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The role of Na+/H+ antiporter activity in leaf cells of newly developed maize (Zea mays L.) hybrids for sodium inclusion and salt resistance

Mohamed, Abdel Kareem Sayed Hussein


Originalveröffentlichung: (2011) Giessen : VVB Laufersweiler
Zum Volltext im pdf-Format: Dokument 1.pdf (2.378 KB)


Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-83651
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2011/8365/

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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Pflanzenernährung
Fachgebiet: Agrarwissenschaften und Umweltmanagement
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft
Dokumentart: Dissertation
ISBN / ISSN: 978-3-8359-5821-0
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 30.09.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 17.10.2011
Kurzfassung auf Deutsch: Da Salzstress weltweit immer noch ein sehr großes Problem für die landwirtschaftliche
Produktion darstellt, ist es von Bedeutung, diejenigen Kulturpflanzen und Genotypen zu
identifizieren, welche sich durch eine verbesserte Salzresistenz auszeichnen. Dieses genetische
Potential kann dann genutzt werden, um salzresistente und ertragsreiche Kulturarten zu
entwickeln. Aus diesem Grund, wurden in dieser Arbeit zehn verschiedene Maisgenotypen
(Across 8023, Pioneer 3906, sowie acht neu entwickelte, salzresistente (SR) Hybride) auf ihre
Salzresistenz in der zweiten Phase von Salzstress untersucht und klassifiziert.
Von besonderem Interesse war die Rolle der Tonoplasten-Na+/H+-Antiporter (NHX) in der
Ausbildung von Salzresistenz. Hierzu wurden drei der neu entwickelten SR-Hybride, die sich im
Screening als salzresistenter herausgestellt haben, sowie der empfindliche Genotyp Across 8023
unter geringem (50 mM NaCl) und hohem Salzstress (200 mM NaCl) kultiviert und untersucht.
Hierbei dienten zunächst das Sprosswachstum und die Anzahl nekrotischer Flecken am Blatt als
Parameter zur Charakterisierung von Na+-Toxizität. Unter hohem Salzstress zeigte sich, dass
SR03 und SR 05 insgesamt ein besseres Wachstum aufwiesen bei gleichzeitig weniger
nekrotischen Blattveränderungen als SR 20 und Across 8023. Basierend auf diesen Ergebnissen
wurden SR 03 und SR 05 als salzresistent, SR20 und Across 8023 dagegen als salzempfindlich
eingestuft.
Im Weiteren wurde dann die relative Transkription des Tonoplasten- Na+/H+-Antiporter ZmNHX
und dessen Beteiligung an des Salzresistenz untersucht. So zeigte sich unter hohem Salzstress
(200 mM NaCl) eine signifikante Hochregulierung von ZmNHX im Spross von SR 03 und SR
05, sowie eine signifikante Hochregulierung von ZmNHX in der Wurzel von SR 20. Im Fall von
SR 20 war die erhöhte relative Transkription jedoch nicht ausreichend, um die Salzresistenz
maßgeblich zu verbessern. Jedoch sagt die Menge an Transkripten allein noch nichts über
Salzresistenz aus, sondern vielmehr muss auch die Aktivität der Antiporter auf Proteinebene mit
berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang zeigte sich, dass im Spross von SR 05 die
Aktivität von NHX analog der relativen Transkription ebenfalls unter Salzstress erhöht war,
jedoch unter Kontrollbedingungen keine Veränderung stattfand. Somit scheint in SR 05 das
positive Zusammenwirken der erhöhten Transkription und Aktivität des Antiporters ursächlich
für die verbesserte Salzresistenz zu sein, da hierdurch verstärkt Na+ in der Vakuole
kompartimentiert wird.
Insgesamt können aus dieser Arbeit folgende Schlüsse gezogen werden:
 Basierend auf den Wachstumsparametern und der nekrotischen Blattveränderungen
wurden SR 03 und SR 05 als salzresistent, SR 20 und Across 8023 als salzempfindlich
eingestuft. Hierbei steht die Na+-Konzentration im Spross selbst in keinem
Zusammenhang mit der Ausbildung der Blattnekrosen, so dass dieser Parameter nicht
geeignet ist, Salzresistenz zu beschreiben.
 Das verbesserte Wachstum von SR 03 und SR 05 unter hohem Salzstress ist nicht bedingt
durch eine Na+ Exklusion aus dem Spross, da hier eine erhöhte Na+ Translokation sogar
