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Zusammenhang von Wachstumsprozessen und apoplastischem pH-Wert in Blättern von Vicia faba unter Salzstress

Salinity effects on leaf growth and apoplastic pH of Vicia faba

Kranz, Thorsten


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Freie Schlagwörter (Deutsch): Salzstress , Vicia faba , pH-Wert , Apoplast , Fluoreszenzmikroskopie
Freie Schlagwörter (Englisch): salinity , vicia faba , pH , apoplast , ratio imaging
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Pflanzenernährung
Fachgebiet: Agrarwissenschaften und Umweltmanagement
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft
Dokumentart: Dissertation
Zeitschrift, Serie: Edition scientifique
ISBN / ISSN: 978-3-8359-5437-7
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.07.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 02.12.2009
Kurzfassung auf Deutsch: Ziel dieser Arbeit war es die Wachstumshemmungen von Blättern von Vicia faba in der ersten Phase von Salzstress zu untersuchen. Weiterhin sollten die Untersuchungen Aufschluss über den pH-Wert und die Kationenverhältnisse im Blattapoplasten unter Salzstressbedingungen bringen. Zudem sollten die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit Auskunft über den Zusammenhang von Blattwachstum und pH-Wert im Blattapoplasten von Vicia faba geben.

Zusammenfassend zeigen die Untersuchungen folgende Ergebnisse:

1. Sowohl Spross- als auch Blattwachstum von Vicia faba werden in der ersten nach Munns (1993) beschriebenen Phase von Salzstress gehemmt. Die Trockenmasse der Wurzel wird im Gegensatz zu ihrer Frischmasse nicht durch Salzstress beeinflusst. Eine erhöhte Salzkonzentration in der Nährlösung bewirkt eine verlangsamte Pflanzenentwicklung bei Vicia faba.

2. Die Ergebnisse der beiden in vivo-Methoden (ratiometrische Fluoreszenzmikroskopie und elektrophysiologische Untersuchungen mit pH-sensitiven Mikroelektroden) zeigen, dass der apoplastische pH-Wert im Blatt von Vicia faba unter Salzstress signifikant erhöht ist. Die salzstress-induzierte Alkalisierung findet nicht nur im stomatären Raum statt, sondern ist im gesamten Blattapoplasten nachzuweisen.

3. Bei intakten Blättern von Vicia faba kann in Bezug auf Tageszeit und Blattalter eine negative Korrelation zwischen Wachstum und dem pH-Wert im Apoplasten festgestellt werden. Für wachsende Blätter der Ackerbohne wurde ein reproduzierbarer Wachstumstagesgang mit einem Wachstumsmaximum am Tag-Nacht-Übergang dargestellt. Die relativen Wuchsraten der Blätter waren in der Nacht höher als am Tag. Parallel dazu wurde in der Nacht ein niedrigerer pH-Wert im Apoplasten von wachsenden Blättern gefunden. Die Säure-Wachstums-Hypothese kann hier mit einer Kombination zweier in vivo-Methoden (ratiometrische Fluoreszenzmikroskopie und Wachstumsbestimmung mit Hilfe digitaler Bildsequenzverarbeitung) bestätigt werden.

4. Die Natriumkonzentration im Blattapoplasten steigt bei Vicia faba unter Salzstress signifikant an. Es ist daher nicht auszuschließen, dass die Wachstumsminderung der Blätter unter Salzstress durch die erhöhte Konzentration an Natrium im Blattapoplasten verursacht wird. Das durch Salzstress stark verminderte K+/Na+-Verhältnis im Blatt belegt, dass Vicia faba als sehr salzsensitiv einzustufen ist. Die Ackerbohne verfügt scheinbar über keinen Natriumexklusionsmechanismus, der den Spross vor einer zu hohen Natriumkonzentration unter Salzstress zu schützen vermag.

Erstmals konnten mit Hilfe einer Kombination von zwei in vivo-Methoden die Auswirkung von Salzstress auf den apoplastischen pH-Wert im Blatt einer salzempfindlichen dikotylen Pflanze dargestellt werden. Der apoplastische pH-Wert im Blattapoplasten von Vicia faba wird unter Salzstress erhöht und ist in der Lichtphase höher als in der Dunkelphase. Blattwachstum ist unter Salzstress reduziert und in der Lichtphase niedriger ist als in der Dunkelphase. Es lässt sich daher schlussfolgern, dass ein zu hoher pH-Wert im Blattapoplasten das Blattwachstum verringert, was mit der Säure-Wachstums-Hypothese übereinstimmt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit liefern jedoch nur einen kleinen Beitrag zur Aufklärung der salzinduzierten Wachstumsstörungen innerhalb eines komplexen physiologischen und biochemischen Systems der Pflanze. Weitere Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet werden auch zukünftig von besonderem Interesse vor allem im Hinblick auf die Entwicklung salzsresistenter Pflanzen sein.
Kurzfassung auf Englisch: The aim of this research project was to investigate the growth reduction of leaves from broad bean (Vicia faba) grown under salinity. Further the investigations should give information of the pH value and cation conditions in the apoplast of the leaf under salt stress conditions. Moreover, the results of the in vivo measurements should show the relationship between leaf growth and apoplastic pH of Vicia faba.

In summary, the investigations show the following results:

1. Both shoot and leaf growth of broad bean are inhibited in the first phase of salt stresses proposed by Munns (1993). In contrary to the fresh weight, root dry weight was not affected by salt stress. Increasing the salt concentration in the nutrient solution causes decelerated plant development.

2. Measurements by means of ratiometric fluorescence microscopy, on the one hand, and the use of microelectrodes on the other, show that apoplastic pH of the leaves is significantly increased under salt stress. This stress-induced alkalization is not only the result of the substomatal cavity but it is found in the whole leaf tissue as well.

3. The measurements indicate that there is a negative correlation between leaf growth and apoplastic pH of intact leaves of Vicia faba regarding leaf age and daytime. For expanding leaves of Vicia faba a reproducible diurnal course of the relative growth rate (RGR) is represented. The RGR reaches its maximum at the beginning of the dark period and is lowered during the day. Contrary to the RGR, apoplastic pH is lower in the night. The acid growth hypothesis can be confirmed by the combination of two in vivo methods used in this investigation.

4. The sodium concentration in the leaf apoplast of broad bean under saline conditions increases significantly. Hence, the reason for the salt-induced leaf growth reduction could also be the increasing sodium concentration in the apoplast. The reduced K+/Na+-ratio demonstrates that faba beans are very sensitive to salinity. The results of the present investigation exhibit that Vicia faba apparently has no mechanism to exclude sodium from the shoot in order to protect it against high concentration of sodium under salinity.

For the first time the combination of two in vivo methods offers the opportunity to adequately clarify for the effects of salt stress on the apoplastic pH in leaves of a dicotyledonous plant sensitive to salt. The apoplastic pH in the leaves of Vicia faba is increased under salt stress and is higher in the light phase than in the dark phase. Leaf growth is reduced under salt stress and is lower in the light phase than in the dark phase. Hence, it can be concluded that an increased apoplastic pH reduces the leaf. This agrees with the acid growth hypothesis. Nevertheless, the results of the present work deliver only a small contribution to the clarification of the salt-induced growth reduction within the complicated physiological and biochemical system of the plant. Other research projects on this problem are needed to develop plants resistant to salt.