TY  - THES
A1  - Planchet, Elisabeth
T1  - Nitric oxide production by tobacco plants and cell cultures under normal conditions and under stress
N2  - Stickstoffmonoxid (NO) ist ein gasförmiges freies Radikal. In tierischen Geweben ist NO an der Regulation vieler physiologischer Prozesse beteiligt. In den letzten zehn Jahren wurde immer wahrscheinlicher, dass NO auch in Pflanzen als „second messenger“ fungiert. Besonderes Interesse fanden Berichte, dass NO als intermediäres Signal bei der Induktion der hypersensitiven Antwort (HR) von Pflanzen auf Pathogene involviert ist. Im Gegensatz zu Tieren haben Pflanzen wahrscheinlich eine Reihe verschiedener Systeme, die NO produzieren können. Potentielle Kandidaten dafür sind: cytosolische Nitratreduktase (NR; EC 1.6.6.1), PM-gebundene Nitrit: NO Reduktase (Ni:NOR), NO-Synthase (NOS; EC 1.14.13.39) und Xanthindehydrogenase (XDH; EC 1.1.1.204). Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, die NO-Produktion von Pflanzen zu quantifizieren und die beteiligten enzymatischen Schritte zu identifizieren. Als wichtigste Methode zur NO-Messung wurde die Chemilumineszenz verwendet, mit der die NO Emission aus Pflanzen, Zellsuspensionen oder Enzymlösungen in NO-freie Luft oder N2 in Echtzeit verfolgt werden konnte. Wir benutzten für unsere Analyse: Tabak Wildtyp (N. tabacum cv Xanthi oder cv Gatersleben) und Zellsuspensionskulturen davon, NR-freie Mutanten oder WT Pflanzen, die auf Ammonium angezogen wurden um NR-Induktion zu vermeiden, Pflanzen die auf Wolframat an Stelle von Molybdat wuchsen um die Synthese funktionierender MoCo-Enzyme zu unterdrücken, und eine NO-überproduzierende, Nitritreduktase (NiR)-defiziente Transformante. Normale Blätter von nitraternährten Pflanzen zeigten eine typisches NO-Emissionsmuster,bei dem die NO-Emission im Dunkeln niedrig, im Licht viel höher, und unter anoxischen Bedingungen im Dunkeln mit weitem Abstand am höchsten war. Aber selbst nach Erreichen maximaler Raten war die NO-Emission höchstens 1 % der extrahierbaren NR Aktivität. Auch eine Lösung hochgereinigter Nitratreduktase produzierte NO aus den Substraten Nitrit und NADH, und auch hier war die Rate der NO-Emission nur maximal 1% der vorhandenen NR-Aktivität. Dieses übereinstimmende Verhältnis von NR Aktivität und NO-Emission in Blättern, Zellsuspensionen und einer NR-Lösung zeigt an dass die NO-Löschung nur gering war und dass deshalb die NO-Emissionsmessung eine zuverlässige Methode zur Quantifizierung der NO Produktion sein sollte. Die NO-Emission aus einer NiR-defizienten, nitritakkumulierenden Transformante warimmer sehr hoch. NR-freie Pflanzen oder Zellsuspensionen produzierten dagegen normalerweise kein NO, woraus geschlossen werden konnte, dass hier NR die einzige NOQuelle war. Die Rate war in der Regel korreliert mit der Nitritkonzentration, aber cytosolisches NADH erschien als ein weiterer wichtiger limitierender Faktor.Überraschenderweise reduzierten aber auch NR-freie Pflanzen oder Zellkulturen unter anoxischen Bedingungen Nitrit zu NO. Das beteiligte Enzymsystem war kein MoCo-Enzym und war Cyanid-sensitiv. Der pilzliche Elicitor Cryptogein induzierte nach Infiltration in Blätter oder nach Zugabe zu Zellsuspensionen bereits in nanomolaren Konzentrationen den Zelltod. Diese Antwort wurde verhindert oder zumindest stark verzögert durch den NO-Scavenger PTIO oder c-PTIO. Die Schlussfolgerung war zunächst, das NO tatsächlich an der HR-Induktion involviert war. Da aber das Reaktionsprodukt von c-PTIO und NO, c-PTI, den HR ebenfalls verhinderte ohne jedoch NO zu löschen, scheint die weit verbreitete Verwendung von c-PTIO und seinen Derivaten für die Beweisführung einer Beteiligung von NO zumindest fragwürdig. Der HR wurde