeit führt, die landwirtschaftlichen Flächen möglichst optimal zu nutzen. Ohne die Weiterentwicklung der landwirtschaftlichen Methoden wird eine ausreichende Versorgung mit Grundnahrungsmitteln nicht möglich sein. Obwohl nicht viele Daten zu diesem Thema vorliegen, ist es sehr wahrscheinlich, dass ein hoher Prozentsatz der jährlichen Ernteverluste auf Pflanzenkrankheiten zurückzuführen ist (Orke et al. 1994, Pinstrup-Andersen; 2001). Der Ernteverlust ist nicht ausschließlich auf den Tod der infizierten Pflanze zurückzuführen, sondern vielmehr auf die sogenannten Resistenzkosten Walters und Heil; 2007). Um sich gegen das Pathogen zu schützen müssen Ressourcen genutzt werden, die sonst für die korrekte Entwicklung der Pflanze, sowie der Samen und Früchte verwendet würden. Die pflanzliche Cuticula, welche die Blattoberfläche bedeckt, ist die erste Verteidigungslinie gegen pathogene Microorganismen, die durch die Luft verbreitet werden. Um diese Barriere zu umgehen nutzen Bakterien und einige Pilze die Stomata als Eingang in den Apoplasten der Blätter. Dies kann durch die Pflanze allerdings verhindert werden, indem diese Poren geschlossen werden. Diese Schließzellantwort wurde zunächst als Teil der Immunantwort auf Bakterien angesehen (Melotto et al. 2006). Nichtsdestotrotz konnte beobachtet werden, dass die Stomata auch während der Infektion des Mehltaupilzes schließen, obwohl dieser nicht durch die Stomata in das Blatt eindringen. Daher haben wir Einzelzellstudien an intakten Gerstenpflanzen vorgenommen um zu klären, wie die Signale erkannt und weitergeleitet werden, die schließlich zum pathogen-induzierten Stomaschluss führen (Koers et al. 2011). Zusammengefasst kann gesagt werden, dass der Stomaschluss ein wichtiger Bestandteil der pflanzlichen Immunantwort ist. Innerhalb dieser Antwort der Stomata auf durch Wind übertragene Pathogene, spielt die Aktivierung der S-Typ Anionenkanäle eine entscheidende Rolle. Es konnte dabei gezeigt werden, dass die Immunantwort die Licht-induzierte Inhibierung dieser Anionenkanäle außer Kraft setzt. S-Typ Anionenkanäle sind aber nicht allein in der Pathogenabwehr von Bedeutung, sondern auch in der Reaktion der Pflanzen auf Trockenstress. Es ist jedoch nicht bekannt, in wie weit sich die beiden Signalwege überschneiden. Zusammen mit den neuen mutierten Gerstenlinien, werden die in dieser Arbeit beschriebenen Techniken zur Messung von Einzelzellen tiefere Einsichten in das Zusammenspiel zwischen Trockenstress und Pathogenabwehr in Pflanzen ermöglichen. Die daraus resultierenden Ergebnisse können zur Optimierung von Getreide für die moderne Landwirtschaft genutzt werden. Dies wird einer der wichtigsten Ansätze sein, um die Menschheit auch in Zukunft mit ausreichend Nahrung versorgen zu können.
N2  - During evolution, plants had to evolve potent strategies to defend themselves against airborne pathogens, as well as against those encountered in the soil. Understanding the mechanisms that provide plant immunity is crucial for modern society. The world population is growing at rapid pace, leading to the necessity of using agricultural areas as productive as possible. Without improvement of agricultural practice, a sufficient supply with staple foods will not be possible. It is very likely that an important percentage of crop loss is due to plant diseases, even though precise data on this issue are lacking, (Orke et al. 1994, Pinstrup-Andersen; 2001). Crop loss is not exclusively caused by the death of infected plants, but more often by so called costs of resistance (Walters and Heil; 2007). To gain protection against an attacking pathogen, resources have to be consumed, which otherwise would be used for proper plant, crop and fruit development. Plant cuticles, that cover the leaf surface, are the first line of defence to airborne pathogenic microorganisms. To bypass this barrier, bacteria and some fungi use stomata as an entry site into the apoplastic space of leaves. The entry of pathogens through stomata can be prevented by plants upon closure of these pores. This guard cell response was proposed to contribute to plant innate immunity against bacteria (Melotto et al. 2006). However, stomata were found to close during the infection of powdery mildew fungi, which do not use open stomata to enter the leaf. We therefore pursued single cell studies within intact barley plants to elucidate the signal perception and transduction mechanisms that evoke stomatal closure during a pathogen attack (Koers et al. 2011). All results taken together, stomatal closure is an integral part of plant innate immunity. Within the stomatal response to airborne pathogens, the activation of S-type anion channels is essential. It is shown, that the immunity responses of guard cells bypass light induced inhibition of anion channels. S-type anion channels are not only crucial for responses to pathogens, but they are also involved in the response of guard cells towards drought. However, it is unknown to which extent both signals share mutual components. Together with the, now available, mutant lines of barley, the single cell techniques described in this thesis can provide a further insight into the interplay of drought and pathogen responses in plants. The results are likely to be used for optimizing crops for the future agriculture, which is a pivotal step in providing enough food for mankind in the near future.
