Effect of salinity in the first phase of salt stress on leaf cell-wall components of maize with special reference to cell-wall extensibility
Uddin, Md. Nesar
Originalveröffentlichung:
(2012) Giessen : VVB Laufersweiler
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URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-90763
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2012/9076/
Universität
Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut:
Institut of Plant Nutrition
Fachgebiet:
Agrarwissenschaften und Umweltmanagement
DDC-Sachgruppe:
Landwirtschaft
Dokumentart:
Dissertation
Zeitschrift, Serie:
Edition scientifique
ISBN / ISSN:
978-3-8359-5953-8
Sprache:
Englisch
Tag der mündlichen Prüfung:
12.11.2012
Erstellungsjahr:
2012
Publikationsdatum:
23.11.2012
Kurzfassung auf Englisch:
Summary of Experiment 2
A method of cell-wall isolation was optimized, and cell walls were separated into two fractions (250-405 µm fraction and > 405 µm fraction). Both the cell-wall fractions showed negative color test with iodine reagent and thus were free from starch content. Cellulose, neutral sugars and uronic acid responses due to the salt treatment were obvious from the 250-405 µm cell-wall fraction. On the other hand, the > 405 µm cell-wall fraction did not show much variation in results due to the salt treatment. The 250-405 µm fraction was dominated by cell wall from mesophyll and epidermal tissues, while the > 405 µm fraction was dominated by cell wall from vascular and fiber tissues. It was evident from the analyses that the 250-405 µm cell-wall fraction gave the results of interest under salt stress. Thus results showed clearly that the 250-405 µm cell-wall fraction may be the most important fraction for studying salt-induced changes in cell-wall compositions.
Summary of Experiment 2
Growth inhibition of crops in the first phase of salt stress is one of the core questions in the field of stress physiology and the mechanisms are not yet precisely known. Maize is able to maintain shoot turgor pressure during the first phase of salt stress. Assimilate supply to the growing tissue under salt stress is not found limiting under salt stress. Additionally, water uptake by maize plants from the saline solution did not limit growth. It has been reported that the maintenance of apoplastic acidification under saline condition contributes to the better performance of the salt-resistant genotype SR 03. Surprisingly, another salt-resistant genotype SR 12 cannot maintain apoplastic acidification during the first phase of salt stress despite of its better growth compared to Pioneer 3906. Thus apoplastic acidification only partly explains the strong growth reduction during the first phase of salt stress. So additional factors must be involved in reducing the cell-wall extensibility. It is presumed that the chemical composition of the cell wall may be changed during the first phase of salt stress, which may play a crucial role to reduce cell-wall extensibility in a differential manner in salt-sensitive (e.g. Pioneer 3906) and salt-resistant (e.g. SR 12) genotypes.
The present study was conducted to examine the hypotheses that (i) cell-wall polysaccharides, which result in tightening of cell wall to reduce plant growth, are changed in the growing leaves during the first phase of salt stress; (ii) leaf-growth reduction is accompanied with changes in leaf cell-wall monomeric phenols and various diferulates during the first phase of salt stress; (iii) salt stress-induced changes in cell-wall components are different in the salt-sensitive Pioneer 3906 and the salt-resistant SR 12.
Following conclusions are supported from this study:
(i) Salt treatment caused a strong inhibition of shoot growth with a concomitant increase in the ratio of cell-wall dry mass and shoot fresh mass, and a decrease in cell-wall cellulose concentrations in both Pioneer 3906 and SR 12. NaCl caused a large increase in the concentrations of total and non-methylated uronic acid in both salt-sensitive Pioneer 3906 and salt-resistant SR 12. It is concluded that a low accumulation of non-methylated uronic acid in leaf cell-wall may, among other mechanisms, contribute to salt resistance in the first phase of salt stress.
(ii) Salt stress favors cell-wall components participating in oxidative cross-linking in elongating shoot tissue of salt-sensitive maize genotype Pioneer 3906. The salt-sensitive genotype Pioneer 3906 had higher concentrations of ferulic acid (FA) and various diferulic acids (DFAs) during salt stress, while in the new hybrid SR 12 these parameters were unchanged. Both genotypes showed an increase in arabinose, which is the molecule at which FA and DFA are coupled to interlocking glucuronoarabinoxylan (GAX) fibers. Results are consistent with the concept that accelerated oxidative fixation of shape contributes to growth suppression in the salt-sensitive genotype during the first phase of salt stress.
(iii) The onset of the accumulation of non-methylated uronic acid was delayed in SR 12, which indicates that this may be one reason for the better growth performance of this genotype under salt stress compared to Pioneer 3906. Also, salt-sensitive genotype Pioneer 3906 showed a significantly higher increase in ferulic acid, total diferulic acid and total monomeric phenols in the youngest shoot during the first phase of salt stress compared to SR 12.
Kurzfassung auf Deutsch:
- Zusammenfassung von Experiment 1
Das Verfahren zur Zellwandisolierung wurde optimiert und die Zellwände wurden in zwei Fraktionen (250-405 µm Fraktion und > 405 µm Fraktion) getrennt. Beide Zellwandfraktionen zeigten ein negatives Ergebnis im Iodtest und waren somit frei von Stärke. Reaktionen von Cellulose, neutralen Zuckern und Uronsäure waren aufgrund der Salzbehandlung in der 250-405 µm Zellwandfraktion offensichtlich. Auf der anderen Seite zeigte die > 405 µm Zellwandfraktion nur einen geringen Einfluss der Salzbehandlung. Die 250-405 µm Fraktion wurde durch Mesophyllzellwand und epidermales Gewebe dominiert, während die > 405 µm Fraktion durch Zellwand von Gefäß und Fasergewebe dominiert wurde. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass die 250-405 µm Zellwandfraktion besser geeignet ist, salzinduzierte Veränderungen der Zellwandzusammensetzung zu untersuchen.