unterschiedslos sowohl in WT-Pflanzen als auch in NR-freien Pflanzen bzw. Zellsuspensionen induziert. NR ist also offensichtlich für den HR nicht erforderlich. Im Gegensatz zur publizierten Literaturdaten verhinderte auch eine kontinuierliche hohe Überproduktion von NO die Ausprägung des HR nicht. Besonders überraschend war der Befund, dass trotz der Hemmung des HR durch PTIO keinerlei Cryptogein-induzierte NO Produktion in Blättern messbar war. Allerdings wurde in nitraternährten Zellsuspensionskulturen ca. 3-6 h nach Cryptogein-Gabe eine -wenn auch geringe-NOEmission beobachtet, die von einer Nitritakkumulation begleitet war. Beides blieb in Ammonium-ernährten Kulturen aus. Hier schien also eine gewisse Relation zwischen Cryptogein-induzierter NO Emission, NR und Nitrit zu bestehen, die im Detail noch nicht verstanden ist. Da der Zelltod aber auch in NR-freien Zellsuspensionskulturen auftrat, besteht offensichtlich kein kausaler Zusammenhang zwischen dieser NO-Emission, Nitritakkumulation und der Cryptogein-Wirkung. Da NOS-Inhibitoren weder den Zelltod noch die nitritanhängige NO-Emission verhinderten, scheint eine NOS-artige Aktivität ebenfalls keine Rolle zu spielen. Insgesamt werden damit die in der Literatur etablierte Rolle von NO als Signal beim HR und die Rolle von NOS als NO-Quelle stark in Frage gestellt.
N2  - Nitric oxide (NO) is a gaseous free radical involved in the regulation of diverse biochemical and physiological processes in animals. During the last decade, evidence has accumulated that NO might also play an important role as a second messenger in plants. Of special interest were observations that NO was involved in a signal chain leading to the hypersensitive response (HR) in incompatible plant-pathogen interactions. In contrast to animals, plants have probably several enzymes that may produce NO. Potential candidates are: Cytosolic nitrate reductase (NR; EC 1.6.6.1), plasma-membrane (PM)-nitrite: NO reductase (Ni:NOR), nitric oxide synthase (NOS; EC 1.14.13.39) and Xanthine dehydrogenase (XDH; EC 1.1.1.204). The major goal of this work was to quantify NO production by plants, and to identify the enzymes responsible for NO production. As a major method, NO production by tobacco leaves or cell suspensions was followed under normal, non-stress conditions, and under biotic stress, through on-line measurement of NO emission into the gas phase (chemiluminescence). Plants used were tobacco wild-type (N. tabacum cv Xanthi or cv Gatersleben), NR-free mutants grown on ammonium in order to prevent NR induction, plants grown on tungstate to inhibit synthesis of functional MoCoenzymes, and a NO-overproducing nitrite reductase (NiR)-deficient transformant. Induction of HR in tobacco leaves and in cell suspensions was achieved using the fungal peptide elicitor cryptogein. Non-elicited leaves from nitrate-grown plants showed a typical NO-emission pattern where NO-emission was low in dark, higher in the light and very high under dark-anaerobic conditions. Even at maximum rates, NO production in vivo was only a few percent of total NR activity (NRA). Consistent with that, with a solution of purified NR as a simple, “low quenching” system, NO-emission was also about 1 % of NRA. Thus, NO scavenging by leaves and stirred cell suspensions appeared small and NO-emission into purified air should give a reliable estimate of NO production. NO-emission was always high in a NiR-deficient transformant which accumulated nitrite, and NO-emission was completely absent in plants or cell suspensions which did not contain NR. Thus, in healthy plants or cell suspensions, NO-emission was exclusively due to the reduction of nitrite to NO, mainly by cytosolic NR. In addition