KW  - Elektrophysiologie
KW  - Erysiphe graminis
KW  - Spaltöffnung
KW  - Gerste
KW  - Abwehrreaktion
KW  - Ionenkanal
KW  - electrophysiology
KW  - stomata
KW  - powdery mildew
KW  - immunity response
KW  - ion channel
KW  - Pflanzenphysiologie
KW  - Mehltau
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-77335
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schäfer, Nadine
T1  - Eine vergleichende biophysikalische Analyse von Hitze- und Trockentoleranzstrategien der Wüstenpflanze Phoenix dactylifera und Nutzpflanzen der gemäßigten Klimazonen
T1  - A comparative biophysical analysis of heat and drought tolerance strategies of the desert plant Phoenix dactylifera and crops of temperate climates
N2  - Der Klimawandel geht einher mit einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur und einem dadurch induzierten Wassermangel. Diese beiden abiotischen Stressfaktoren führen zu einer Reduzierung der landwirtschaftlichen Erträge und Biomassen von Kulturpflanzen. Daher ist eine Anpassung der betroffenen Pflanzenarten an das sich ändernde Klima erforderlich, um die landwirtschaftliche Produktivität in Zukunft aufrechtzuerhalten. Gegenwärtig ist unser Wissen über Strategien zur Toleranz gegenüber abiotischem Stress sowie über Genom- und Transkriptionsinformationen auf wenige Modellorganismen von Angiospermen beschränkt, so dass diese Informationen die Basis für die Forschung an Trockenheit und Hitzestress darstellen. Die Untersuchung der Stressadaption innerhalb und zwischen verschiedenen Pflanzengattungen ist von besonderer Relevanz. Vor diesem Hintergrund habe ich im Rahmen meiner Doktorarbeit die Überlebensstrategie der extremophilen Wüstenpflanze Phoenix dactylifera (Dattelpalme) im Vergleich zu zwei Mesophilen, der Kulturpflanze Hordeum vulgare (Gerste) und der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, untersucht.
Dattelpalmen sind nicht sukkulente Wüstenpflanzen, die auch unter extremen Trocken- und Hitzebedingungen in den Wüsten der Arabischen Halbinsel wachsen und ertragreich Früchte produzieren. In Phoenix dactylifera ist bislang weder die Molekularbiologie und –physiologie der Schließzellen, vor allem der Anionenkanäle, verstanden, noch wurde der Hitzeschutz ihrer Zuckertransportproteine untersucht.
Um die stomatäre Reaktion auf das Trockenstresshormon ABA (Abscisinsäure) zu verstehen, klonierten wir die Hauptkomponenten des schnellen ABA-Signalwegs von Schließzellen und analysierten den Öffnungsmechanismus der Anionenkanäle aus der Dattelpalme und der Gerste vergleichend zu dem Anionenkanal aus Arabidopsis im heterologen Expressionssystem der Xenopus Oozyten. Beide monokotyledonen Pflanzenarten (Gerste und Dattelpalme) besitzen stomatäre Komplexe, die aus Schließzellen und Nebenzellen bestehen. Dies unterscheidet die Monokotyledonen von den Dikotyledonen, die normalerweise Stomakomplexe aufweisen, die nur aus einem Paar Schließzellen gebildet werden. Interessanterweise schlossen sich Dattelpalmen- und Gerstenstomata als Reaktion auf das Trockenstresshormon ABA nur in Gegenwart von extrazellulärem Nitrat.
Der heterolog-exprimierte Anionenkanal PdSLAC1 wird durch die ABA-Kinase PdOST1 aktiviert und diese Aktivierung wird durch die Koexpression der PP2C-Phosphatase ABI1 gehemmt. Daher wird PdSLAC1 wie seine Orthologen aus Gerste und Arabidopsis durch ein ABA-abhängiges Phosphorylierungs-/Dephosphorylierungsnetzwerk gesteuert. PdOST1 aktivierte den Anionenkanal PdSLAC1 jedoch nur in Gegenwart von extrazellulärem Nitrat - eine elektrische Eigenschaft, die PdSLAC1 mit HvSLAC1 der Gerste gemein hat, sich jedoch von AtSLAC1 unterscheidet. Angesichts der Tatsache, dass in Gegenwart von Nitrat ABA den Stomaschluss verstärkt und beschleunigt, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass bei Dattelpalmen und Gerste Nitrat als Ligand zum Öffnen von SLAC1 benötigt wird. Dies initiiert die Depolarisation der Schließzellen und leitet schließlich den Stomaschluss ein, um den Wasserverlust der Pflanzen unter Trockenstressbedingungen zu minimieren.
