Refine
Has Fulltext
- yes (3)
Is part of the Bibliography
- yes (3)
Document Type
- Journal article (2)
- Doctoral Thesis (1)
Keywords
- Membrantransport (1)
- NHX1 (1)
- NaCl transport (1)
- Nicotiana benthamiana (1)
- Pyrophosphatase (1)
- Salt Overly Sensitive pathway (1)
- Salzstress (1)
- Vakuole (1)
- calcium signaling (1)
- cell death (1)
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.
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.
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.