to nitrite, cytosolic NADH appears as an important factor limiting NO production. Unexpectedly, plants (in absence of NR) were able to reduce nitrite to NO under anaerobic conditions through an unknown enzyme system that was not a MoCo-enzyme and was cyanide-sensitive. When infiltrated into leaves at nanomolar concentrations, the fungal elicitor cryptogein provoked cell death in tobacco leaves and cell suspensions. The HR could be prevented by the NO-scavengers PTIO or c-PTIO, suggesting that NO production was indeed required for the HR. However, the product of the reaction of c-PTIO with NO, c-PTI, also prevented cell death without quenching NO emission. Thus, prevention of cell death by c- PTIO is no proof for an involvement of NO. No differences were found in the HR induction between NR-free plants and/or cell suspensions and WT plants. Thus, NR appears not necessary for the HR. Further, and in contrast to literature suggestions, a continuously high NO-overproduction by a NiR-free mutant did not interfere with the development of the HR. Most surprisingly, no additional NO-emission from tobacco leaves was induced by cryptogein at any phase of the HR. In contrast, some NO-emission, paralleled by nitrite accumulation, was detected 3-6 h after cryptogein addition with nitrate grown cell suspensions, but not with NR free, ammonium- grown cells. Thus, induction of NO-emission by cryptogein appeared somehow correlated with NR and nitrite, at least in cell suspensions. But since cryptogein induced the HR even in NR-free cell suspensions, this nitrite-related NO- emission was not required for cell death. NOS inhibitors neither prevented cell death nor did they affect nitrite-dependent NO-emission. Thus, in total these data question the often proposed role of NO as a signal in the HR, and of NOS as source for NO.
KW  - Tabak
KW  - Stickstoffmonoxid
KW  - Nitratreduktase
KW  - Stickstoffmonoxid
KW  - Nitratreduktase
KW  - Nicotiana tabacum
KW  - Cryptogein
KW  - Chemilumineszenz
KW  - Nitric oxide
KW  - Nitrate reductase
KW  - Nicotiana tabacum
KW  - Cryptogein
KW  - Chemiluminescence
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-9339
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stoimenova, Maria
T1  - Normoxic and anoxic metabolism of Nicotiana tabacum transformants lacking root nitrate reductase
N2  - The aim of this work was to find out whether and how nitrate reduction in roots would facilitate survival of hypoxic and anoxic (flooding)-phases. For that purpose, we compared the response of roots of hydroponically grown tobacco wildtype (Nicotiana tabacum cv. Gatersleben) and of a transformant (LNR-H) with no nitrate reductase (NR) in the roots but almost normal NR in leaves (based on a nia2-double mutant). As an additional control we used occasionally a 35S-transformant of the same nia2-double mutant, which on the same genetic background constitutively expressed NR in all organs. In some cases, we also compared the response of roots from WT plants, which had been grown on tungstate for some time in order to completely suppress NR activity. The following root parameters were examined: 1) Growth and morphology 2) Root respiration rates and leaf transpiration 3) Metabolite contents in roots (ATP, hexosemonophosphates, free sugars, starch, amino acids, total protein) 4) Inorganic cation and anion contents 5) Lactate and ethanol production 6) Extractable LDH-and ADH-activities 7) Cytosolic pH values (by 31P-NMR) 8) NO Cation and anion contents of roots from WT and LNR-H were only slightly different, confirming that these plants would be better suited for our purposes than the widely used comparison of nitrate-versus ammonium-grown plants, which usually