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During drought, abscisic acid (ABA) induces closure of stomata via a signaling pathway that involves the calcium (Ca2+)-independent protein kinase OST1, as well as Ca2+-dependent protein kinases. However, the interconnection between OST1 and Ca2+ signaling in ABA-induced stomatal closure has not been fully resolved.
ABA-induced Ca2+ signals were monitored in intact Arabidopsis leaves, which express the ratiometric Ca2+ reporter R-GECO1-mTurquoise and the Ca2+-dependent activation of S-type anion channels was recorded with intracellular double-barreled microelectrodes.
ABA triggered Ca2+ signals that occurred during the initiation period, as well as in the acceleration phase of stomatal closure. However, a subset of stomata closed in the absence of Ca2+ signals. On average, stomata closed faster if Ca2+ signals were elicited during the ABA response. Loss of OST1 prevented ABA-induced stomatal closure and repressed Ca2+ signals, whereas elevation of the cytosolic Ca2+ concentration caused a rapid activation of SLAC1 and SLAH3 anion channels.
Our data show that the majority of Ca2+ signals are evoked during the acceleration phase of stomatal closure, which is initiated by OST1. These Ca2+ signals are likely to activate Ca2+-dependent protein kinases, which enhance the activity of S-type anion channels and boost stomatal closure.
Recent studies have revealed that some responses of fern stomata to environmental signals differ from those of their relatives in seed plants. However, it is unknown whether the biophysical properties of guard cells differ fundamentally between species of both clades.
Intracellular micro-electrodes and the fluorescent Ca2+ reporter FURA2 were used to study voltage-dependent cation channels and Ca2+ signals in guard cells of the ferns Polypodium vulgare and Asplenium scolopendrium.
Voltage clamp experiments with fern guard cells revealed similar properties of voltage-dependent K+ channels as found in seed plants. However, fluorescent dyes moved within the fern stomata, from one guard cell to the other, which does not occur in most seed plants. Despite the presence of plasmodesmata, which interconnect fern guard cells, Ca2+ signals could be elicited in each of the cells individually.
Based on the common properties of voltage-dependent channels in ferns and seed plants, it is likely that these key transport proteins are conserved in vascular plants. However, the symplastic connections between fern guard cells in mature stomata indicate that the biophysical mechanisms that control stomatal movements differ between ferns and seed plants.
Stomata control gas exchanges between the plant and the atmosphere. How natural variation in stomata size and density contributes to resolve trade-offs between carbon uptake and water loss in response to local climatic variation is not yet understood. We developed an automated confocal microscopy approach to characterize natural genetic variation in stomatal patterning in 330 fully sequenced Arabidopsis thaliana accessions collected throughout the European range of the species. We compared this to variation in water-use efficiency, measured as carbon isotope discrimination (δ13C). We detect substantial genetic variation for stomata size and density segregating within Arabidopsis thaliana. A positive correlation between stomata size and δ13C further suggests that this variation has consequences on water-use efficiency. Genome wide association analyses indicate a complex genetic architecture underlying not only variation in stomatal patterning but also to its covariation with carbon uptake parameters. Yet, we report two novel QTL affecting δ13C independently of stomatal patterning. This suggests that, in A. thaliana, both morphological and physiological variants contribute to genetic variance in water-use efficiency. Patterns of regional differentiation and covariation with climatic parameters indicate that natural selection has contributed to shape some of this variation, especially in Southern Sweden, where water availability is more limited in spring relative to summer. These conditions are expected to favour the evolution of drought avoidance mechanisms over drought escape strategies.
Epidermal fragments enriched in guard cells (GCs) were isolated from the halophyte quinoa (Chenopodium quinoa Wild.) species, and the response at the proteome level was studied after salinity treatment of 300 mM NaCl for 3 weeks. In total, 2147 proteins were identified, of which 36% were differentially expressed in response to salinity stress in GCs. Up and downregulated proteins included signaling molecules, enzyme modulators, transcription factors and oxidoreductases. The most abundant proteins induced by salt treatment were desiccation-responsive protein 29B (50-fold), osmotin-like protein OSML13 (13-fold), polycystin-1, lipoxygenase, alpha-toxin, and triacylglycerol lipase (PLAT) domain-containing protein 3-like (eight-fold), and dehydrin early responsive to dehydration (ERD14) (eight-fold). Ten proteins related to the gene ontology term “response to ABA” were upregulated in quinoa GC; this included aspartic protease, phospholipase D and plastid-lipid-associated protein. Additionally, seven proteins in the sucrose–starch pathway were upregulated in the GC in response to salinity stress, and accumulation of tryptophan synthase and L-methionine synthase (enzymes involved in the amino acid biosynthesis) was observed. Exogenous application of sucrose and tryptophan, L-methionine resulted in reduction in stomatal aperture and conductance, which could be advantageous for plants under salt stress. Eight aspartic proteinase proteins were highly upregulated in GCs of quinoa, and exogenous application of pepstatin A (an inhibitor of aspartic proteinase) was accompanied by higher oxidative stress and extremely low stomatal aperture and conductance, suggesting a possible role of aspartic proteinase in mitigating oxidative stress induced by saline conditions.