Um die monokotyledone spezifische Nitratabhängigkeit von SLAC1 zu verstehen, führten wir ortsgerichtete Mutagenesestudien auf Basis eines 3D-Modells durch, welche zudem vergleichende Studien an Chimären von Monokotylen- und Dikotylen-SLAC1 Anionenkanälen umfassten. Unsere Struktur-Funktions-Forschung identifizierte zwei Aminosäurenreste auf der Transmembrandomäne 3 (TMD3), die eine wesentliche Rolle bei der Nitrat-abhängigen Regulierung von SLAC1 Anionenkanälen monokotyledoner Pflanzen spielen. Die phylogenetische Analyse ergab schließlich, dass während der Evolution die für Monokotlyedonen spezifische Nitrat-abhängige Regulierung erst nach der Trennung in Monokotyledonen und Dikotyledonen auftrat. Durch die Nitrat-sensitive Regulierung von SLAC1 Anionenkanälen beruht der schnelle Stomaschluss von Monokotyledonen auf dem Zusammenspiel des Trockenstresshormons ABA und dem Stickstoffhaushalt der Pflanze. Da der ABA-Signalweg von Arabidopsis umfassend untersucht wurde, könnte die Entdeckung des monokotyledonen spezifischen Nitrat-abhängigen Motivs in TMD3 nun als Stellschraube zur Verbesserung der Züchtungsprogramme dikotyledoner Nutzpflanzen dienen.
Wüstenpflanzen leiden nicht nur unter Trockenheit, sondern auch unter extremem Hitzestress. Wir konnten zeigen, dass hitzebelastete Dattelpalmen große Mengen der flüchtigen Kohlenwasserstoffverbindung Isopren (2-Methyl-1,3-Butadien) produzieren und emittieren. Durch die vorübergehende Freisetzung von Isopren kann die Pflanze die Photosynthese auch bei extremen Temperaturen betreiben. Es ist jedoch nicht bekannt, ob und wie Isopren in Hitzeperioden auch Transportprozesse durch biologische Membranen schützt. Um den Einfluss von Isopren auf den Transmembrantransport zu untersuchen, identifizierten und klonierten wir den Protonen-gekoppelten Saccharosetransporter 1 (PdSUT1) der Dattelpalme und verglichen seine elektrischen Eigenschaften mit ZmSUT1 (Zea mays Sucrose Transporter 1) im heterologen Expressionssystem der Xenopus Oozyten. Interessanterweise waren das elektrische Verhalten, die kinetischen Eigenschaften und die Temperaturabhängigkeit beider Transporter ähnlich. Die Anwendung von Isopren veränderte jedoch massiv die Affinität von ZmSUT1 zu seinem Substrat Saccharose, während die Affinität des Transporters der Dattelpalme nur schwach beeinflusst wurde. Es wird angenommen, dass die Membranfluidität unter Hitzestress erniedrigt ist, welches durch Interkalierung von Isopren mit den Fettsäureketten biologischer Membrane einhergeht. Dies und die Unempfindlichkeit von PdSUT1 gegenüber Isopren deuten darauf hin, dass der Saccharosetransporter PdSUT1 aus der Wüstenpflanze auch bei hohen Temperaturen Saccharose mit hoher Affinität transportiert. Zukünftige Studien müssen nun klären, ob der flüchtige Kohlenwasserstoff Isopren einen direkten Einfluss auf den Transporter selbst hat oder Isopren in die Membran integriert und damit indirekt die Eigenschaften von Transportproteinen beeinflusst. Unabhängig von der Wirkungsweise von Isopren sollte nicht unerwähnt bleiben, dass PdSUT1 gegenüber Isopren weniger empfindlich ist als sein Ortholog ZmSUT1 aus Mais. Dies kann auf eine Anpassung des Saccharosetransporters an die extremen Hitzeperioden und die damit einhergehende Isoprenemission von Dattelpalmen zurückzuführen sein.
N2  - Low water availability and heat stress present major barriers to achievíng high biomass and full yield potential in crops. Global climate change is accompanied by a subtle increase in the severity of these abiotic stresses. Thus, the adaptation of crop species to the changing climate is required in order to sustain agricultural productivity in the future. Currently, our knowledge of plant strategies for abiotic stress tolerance as well as genomic and transcriptional information is limited to a few model angiosperms, providing a starting point for the understanding of responses to drought and/or heat stress, within and across species.