zu erhöhten Na+-Konzentrationen im Blatt führte.
 Salzresistenz bei SR 03 und SR 05 ist auf Na+-Inklusion zurückzuführen. Durch die
Hochregulierung des Na+/H+-Antiporter-Transkripts ZmNHX kommt es im Spross zu
einer verbesserten Gewebetoleranz.
 Gleichzeitig mit der erhöhten relativen Transkription von ZmNHX im Spross von SR 05
konnte auch eine erhöhte Antiporter-Aktivität unter Salzstress gemessen werden, welche
zu einer verstärkten Na+-Kompartimentierung in der Vakuole führt
Kurzfassung auf Englisch: Screening of plant crops is necessary to identify salt-resistant germplasm for breeding programs
to evolve salt-resistant and high-yielding crop genotypes. For this reason, ten different maize
genotypes (Across 8023, Pioneer 3906 and eight newly developed maize SR hybrids) were
screened for salt resistance during the second phase of salt stress. In order to investigate the role
of tonoplast Na+/H+ antiporters (ZmNHX) in salt-stress resistance three of the newly developed
maize SR hybrids (SR 03, SR 05 and SR 20) and cv. Across 8023 were selected for further
studies under low (50 mM NaCl) and high salinity level (200 mM NaCl). Resistance to Na+
toxicity was monitored in terms of shoot growth and number of necrotic spots per leaf. SR 03
and SR 05 showed better shoot growth and a lower number of necrotic spots per leaf as
compared to SR 20 and Across 8023. Based on these results, SR 03 and SR 05 were classified as
salt-resistant, and SR 20 and Across 8023 as salt-sensitive genotypes. The relative transcription
of the tonoplast Na+/H+ antiporters (ZmNHX) in shoots and roots was quantified in all genotypes
under two levels of salt stress, 50 mM and 200 mM NaCl. At 200 mM NaCl, the salt-resistant SR
03 and SR 05 showed a significant up-regulation of ZmNHX in leaves compared with the saltsensitive
Across 8023 and SR 20. Relative transcription of ZmNHX in roots was only increased
in SR 20 compared to other genotypes. Furthermore, the activity of Na+/H+ antiporters was
increased in the salt-treated plants of SR 05 but not in control plants. The salt stress-induced
increase in transcription of ZmNHX may lead to enhanced tonoplast Na+/H+ antiport activity in
leaves of SR 05. Hence, sequestration of Na+ into the leaf vacuoles contributes to salt resistance
in these genotypes by protecting the cytoplasm from detrimental effects of Na+.
From these results it is concluded that:
 Based on the growth parameters and the number of necrotic spots, SR 03 and SR 05 are
classified as salt-resistant while Across 8023 and SR 20 are referred to as salt-sensitive.
However, there is no relationship between Na+ concentrations in shoot and number of
necrotic leaves. This means that shoot Na+ concentrations are not suitable to identify salt
resistance in the second phase of salt stress.
 The better growth performance of SR 03 and SR 05 under high salt stress was not related
to Na+ exclusion from the shoot, but was accompanied by relatively higher Na+
translocation and higher Na+ concentrations in the shoot.
 Lower appearance of toxicity symptoms on the leaves of salt-resistant SR 03 and SR 05
together with their improved shoot growth were accompanied by the up-regulation
ZmNHX. Thus, salt resistance in these maize genotypes correlated positively with the
relative transcription of tonoplast Na+/H+ antiporters in leaves under different salinity
levels (50 mM and 200 mM) but not in roots.
 Tonoplast Na+/ H+ antiporter activity improved Na+ inclusion into leaf vacuoles of saltresistant
maize genotype SR 05, thus preventing toxic effects of Na+ in the cytoplasm,
increasing leaf tissue tolerance to salt stress. This indicates that salt-treated plants have
significantly increased capacity for Na+ sequestration by increasing the activity of Na+/H+
antiport. This increased activity of Na+/H+ antiporter only occurred in salt-treated SR 05
but not in control plants. Thus, the increased transcription level of NHX together with a
higher activity contributed to salt resistance of SR 05.
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