Soil salinity is a major environmental constraint affecting crop growth and threatening global food security. Plants adapt to salinity by optimizing the performance of stomata. Stomata are formed by two guard cells (GCs) that are morphologically and functionally distinct from the other leaf cells. These microscopic sphincters inserted into the wax-covered epidermis of the shoot balance CO\(_2\) intake for photosynthetic carbon gain and concomitant water loss. In order to better understand the molecular mechanisms underlying stomatal function under saline conditions, we used proteomics approach to study isolated GCs from the salt-tolerant sugar beet species. Of the 2088 proteins identified in sugar beet GCs, 82 were differentially regulated by salt treatment. According to bioinformatics analysis (GO enrichment analysis and protein classification), these proteins were involved in lipid metabolism, cell wall modification, ATP biosynthesis, and signaling. Among the significant differentially abundant proteins, several proteins classified as “stress proteins” were upregulated, including non-specific lipid transfer protein, chaperone proteins, heat shock proteins, inorganic pyrophosphatase 2, responsible for energized vacuole membrane for ion transportation. Moreover, several antioxidant enzymes (peroxide, superoxidase dismutase) were highly upregulated. Furthermore, cell wall proteins detected in GCs provided some evidence that GC walls were more flexible in response to salt stress. Proteins such as L-ascorbate oxidase that were constitutively high under both control and high salinity conditions may contribute to the ability of sugar beet GCs to adapt to salinity by mitigating salinity-induced oxidative stress.
Soil salinity is an increasingly global problem which hampers plant growth and crop yield. Plant productivity depends on optimal water-use efficiency and photosynthetic capacity balanced by stomatal conductance. Whether and how stomatal behavior contributes to salt sensitivity or tolerance is currently unknown. This work identifies guard cell-specific signaling networks exerted by a salt-sensitive and salt-tolerant plant under ionic and osmotic stress conditions accompanied by increasing NaCl loads.
We challenged soil-grown Arabidopsis thaliana and Thellungiella salsuginea plants with short- and long-term salinity stress and monitored genome-wide gene expression and signals of guard cells that determine their function.
Arabidopsis plants suffered from both salt regimes and showed reduced stomatal conductance while Thellungiella displayed no obvious stress symptoms. The salt-dependent gene expression changes of guard cells supported the ability of the halophyte to maintain high potassium to sodium ratios and to attenuate the abscisic acid (ABA) signaling pathway which the glycophyte kept activated despite fading ABA concentrations.
Our study shows that salinity stress and even the different tolerances are manifested on a single cell level. Halophytic guard cells are less sensitive than glycophytic guard cells, providing opportunities to manipulate stomatal behavior and improve plant productivity.
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.
1. Im Rahmen dieser Arbeit konnten neue Erkenntnisse hinsichtlich des angenomme-nen gerichteten Ionentransports zwischen Schließ- und Nebenzellen von Zea mays gewonnen werden: a. Mittels der Patch-Clamp-Technik wurden in beiden Zelltypen S-Typ-ähnliche Anionenkanäle identifiziert. In Nebenzellen konnten sie durch steigende zytosolische Ca2+-Konzentrationen gehemmt und durch ABA und zytosolische Alkalisierung stimuliert werden. Die S-Typ-Anionenkanäle der Schließzellen wurden hingegen durch eine Alkalisierung kaum beeinflusst und durch steigende zytosolische Ca2+-Konzentrationen stimuliert. b. Darüber hinaus konnte an intakten Mais-Pflanzen mit der Einstich-Elektroden-Technik gezeigt werden, dass Nebenzellen eine gegenläufige Polarisation des Membranpotentials während der Licht-/Dunkel-induzierten Stomabewegung aufweisen. Da das Membranpotential der Nebenzellen von Hordeum vulgare ein zu Mais ähnliches Verhalten während der Stomabewegung zeigte und gegenläu-fig zur Membranpolarisation der benachbarten Schließzellen war, ist ein ähnli-ches Verhalten bei Zea mays Schließzellen naheliegend. c. Zudem wurde in intakten Nebenzellen von Zea mays eine zytosolische Alkali-sierung während der Licht-induzierten Stomaöffnung beobachtet, die bei Stomaschluss wieder auf den Ursprungswert zurückkehrte. d. Mit Hilfe rekonstruktierter 3D-Modelle von intakten Mais-Stomakomplexen konnte ein Volumenverhältnis zwischen Schließ- und Nebenzellen von 1:6 bzw. 1:4 bei geöffneten und geschlossenen Stomata ermittelt werden. Unter Einbeziehung der Vorarbeiten unserer Arbeitsgruppe konnten die hier gewon-nenen Erkenntnisse schlüssig in ein Modell zur Beschreibung des Shuttle-Ionentransports zwischen Neben- und Schließzellen während der Licht-induzierten Stomabewegung eingebunden werden. 