TY - THES A1 - Graus, Dorothea T1 - Auswirkungen einer V-PPase-Überexpression auf Nicotiana benthamiana Blattzellen und deren physiologische Bedeutung unter Salzbelastung T1 - The Effects of V-PPase overexpression on Nicotiana benthamiana leaf cells and their physiological significance under saline load N2 - Vakuoläre PPasen (V-PPase) in Landpflanzen dienen dem Transport von Protonen in die Vakuole und dem Aufbau eines elektrochemischen Gradienten, während sie gleichzeitig durch Hydrolyse eine Anreicherung des toxischen PPi im Cytosol verhindern. Zahlreiche Publikationen bewiesen bereits positive Effekte der stabilen V-PPase-Überexpression in Pflanzen. Unter anderem zeigte die Ackerschmalwand, Tabak, Reis und Tomate eine erhöhte Biomasse und gesteigerte Stresstoleranz auf Grund einer erhöhten stabilen V-PPase Ex-pression. Um die zugrundeliegenden Prozesse ohne potenzielle pleiotropische Effekte während der Pflanzenentwicklung zu analysieren, wurden in der vorliegenden Dissertation die physiologischen Auswirkungen einer transienten V-PPase-Überexpression in Nicotiona benthamiana Blättern und die Einflussnahme von NaCl quantitativ erfasst. Zu diesem Zweck wurden zwei endogene V-PPasen (NbVHP1 und NbVHP2) aus N. bentha-miana zunächst bioinformatisch und dann auf Transkriptionsebene mittels quantitativer Real-Time-PCR identifiziert. Die endogenen V-PPasen wurden mittels der Agrobakterien-Infiltrationstechnik transient in N. benthamiana Blättern und ihre vakuoläre Lokalisation mit Hilfe von Fluoreszenzmarkern bestätigt. Die Protonenpump-Funktion der überexprimierten NbVHPs konnte mit der Patch-Clamp-Technik anhand des vier-fach erhöhten Protonenpump-stroms in den isolierten Mesophyllvakuolen verifiziert werden. Im Zuge der elektro-physiologischen Charakterisierung der endogenen N. benthamiana V-PPasen konnte die für V-PPasen typische Sensitivität gegenüber cytosolischem Calcium bestätigt werden, welche sich bei einem erhöhten Calcium-Spiegel in einer Hemmung der Pumpströme äußerte. Ferner wurde ihre gleichartige Substrataffinität (Km von 65 µM PPi) unabhängig des vakuolären pHs zwischen 5,5 und 7,5 festgestellt. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit analog durchgeführten Messungen an der bereits publizierten AtVHP1 von A. thaliana bestätigte die große Homo-logie der V-PPasen von Landpflanzen. Im Gegensatz zu den erwünschten Auswirkungen der stabilen V-PPase Überexpression resultierte diese starke transiente Überexpression nach drei Tagen im Absterben makroskopischer Blattbereiche. Das Ausmaß dieser Nekrosen wurde anhand des vorhandenen PhotosystemII in den transformierten Blättern mit der Puls-Amplituden-Modulations-Technik quantifiziert. Die analoge transiente Überexpression einer löslichen PPase (IPP1) führte allerdings zu keinerlei negativen Effekten für die Pflanze, wodurch die erhöhte Protonentransportaktivität im Gegensatz zur Hydrolyseaktivität der V-PPasen als Ursache des Zellsterbens verifiziert werden konnte. Aufgrund dieser unerwarteten negativen Auswirkungen der transienten V-PPase-Überex-pression auf die Blattvitalität wurde zusätzlich die Salzstresstoleranz der Blätter untersucht. Unter Berücksichtigung des kurzen Transformations- und damit Beobachtungszeitfensters wurde ein Salzapplikationsverfahren etabliert, bei dem simultan mit der Agrobakterien-infiltration 200 mM NaCl direkt in den Blattapoplasten eingeführt wurde. Anhand einer Zu-nahme in sowohl der Transskriptmenge der V-PPase als auch des PPi-induzierten Protonen-pumptransportes über den Tonoplasten wurde gezeigt, dass die NaCl-Anwesenheit im Blatt eine erhöhte Aktivität der endogenen V-PPasen des N. benthaminan Pflanzen bewirkte. Der gleichzeitige tendenzielle Rückgang der V-ATPase-Pumpaktivität in salzbehandelten Mesophyllvakuolen lässt