show up with dramatic differences in their ion contents. Normoxia: LNR-H-plants had shorter and thicker roots than WT with a lower roots surface area per leaf FW. This was probably the major cause for the significantly lower specific leaf transpiration of LNR-H. WT-roots had lower respiration rates, lower ATP-and HMP-contents, slightly lower sugar- and starch contents and somewhat lower amino acid contents than LNR-H roots. However, total protein/FW was almost identical. Obviously the LNR-H transformants did not suffer from N-defciency, and their energy status appeared even better than that of WT-roots. Data from the 35S-transformant were similar to those of WT. This indicates that the observed differences between WT and LNR-H were not due to unknown factors of the genetic nia2-background, but that they could be really traced back to the presence resp. absence of nitrate reduction. Anoxia: Under short-term anoxia (2h) LNR-H plants, but not WT-plants exhibited clear symptoms of wilting, although leaf transpiration was lower with LNR-H. Reasons are not known yet. LNR-H roots produced much more ethanol (which was excreted) and lactate compared to WT, but extractable ADH and LDH activities, were not induced by anoxia. However, the LDH activity background was twice as high as that of the WT troughout the time period studied. Tungstate-treated WT-roots also gave higher fermentation rates than normal WT roots. Sugar- and HMP-contents remained higher in LNR-H roots than in WT. NR in WT roots was activated under anoxia and roots accumulated nitrite, which was also released to the medium. 31P-NMR spectroscopy showed that LNR-H- roots, in spite of their better energy status, acidified their cytosol more than WT roots. Conclusions: Obviously nitrate reduction affects - by as yet unknown mechanisms - root growth and morphology. The much lower anoxic fermentation rates of WT-roots compared to LNR-H roots could not be traced back to an alternative NADH consumption by nitrate reduction, since NR activity was too low for that. An overall estimation of H+-production by glycolysis, fermentation and nitrate reduction (without nitrite reduction, which was absent under anoxia) indicated that the stronger cytosolic acidification of anoxic LNR-H roots was based on their higher fermentation rates. Thus, nitrate reduction under anoxia appears advantageous because of lower fermentation rates and concomitantly lower cytosolic acidification. However, it remained unclear why fermentation rates were so different. Perspective: Preliminary experiments had indicated that WT-roots produced more nitric oxide (NO) under anoxia than LNR-H-roots. Accordingly, we suggest that nitrate reduction, beyond a merely increased NADH-consumption, would lead to advantageous changes in metabolism, eventually via NO-production, which is increasingly recognized as an important signaling compound regulating many plant functions.
N2  - Ziel der Arbeit war es herauszufinden, ob und wie Nitratreduktion in der Wurzel das Überleben von hypoxischen und anoxischen (Überflutungs)-Phasen erleichtert. Hierzu wurden Wurzeln eines hydroponisch angezogenen Tabak-Wildtyps (Nicotiana tabacum cv. Gatersleben), sowie einer Tabaktransformante auf der Basis der nia Doppelmutante, welche Nitratreduktase nur noch in den Blättern exprimierte (LNR-H), im Hinblick auf verschiedene Parameter verglichen. Als zusätzliche Kontrolle wurde eine 35S-Transformante der nia-Doppelmutante gelegentlich in die Vergleiche mit einbezogen, da diese auf dem genetischen Hintergrund der nia Doppelmutante NR in Blättern und Wurzeln konstitutiv exprimierte mit Aktivitäten, die in etwa denen des Wildtyps entsprachen. In einigen Fällen wurde die Nitratreduktase