2. Des Weiteren wurden die S-Typ-Anionenstromantworten von A. thaliana Schließ-zellen in Patch-Clamp-Experimenten näher untersucht. Dabei waren die S-Typ-Anionenströme bei Ca2+- bzw. ABA-Stimulation in CPK23- und OST1-Verlustmutanten im Vergleich zum Wildtyp stark reduziert. Diese in vivo generierten Daten untermauern die in vitro Ergebnisse der Arbeitsgruppe von Prof. R. Hedrich (Universität Würzburg), dass OST1 und CPK23 Interaktionspartner des S-Typ-Anionenkanals SLAC1 in A. thaliana sind. Das SLAC1-homologe Gen SLAH3 ko-diert für einen Nitrat-permeablen S-Typ-Anionenkanal in Schließzellen, der zudem durch externes Nitrat aktiviert wird. Da in slac1-3 Verlustmutanten S-Typ-ähnliche Anionenströme generiert werden konnten, wenn Nitrat das dominierende Anion dar-stellte oder den Chlorid-basierten Lösungen externes Nitrat zugegeben wurde, scheint SLAH3 unter bestimmten Bedingungen einen alternativen Weg für die Ent-lassung von Anionen aus der Schließzelle darzustellen. 3. Die elektrophysiologische Charakterisierung der R-Typ-Anionenkanäle in A. thaliana Schließzellen belegt, dass dieser Kanal ähnliche Grundcharakteristika aufweist, die schon in Vicia faba beschrieben wurden: eine starke Spannungsab¬hängigkeit, sowie schnelle Aktivierungs- und Deaktivierungskinetiken. Im Gegensatz zu Vicia faba wurde die Spannungsabhängigkeit dieses Kanaltyps in A. thaliana nicht durch externes Malat beeinflusst. Jedoch war unter externen Malatbedingungen die Stromantwort einer almt12-Verlustmutante im Vergleich zu Wildtyp-Schließzellen erheblich reduziert, während unter externen Sulfatbe¬dingungen keine Unterschiede zwischen Wildtyp und almt12-Verlustmutante auszu¬machen waren. ALMT12 scheint demnach für den Malat-aktivierten Teil des R-Typ-Anionenkanals verantwortlich zu sein.
Die Methodik und Technik der Gaswechselmessung von Pflanzen wurde für den Modellorganismus Arabidopsis thaliana optimiert und für Untersuchungen zur Beteiligung des Aquaporins PIP1b an Wassertransportvorgängen während der Stomaöffnung verwendet. Die Messungen der Transpirationsraten von PIP1b-Antisense-Pflanzen ergaben keine Hinweise auf Veränderungen des zeitlichen Verlaufs der Stomaöffnung. Die Wasserpermeabilitäten von Schließzell-Plasmamembranen scheinen somit nicht von der Expression des Aquaporins PIP1b beeinflußt zu sein. - Gaswechselmessungen an Nicotiana tabacum NtAQP1-Antisense-Pflanzen zeigten eine Verringerung der Transpirationsraten im Licht und eine geringere Grundtranspiration im Dunkeln. Dies deutet auf eine Beteiligung von NtAQP1 am Wassertransport hin. - Ausgewählte Arabidopsis thaliana-Mutanten wurden hinsichtlich ihrer stomatären Antwort auf Rot- und Rot-/Blaulicht-Bestrahlung analysiert. Hierfür wurde ein Doppelbestrahlungs-Protokoll entwickelt. Vergleiche mit den Wildtypen ergaben signifikante Unterschiede bei der Phytochrom-Mutante phyA-103, der Abscisinsäure-Mutante aba3-2 und der Auxin-resistenten Mutante axr1-3. Ferner zeigte die Mutante npq1-2 nicht die beschriebene Abweichung der stomatären Antwort auf Blaulicht. - Die Expressionsmuster eines PIP1b-GFP-Reportergens in transgenen Arabidopsis thaliana-Pflanzen wurden analysiert. Hohe Promotor-Aktivitäten konnten in meristematischen Bereichen von Wurzel und Sproß, in Elementen der Leitbündel, in jungen Kotyledonen und in Staubblättern beobachtet werden. Es zeigte sich eine enge Korrelation zwischen PIP1b-Promotoraktivität und Streckungswachstum. - Eine Sequenzanalyse des NtAQP1-Promotors ergab Übereinstimmungen mit spezifischen Bindungsmotiven von MYB-ähnlichen Transkriptionsfaktoren. Mit Promotor-Reportergenen konnte die Beteiligung eines dieser Sequenzmotive an der GA- und ABA-induzierten Aktivierung des NtAQP1-Promotors gezeigt werden. Zur Analyse der Phytohormon-Wirkungen auf deletierte Promotorbereiche wurde ein duales Vektorsystem entwickelt und bei der transienten Transformation von BY2-Protoplasten eingesetzt. - Die Expression eines GFP::NtAQP1-Fusionsgens in BY2-Zellen zeigte die subzelluläre Lokalisation des Aquaporins in der Zytoplasmamembran. Ferner wurde Fusionsprotein in Vesikel-ähnlichen Strukturen beobachtet.