vermuten, dass die V-PPasen eine größere Rolle bei der Bewahrung des vakuolären pH-Wertes und der protonenmotorische Kraft (PMF) unter Salzstress ein-nimmt. Interessanterweise führte die Salzapplikation bei einer V-PPase-Überexpression zu keinen additiven negativen Effekten, sondern verhinderte sogar das Auftreten der Nekrosen. Um dieses Phänomen zu ergründen, wurde zunächst mit Hilfe von Apoplastenwaschungen und Natrium-Konzentrationsmessungen bestätigt, dass das injizierte NaCl im Blatt verblieb und von den Blattzellen aufgenommen wurde. Für weitere Studien der Ursachen der Nekrosen wurden in-vivo-pH-, Membranpotenzial- und Metabolitmessungen durchgeführt. Während in V-PPase-überexprimierenden Zellen der vakuoläre pH-Wert zu Kontrollvakuolen signifikant sank, blieb er mit zusätzlicher Salzbehandlung auf Kontrollniveau. Des Weiteren schwächte die Salzapplikation die starke Depolarisation der Plasmamembran nach V-PPase-Über-expression um mehr als die Hälfte ab. Hingegen konnten keine nennenswerten Ver-änderungen im Metabolit- und Ionengehalt des Blattgewebes bei V-PPase-Überexpression festgestellt werden. Lediglich der Natrium- und Chlorid-Spiegel waren bei salz-behandelten Blättern erwartungsgemäß erhöht. Diese Ergebnisse bekräftigten, dass der stark erhöhte V-PPase-vermittelte Protonenpumpstrom und weniger metabolische Veränderungen für die Nekrosen von V-PPase-überexprimierte Pflanzen verantwortlich ist. Diese negativen Auswirkungen werden offensichtlich durch die Salzbehandlung stark vermindert, da die Aufnahme der Salz-ionen über Protonen-Na+/K+-Antiporter wie NHX antagonistisch auf die V-PPase verursachte Protonenanreicherung und die daraus folgende Veränderung des Membran-potentials und der PMF entgegenwirkt. In diese Arbeit wurde in einem neuen Blickwinkel deutlich, dass die natürliche Expressions-kontrolle der V-PPase in ausdifferenzierten Pflanzenzellen sich den Umweltbedingungen anpasst, um das Gleich-gewicht zwischen den positiven und negativen Auswirkungen der Pumpaktivität zu halten. N2 - The plant vacuolar PPases (V-PPase) transport protons across the tonoplast from the cytosol into the vacuole. This establishes a trans-tonoplast electrochemical gradient and prevents the accumulation of toxic PPi in the cytosol. Many publications have already shown positive effects of stable V-PPase overexpression in plants. Arabidopsis, tobacco, rice and tomato for example, all showed increased biomass and greater stress tolerance with stable V-PPase overexpression. To understand the underlying processes without potential pleiotropic effects during plant development, we characterised V-PPase in Nicotiana benthamiana leaves using an electrophysiological approach, and investigated its physiology in overexpressing plants, concentrating on its regulation by NaCl. Two endogenous V-PPases (NbVHP1 and NbVHP2) from N. benthamiana were identified using bioinformatics and quantified with real-time PCR. Endogenous V-PPases were transiently overexpressed using Agrobacteria in N. benthamiana leaves, with their vacuolar localisation confirmed by fluorescence labelling. The proton pump activity of the NbVHPs was verified by a fourfold increase in the patch clamp-recorded proton current response of isolated mesophyll vacuoles. For the electrophysiological characterisation of the endogenous V-PPases, the V-PPase-typical cytosolic calcium sensitivity was confirmed; the proton pump became inhibited with increased calcium levels. Furthermore, their similar substrate affinity, a Km of 65 μM PPi, was found to be independent of the vacuolar pH between 5.5 and 7.5. Both attributes were comparable to the already published AtVHP1 of Arabidopsis thaliana, showing a high homology of plant V-PPases. The physiological effects of V-PPase overexpression was obvious