des WT durch Aufzucht auf Wolframat (an Stelle von Molybdat) gehemmt, und diese Pflanzen wurden ebenfalls mit normalen WT-Wurzeln verglichen. Folgende Parameter wurden untersucht: 1) Wachstum und Wurzelmorphologie 2) Atmungsraten, Transpirationsraten 3) Metabolitgehalte (ATP, Hexosemonophosphate, freie Zucker, Aminosäuren) 4) Gehalte anorganischer Kationen und Anionen 5) Lactat- und Ethanolproduktion 6) LDH und ADH-Aktivitäten in Wurzelextrakten 7) Cytosolische pH-Werte mittels 31P-NMR 8) NO Die Analyse des Kationen- und Anionengehaltes der Wurzeln bestätigte zunächst, das die LNR-H-Transformante und der WT sich in dieser Hinsicht nur unwesentlich unterschieden und von daher zum weiteren Vergleich besser geeignet waren als die vielfach verwendete Paarung von nitrat-bzw- ammoniumernährten Pflanzen. Normoxia: LNR-H-Pflanzen hatten kürzere und dickere Wurzeln mit einer niedrigeren Wurzeloberfläche pro Blattfrischgewicht als WT. Dies war vermutlich die Hauptursache für die deutlich niedrigeren Transpirationsraten von LNR-H. WT-Wurzeln hatten unter normoxischen Bedingungen niedrigere Atmungsraten, niedrigere ATP und HMP-Gehalte, etwas niedrigere Zucker und Stärkegehalte und etwas niedrigere Gesamt-Aminosäuregehalte als LNR-H-Wurzeln. Andererseits waren die Gesamt-Proteingehalte (pro FG) praktisch identisch. Offensichtlich litt die LNR-H-Transformante nicht unter N-Mangel, und ihr energetischer Zustand war unter Normalbedingungen eher besser war als der des WT. Die Daten der 35S-Transformante entsprachen weitgehend denen des WT. Dies zeigt, dass die beobachteten Unterschiede nicht auf unbekannten Faktoren des nia2-Hintergrunds beruhten, sondern definitiv auf dem Vorhandensein (bzw. der Abwesenheit) von Nitratreduktion. Anoxia: Unter Anoxia (4h) traten bei LNR-H deutliches Welken der Blätter auf, bei WT dagegen nicht. Die Ursachen sind unklar. Unter Anoxia produzierten LNR-H-Wurzeln sehr viel mehr Ethanol und Lactat als WT, obwohl weder ADH-noch LDH Aktivitäten in Wurzelextrakten unter Anoxia erhöht wurden. Allerdings besaß die LNR-H Transformante permanent doppelt so hohe LDH Aktivitäten wie der WT.h. Auch Wolframat-versorgte WT-Wurzeln produzierten unter Anoxia mehr Lactat und Ethanol als der normale WT. Zucker und HMP-Gehalte blieben in LNR-H höher als in WT. Die NR von WT-Wurzeln wurde unter Anoxia aktiviert und die Wurzeln akkumulierten Nitrit, das großteils an die Nährlösung abgegeben wurde. 31P-NMR-Messungen zeigten, dass LNR-H-Wurzeln trotz ihres besseren Energiezustandes unter Anoxia das Cytosol stärker ansäuerten als WT-Wurzeln. Schlussfolgerungen: Offensichtlich beeinflusst Nitratreduktion auf noch unbekannte Weise Wachstum und Morphologie der Wurzeln unter Normoxia. Die viel niedrigeren Gärungsraten der WT-Wurzeln unter Anoxia konnten nicht auf einen alternativen NADH-Verbrauch der Nitratreduktion zurückgeführt werden, weil dazu die NR-Aktivitäten zu niedrig waren. Bilanzierung der H+-Produktion durch Glycolyse, Gärung und Nitratreduktion zeigte, dass die stärkere cytosolische Ansäuerung der anoxischen LNR-H Wurzeln auf den insgesamt höheren Gärungsraten der LNR-H-Wurzeln beruhen muss. Nitratreduktion ist unter Anoxia also vorteilhaft, weil sehr viel weniger Gärung abläuft und damit cytosolische Ansäuerung abgeschwächt wird. Warum allerdings die Gärungsraten so unterschiedlich waren, blieb unklar. Ausblick: Vorversuche hatten ergeben, dass WT-Wurzeln unter Anoxia mehr Stickstoffmonoxid (NO) produzierten als LNR-H-Wurzeln. Es wird deshalb hypothetisch vorgeschlagen, dass die Nitratreduktion über den bloßen NADH-Verbrauch hinaus durch eine anoxische NO-Produktion ein Signal erzeugt, das vorteilhaft regulierend in Stoffwechsel und Wachstum eingreift.