Zusammenfassung von Experiment 2
Die Hemmung des Wachstums von Nutzpflanzen in der ersten Phase von Salzstress ist eine der zentralen Fragen im Bereich der Stressphysiologie, jedoch sind die Mechanismen noch nicht genau bekannt. Mais ist in der Lage, den Sprossturgordruck während der ersten Phase von Salzstress aufrecht zu halten. Die Assimilatzufuhr für die wachsenden Gewebe unter Salzstress ist nicht der limitiernde Faktor unter Salzstress. Zudem ist die Wasseraufnahme aus der Salzlösung nicht begrenzend für das Wachstum der Maispflanze. Es wurde gezeigt, dass die Aufrechterhaltung der apoplastischen Ansäuerung unter salinen Bedingungen zu der besseren Leistung des salzresistenten Genotyps SR 03 beiträgt. Überraschenderweise hält ein weiterer salzresistenter Genotyp SR 12 die apoplastische Ansäuerung in der ersten Phase von Salzstress nicht aufrecht, trotz seines besseren Wachstums im Vergleich zu Pioneer 3906. Somit erklärt eine verminderte apoplastische Ansäuerung nur zum Teil die enorme Wachstumsreduzierung während der ersten Phase von Salzstress. Daher müssen zusätzliche Faktoren zur Reduktion der Zellwandextensibilität beitragen. Der Dissertation lag die Vermutung zugrunde, dass unterchiedliche Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung der Zellwand während der ersten Phase von Salzstress eine entscheidende Rolle spielen, um die Zellwandextensibilität in unterchiedlicher Art und Weise in salzsensitiven (z.B. Pioneer 3906) und salzresistenten (z.B. SR 12) Genotypen zu reduzieren.
Die vorliegende Studie wurde durchgeführt, um die folgenden Hypothesen zu untersuchen: (i) Zellwand-Polysaccharide, die zur Versteifung der Zellwand führen und damit das Pflanzenwachstum reduzieren, verändern sich in den wachsenden Blätter während der ersten Phase von Salzstress. (ii) Reduziertes Blattwachstum wird von veränderungen bei monomeren Phenolen und verschiedenen Diferulaten in der Blattzellwand während der ersten Phase von Salzstress begleitet. (iii) Salzstress-induzierte Veränderungen der Zellwandbestandteile in dem salzsensitiven Genotyp (Pioneer 3906) unterscheiden sich von denen des salzresistenten Genotyps.
Folgende Schlussfolgerungen gehen aus dieser Studie hervor:
(I) Die Salzbehandlung verursachte eine starke Sprosswachstumshemmung mit einer gleichzeitigen Zunahme des Verhältnisses zwischen Zellwandtrockenmasse und Sprossfrischmasse und einer Abnahme der Zellwandcellulosekonzentrationen in beiden Genotypen (Pioneer 3906 und SR 12). NaCl verursache einen starken Anstieg der Konzentrationen von Gesamturonsäure und nicht-methylierter Uronsäure sowohl beim salzsensitiven Pioneer 3906 als auch beim salzresistenten SR 12. Der Akkumulationsbeginn von nicht-methylierter Uronsäure wurde in SR 12 verzögert. Dies ist möglicherweise ein Grund für das bessere Wachstum dieses Genotyps unter Salzstress im Vergleich zu Pioneer 3906. Daraus kann gefolgert werden, dass eine geringe Akkumulation von nicht-methylierter Uronsäure in der Blattzellwand neben anderen Mechanismen zur Salzresistenz in der ersten Phase des Salzstresses beitragen kann.
(II) Salzstress begünstigt Zellwandbestandteile, die oxidative Vernetzungen im sich ausdehnenden Sprossgewebe im salzsensitiven Maisgenotyp Pioneer 3906 aufweisen. Der salzsensitive Genotyp Pioneer 3906 zeigte höhere Konzentrationen von Ferulasäure (FA) und verschiedenen Diferulasäuren (DFA) bei Salzstress, während in dem neuen SR-Hybriden SR 12 diese Parameter unverändert bleiben. Beide Genotypen zeigten einen Anstieg der Arabinose, wobei Arabinose die Voraussetzung dafür ist, dass eine Verknüpfung von Glucuronoarabinoxylanfasern über FA und DFA stattfinden kann. Diese Ergebnisse sind konsistent mit der Überlegung, dass eine beschleunigte oxidative Fixierung der Zellform zur Hemmung des Wachstums beim salzsensitiven Genotyp in der ersten Phase von Salzstress beiträgt.
(III) Der Akkumulationsbeginn von nicht-methylierter Uronsäure wurde in SR 12 verzögert beobachtet. Dies ist möglicherweise ein Grund für das bessere Wachstum dieses Genotyps unter Salzstress im Vergleich zu Pioneer 3906. Auch der salzsensitive Genotyp Pioneer 3906 zeigte eine signifikant höhere Zunahme der Ferulasäure, der Gesamtdiferulasäure und der gesamten Monophenole im Vergleich mit SR 12 im wachsenden Sprossgewebe während der ersten Phase von Salzstress.
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