from the time-delayed death of transformed cells. In contrast to the desired effects of stable V-PPase over-expression, this strong transient overexpression resulted in macroscopic dead leaf areas after three days. The extent of these necroses was quantified by counting the existing photosystems in the transformed leaves using the pulse-amplitude modulation technique (PAM). In contrast, no necrosis was found in plants where a soluble PPase (IPP1) was over-expressed. This supports the hypothesis that the increased proton transport activity of V-PPases, not the hydrolysis activity, is the cause of cell death. Because of these unexpected negative effects of transient V-PPase over-expression on leaf vitality, the salt stress tolerance of the leaves was also examined. The short transformation and observation time window meant we needed to establish a new way of salt application; we injected 200 mM NaCl directly into the leaf apoplast simultaneously with the agrobacterial material. Absorption of NaCl by leaf cells was confirmed by apoplast washing and sodium concentration measurements. The NaCl treatment increased the amount of transcripts of endogenous V-PPases in tobacco and increased the PPi-induced proton transport across the vacuolar membrane. The concomitant decline in V-ATPase pumping activity in saline-treated mesophyll vacuoles indicates that V-PPases have a significant role in maintaining the vacuolar pH and proton motive force (PMF) under saline conditions. Interestingly, simultaneous salt administration with V-PPase overexpression did not result in an additive negative effect but did prevent the occurrence of necrotic leaf areas. For further analysis of the necrosis, in vivo pH, membrane potential and metabolite measurements were performed. Under V-PPasen over-expression and salt treatment, the vacuolar pH remained constant and did not decrease as it did in non-salt-treated V-PPase over-expressing cells. Furthermore, the salt application attenuated the strong depolarisation of the plasma membrane by more than a half in V-PPase overexpressing plants, but no noteworthy changes in cell metabolism could be detected by metabolite and ion concentration measurements. Only the Na+ and Cl- levels were, as expected, increased in salt-treated leaves. This decrease in vacuolar pH alongside a membrane depolarisation confirms that the strong proton pump current of the V-PPase overexpressing vacuoles is the cause of the observed necrosis. These negative effects are obviously greatly reduced by salt treatment, since the uptake of the salt ions via proton:Na+/K+ antiporters such as NHX acts as an antagonist to V-PPase-induced proton accumulation in the vacuole and the consequent change in membrane potential and PMF. This work reveals in a new perspective, that the natural expression control of V-PPase in differentiated plant cells adapts to environmental conditions to balance the positive and negative effects of pumping activity. KW - Pyrophosphatase KW - Vakuole KW - Nicotiana benthamiana KW - Membrantransport KW - Salzstress KW - transiente Transformation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-193676 ER - TY - JOUR A1 - Graus, Dorothea A1 - Li, Kunkun A1 - Rathje, Jan M. A1 - Ding, Meiqi A1 - Krischke, Markus A1 - Müller, Martin J. A1 - Cuin, Tracey Ann A1 - Al‐Rasheid, Khaled A. S. A1 - Scherzer, Sönke A1 - Marten, Irene A1 - Konrad, Kai R. A1 - Hedrich, Rainer T1 - Tobacco leaf tissue rapidly detoxifies direct salt loads without activation of calcium and SOS signaling JF - New Phytologist N2 - Salt stress is a major abiotic stress, responsible for declining agricultural productivity. Roots are regarded as hubs for salt detoxification, however, leaf salt concentrations may exceed those of roots. How mature leaves manage acute