KW  - Tabak
KW  - Wurzel
KW  - Nitratreduktase
KW  - Anoxie
KW  - nitrate reductase
KW  - anoxia
KW  - roots
KW  - NMR
KW  - fermentation
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-3498
ER  - 
TY  - THES
A1  - Siefritz, Franka
T1  - Expression and Function of the Nicotiana tabacum Aquaporin NtAQP1
T1  - Expression und Funktion des Nicotiana tabacum Aquaporins NtAQP1
N2  - Die vorliegende Arbeit zeigt die Korrelation zwischen räumlichem und zeitlichem Expressionsmuster von dem Aquaporin NtAQP1 und seiner Funktion im Wasserhaushalt in planta. Immunologische in situ-Studien deuteten auf eine NtAQP1-Protein-Akkumulation in der Wurzelexodermis und -endodermis, im Cortex, in der Nähe der Leitbündel, im Xylemparenchym und in Zellen der Atemhöhle hin. Das Aquaporin wurde auch in longitudinalen Zellreihen der Petiolen in erhöhten Mengen gefunden. Expressionsstudien mit transgenen Pflanzen (Ntaqp1-Promotor::gus oder ::luc) bestätigten die NtAQP1-Akkumulation in der Wurzel, dem Spross und den Petiolen, lokalisierten dessen Expression aber auch in Pollen, Adventivwurzel und Blatthaaren. Die Ntaqp1-Expression wurde während Wachstumsprozessen wie Sprossorientierung nach Gravistimulation oder Photostimulation, Samenkeimung, aber auch während der vergleichsweise schnellen circadianen Blattbewegung induziert. Die Expression wurde weiterhin durch Phytohormone, im Speziellen durch Gibberellinsäure (GA) und osmotischen Stress stimuliert. Weitere Analysen hoben eine diurnale und sogar circadiane Expression von Ntaqp1 in Wurzeln und Petiolen hervor. Die funktionelle Analyse des Aquaporins wurde mittels reverser Genetik und biophysikalischen Studien durchgeführt. Die Antisense-Technik wurde benutzt, um die NtAQP1-Expression in Tabakpflanzen zu reduzieren. Die Antisense (AS)-Pflanzen zeigten eine starke Verringerung der Ntaqp1-mRNA, eine weniger ausgeprägte Verminderung der hoch homologen NtPIP1a-mRNA und keinen Effekt auf die Expression anderer Aquaporin-Genfamilien (PIP2, TIP). Die Funktion von NtAQP1 auf zellulärer Ebene wurde mit einer hierfür neuentwickelten Apparatur untersucht. Der experimentelle Aufbau ermöglichte die Aufzeichnung der osmotisch induzierten Protoplasten-Volumenzunahme. Die Reduktion von NtAQP1 durch die Antisense-Expression verminderte die zelluläre Wasserpermeabilität um mehr als 50 %. Die Funktion von NtAQP1 in der Gesamtpflanze wurde z.B. durch die "High-pressure flow meter" Methode bestimmt. Diese Messungen ergaben eine Reduktion der hydraulischen Wurzelleitfähigkeit pro Wurzeloberflächeneinheit (KRA) der Wurzeln der AS-Linien um mehr als 50 %. Die KRA wies eine starke diurnale und circadiane Schwankung auf, mit einem Maximum in der Mitte der Lichtperiode, ähnlich dem Verlauf des Expressionsmusters von Ntaqp1 in Wurzeln. Unter gut gewässerten Bedingungen ergaben Gaswechsel-, Spross- (Ystem) und Blatt- Wasserpotenial (Yleaf)-Messungen unterschiedliche Werte in AS- und Kontrollpflanzen. In wasserlimitierender Umgebung zeigten AS-Pflanzen jedoch ein stärker negativeres Y als Kontrollpflanzen, obwohl eine weitere Abnahme der Transpiration in AS-Pflanzen beobachtet werden konnte. Quantitative Analysen belegten eine stärker ausgeprägte Welkreaktion in den AS- als in den Kontrollpflanzen. Quantitative Studien der Blattbewegung von AS- verglichen mit Kontrollpflanzen hoben eine drastische Reduktion in Geschwindigkeit und Ausmaß der Reaktion hervor. Folgende Schlussfolgerungen konnten gezogen werden. NtAQP1 wurde an Orten mit erwartet hohem Wasserfluss von und zum Apoplasten oder Symplasten exprimiert. Außerdem deuteten das spezifische Verteilungsmuster und die zeitliche Expression von NtAQP1 in Petiolen und dem sich biegenden Spross auf eine Beteiligung in der transzellulären Wasserbewegung hin. Die Reduktion von NtAQP1 durch die Antisense-Expression verringerte die zelluläre Pos. Die NtAQP1-Funktion erhöht also eindeutig die Membranwasserpermeabilität von Tabak-Wurzelprotoplasten. Die Abnahme der spezifischen hydraulischen Wurzelleitfähigkeit (KRA) befand sich in der gleichen Größenordnung wie die Verringerung der mittleren zellulären Wasserpermeabilität. Dies weist darauf hin, dass die Aquaporin-Expression essentiell für die Aufrechterhaltung der natürlichen Wurzelleitfähigkeit ist. Die Verringerung von KRA in AS -Pflanzen könnte der erste sichere Beweis dafür sein, dass der Weg der Wasseraufnahme von der Wurzeloberfläche in das Xylem den Übergang über Membranen einschließt. Die Reduktion von NtAQP1 resultierte in einem Wasserstresssignal, das ein Schließen der Stomata zur Folge hatte. NtAQP1 scheint an der Vermeidung von Wasserstress in Tabak beteiligt zu sein. NtAQP1 spielt eine essentielle Rolle bei schnellen Pflanzenbewegungen und der transzellulären Wasserverschiebung.