In the framework of my PhD thesis, we followed a different strategy to learn about abiotic stress tolerance: we studied the survival strategy of the extremophilic desert plant Phoenix dactylifera (date palm) in comparison to the crop Hordeum vulgare (barley) and the model plant Arabidopsis thaliana, both from temperate zones. Date palms grow and produce fruits even under extreme drought and heat conditions in the deserts of the Arabian Peninsula. Neither the molecular biology and physiology of guard cells nor the heat protection of transport protein mediated sugar and ion transport processes have been studied so far in this non-succulent desert plant, Phoenix dactylifera.
To understand the stomatal response to the water stress phytohormone ABA (abscisic acid), we cloned the major components for guard cell fast abscisic acid signaling and analysed the anion channel opening mechanism of the date palm side by side with barley and Arabidopsis in Xenopus oocytes. Both monocot plant species (barley and date palm) possess stomatal complexes consisting of guard cells and subsidiary cells. This distinguishes monocot species from dicots, which usually exhibit stomatal complexes formed by a pair of guard cells only. Interestingly, date palm and barley stomata closed in response to the drought stress hormone ABA only in the presence of extracellular nitrate.
Heterologously expressed Phoenix SLAC1-type anion channel PdSLAC1 is activated by the ABA kinase PdOST1 and this activation is inhibited by the coexpression of PP2C phosphatase ABI1 – thus like its counterparts from barley and Arabidopsis, PdSLAC1 is controlled by an ABA-dependent phosphorylation/dephosphorylation network. However, PdOST1 did activate the desert plant anion channel PdSLAC1 only in the presence of extracellular nitrate – an electrical property that PdSLAC1 shares with the barley SLAC1 but distinguishes both monocot SLAC1 channels from AtSLAC1. Given that, in the presence of nitrate, ABA enhanced and accelerated stomatal closure, our findings indicate that the guard cell osmotic motor driving stomatal closure in date palm and barley uses nitrate as the signal to open the major anion channel SLAC1. This initiates guard cell depolarization and finally stomatal closure to prevent plant wilting under drought stress conditions.
To understand the monocot-specific SLAC1 nitrate dependency, we performed a 3D-model- based site-directed mutagenesis study including chimeric channels between monocot and dicot SLAC1 anion channels. Our structure-function research identified two residues on transmembrane domain 3 (TMD3) that play an essential role in nitrate-dependent gating of monocot SLAC1-type anion channels. Phylogenetic analysis finally revealed that during evolution the monocot specific nitrate-dependent gating was established after the split between monocots and dicots. Thus, the success of monocot species may in part rely on the integration of drought signals (ABA) and the nitrogen nutrition status of the plant via nitrate-sensitive gating of SLAC1 anion channels. Since the Arabidopsis ABA-signaling pathway has been extensively studied, the discovery of the monocot-specific nitrate dependent motif on TMD3 could now serve as a set screw to improve the breeding programs of dicot agricultural crops.
Desert plants not only suffer from drought but also from extreme heat stress. We could show that heat-stressed date palms produce and emit high amounts of the volatile hydrocarbon compound isoprene (2-Methyl-1,3-Butadien). The temporary release of isoprene allows the plant to perform photosynthesis even under extreme temperatures. However, it is not known whether and how isoprene also protects transport processes across biological membranes in periods of heat. To study the influence of isoprene on transmembrane transport, we identified and cloned the date palm proton-coupled sucrose transporter 1 (PdSUT1) and compared its electrical properties with ZmSUT1 (Zea mays Sucrose Transporter 1) in the heterologous expression system of Xenopus oocytes. Interestingly, the electrical behavior, the kinetic properties and the temperature dependence of both carriers were similar. However, the response to isoprene application massively altered the affinity of ZmSUT1 to its substrate sucrose while the affinity of the date palm transporter was only weakly affected. The intercalation of isoprene with the fatty acid chains of biological membranes is believed to decrease the membrane fluidity under heat stress. This and the insensitivity of PdSUT1 towards isoprene may indicate that the desert plant sucrose transporter PdSUT1 transports sucrose with high affinity even at high temperatures. Future studies must now clarify whether the volatile hydrocarbon isoprene has a direct influence on the carrier itself or isoprene integrates into the membrane and thus indirectly influences the properties of transport proteins. Regardless of the mode of action of isoprene, it remains to be noted that PdSUT1 is less sensitive to isoprene than its orthologue from maize. This may be an adaptation of the sucrose carrier to the extreme heat periods and the accompanying isoprene emission from date palms.
KW  - Dattelpalme
KW  - Gerste
KW  - Elektrophysiologie
KW  - Hitzestress
KW  - Schließzelle
KW  - Anionenkanal
KW  - Zuckertransporter
KW  - SLAC1
KW  - SUT1
KW  - Signaltransduktion
KW  - ZmSUT1
KW  - Phoenix dactylifera
KW  - Hordeum vulgare
KW  - Zea mays
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-186491
ER  -