sodium chloride (NaCl) stress is mostly unknown. To analyze the mechanisms for NaCl redistribution in leaves, salt was infiltrated into intact tobacco leaves. It initiated pronounced osmotically‐driven leaf movements. Leaf downward movement caused by hydro‐passive turgor loss reached a maximum within 2 h. Salt‐driven cellular water release was accompanied by a transient change in membrane depolarization but not an increase in cytosolic calcium ion (Ca\(^{2+}\)) level. Nonetheless, only half an hour later, the leaves had completely regained turgor. This recovery phase was characterized by an increase in mesophyll cell plasma membrane hydrogen ion (H\(^{+}\)) pumping, a salt uptake‐dependent cytosolic alkalization, and a return of the apoplast osmolality to pre‐stress levels. Although, transcript numbers of abscisic acid‐ and Salt Overly Sensitive pathway elements remained unchanged, salt adaptation depended on the vacuolar H\(^{+}\)/Na\(^{+}\)‐exchanger NHX1. Altogether, tobacco leaves can detoxify sodium ions (Na\(^{+}\)) rapidly even under massive salt loads, based on pre‐established posttranslational settings and NHX1 cation/H+ antiport activity. Unlike roots, signaling and processing of salt stress in tobacco leaves does not depend on Ca\(^{2+}\) signaling. KW - calcium signaling KW - cytosolic pH KW - leaf response KW - NaCl transport KW - NHX1 KW - osmotic effects KW - Salt Overly Sensitive pathway KW - salt stress Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-312152 VL - 237 IS - 1 SP - 217 EP - 231 ER - TY - JOUR A1 - Graus, Dorothea A1 - Konrad, Kai R. A1 - Bemm, Felix A1 - Nebioglu, Meliha Görkem Patir A1 - Lorey, Christian A1 - Duscha, Kerstin A1 - Güthoff, Tilman A1 - Herrmann, Johannes A1 - Ferjani, Ali A1 - Cuin, Tracey Ann A1 - Roelfsema, M. Rob G. A1 - Schumacher, Karin A1 - Neuhaus, H. Ekkehard A1 - Marten, Irene A1 - Hedrich, Rainer T1 - High V-PPase activity is beneficial under high salt loads, but detrimental without salinity JF - New Phytologist N2 - The membrane-bound proton-pumping pyrophosphatase (V-PPase), together with the V-type H+-ATPase, generates the proton motive force that drives vacuolar membrane solute transport. Transgenic plants constitutively overexpressing V-PPases were shown to have improved salinity tolerance, but the relative impact of increasing PPi hydrolysis and proton-pumping functions has yet to be dissected. For a better understanding of the molecular processes underlying V-PPase-dependent salt tolerance, we transiently overexpressed the pyrophosphate-driven proton pump (NbVHP) in Nicotiana benthamiana leaves and studied its functional properties in relation to salt treatment by primarily using patch-clamp, impalement electrodes and pH imaging. NbVHP overexpression led to higher vacuolar proton currents and vacuolar acidification. After 3 d in salt-untreated conditions, V-PPase-overexpressing leaves showed a drop in photosynthetic capacity, plasma membrane depolarization and eventual leaf necrosis. Salt, however, rescued NbVHP-hyperactive cells from cell death. Furthermore, a salt-induced rise in V-PPase but not of V-ATPase pump currents was detected in nontransformed plants. The results indicate that under normal growth conditions, plants need to regulate the V-PPase pump activity to avoid hyperactivity and its negative feedback on cell viability. Nonetheless, V-PPase proton pump function becomes increasingly important under salt stress for generating the pH gradient necessary for vacuolar proton-coupled Na+ sequestration. KW - cell death KW - plasma membrane voltage KW - proton pump currents KW - salt KW - vacuolar pH KW - vacuolar proton-ATPase (V-ATPase) KW - vacuolar proton-pyrophosphatase (V-PPase) Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-227553 VL - 219 ER -