N2  - The presented work shows the analysis of the correlation between the spatial and temporal expression pattern of NtAQP1 and its function in water relation in planta. In situ immunological studies indicated NtAQP1-protein accumulation in the root exodermis and endodermis, in the cortex, close to vascular bundles, in the xylem parenchyma and in cells of the stomatal cavities. The aquaporin was also found to be abundant in longitudinal cell-rows in the petioles. Expression studies with generated transgenic plants (Ntaqp1-promoter::gus or luc) confirmed the Ntaqp1 accumulation in the root, stem and petioles but also revealed further localization in pollen grains, adventitious roots and leaf glandular hairs. Ntaqp1-expression was induced during growth processes, like stem bending after gravistimulation or photostimulation, seed germination and hypocotyl elongation as well as during the comparatively fast circadian leaf movement. The expression was further stimulated by phytohormones, especially gibberellic acid (GA) and osmotic stress. Further analysis displayed a diurnal and even circadian expression of Ntaqp1 in roots and petioles. The functional analysis of the aquaporin was accomplished by reverse genetics and biophysical studies. The antisense technique was used to reduce NtAQP1-expression in tobacco plants. The antisense (AS) plants exhibited a severe reduction of Ntaqp1-mRNA, less reduction of the highly homologous NtPIP1a RNA and no effect on expression of other aquaporin family genes (PIP2, TIP). The function of NtAQP1 at the cellular level was investigated by a newly developed experimental setup to record the osmotically induced increase in protoplast volume. The reduction of NtAQP1 by the antisense expression decreased the overall cellular waterpermeability Pos for more than 50 %. Function of NtAQP1 at the whole plant level was e.g. measured by the “high-pressure flow meter method”. Those measurements revealed that the root hydraulic conductivity per unit root surface area (KRA) of roots from the AS-lines was reduced by more than 50 %. KRA displayed a strong diurnal and circadian variation with a maximum in the middle of the light period, similar to the expression pattern of Ntaqp1 in roots. Gas exchange-, stem (Ystem) and leaf (Yleaf) water potential measurement gave dissimilar values in AS and control plants under well-watered conditions. Under a water-limiting environment the Y of AS-plants remained at more negative water values, even though a further decrease in transpiration of AS-plants was detected. Quantitative analysis displayed a much stronger wilting reaction in the AS than in the control plants. Quantitative studies of the leaf movement in AS compared to control plants exhibited a dramatic reduction in velocity and also in the extent of the process. The following conclusions can be drawn. NtAQP1 was expressed at sites of anticipated high water fluxes from and to the apoplast or symplast. Additionally, the specific distribution pattern and temporal expression of NtAQP1 in petioles and the bending stem strongly indicate a role in transcellular movement of water. The reduction of NtAQP1 by the antisense expression decreased the overall cellular Pos. Conclusively, NtAQP1-function increases membrane water permeability of tobacco root protoplasts. The decrease of the specific root hydraulic conductivity (KRA) was in the same order of magnitude as the mean cellular water permeability reduction, indicating that aquaporin expression is essential in maintaining a natural root hydraulic conductance. Reduction of KRA in AS plants might be the first definitive proof that the pathway of water uptake from the root surface to the xylem involves passage across membranes. The absence of NtAQP1 resulted in a water stress signal, causing a certain stomatal closure. NtAQP1 seems to contribute to water stress avoidance in tobacco. NtAQP1 plays an essential role in fast plant movements and transcellular water shift.
KW  - Tabak
KW  - Aquaporine
KW  - Aquaporin
KW  - Tabak
KW  - Antisense
KW  - Wasserpermeabilität
KW  - Stress
KW  - Aquaporin
KW  - tobacco
KW  - antisense
KW  - waterpermeability
KW  - stress
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-3053
ER  -