Dokument: Vergleichende Analyse verschiedener Stressreaktionen alter Landsorten und moderner Hochertragssorten von Gerste (Hordeum vulgare L.)

Titel:	Vergleichende Analyse verschiedener Stressreaktionen alter Landsorten und moderner Hochertragssorten von Gerste (Hordeum vulgare L.)
Weiterer Titel:	Comparative analysis of different stress reactions of old landraces and modern high-yield cultivars of barley (Hordeum vulgare L.)
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=22024
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20120802-142931-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Gatzke, Simone [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 2,59 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 02.08.2012 / geändert 02.08.2012
Beitragende:	Prof. Dr. Schurr, Ulrich [Gutachter] Prof. Dr. Zeier, Jürgen [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob Kulturpflanzen durch die Züchtung in Richtung Hochertrag veränderte Stressantworten auf verschiedene abiotische und biotische Stressoren im Vergleich zu ihren Vorfahren aufweisen. Dazu wurden erstmalig die Emissionen biogener flüchtiger organischer Verbindungen (BVOC; biogenic volatile organic compounds) von verschiedenen Gerstensorten analysiert. Es wurden die Emissionsraten (Quantität) und die Emissionsmuster (Qualität) der emittierten BVOC heutiger Hochertragssorten mit denen alter Landsorten verglichen, um Anhaltspunkte auf mögliche Veränderungen der Stressreaktionen der Kulturpflanzen zu erlangen. BVOC-Emissionen gehören dem Sekundärmetabolismus an und spielen häufig eine Rolle bei den Interaktionen von Pflanzen mit ihrer biotischen Umwelt. Ein Rückgang der Abwehrmechanismen aufgrund der Züchtung der Kulturpflanzen in Richtung Hochertrag könnte sich demnach in einem Verlust der Fähigkeit BVOC zu emittieren widerspiegeln. Die Analyse der Emissionsmuster der verschiedenen Gerstensorten erfolgte dabei jeweils nach Applikation von Methyljasmonat (MeJA) und Ozon, als Trigger typischer pflanzlicher Stressreaktionen. Um den Durchsatz der vermessenen Pflanzen zu erhöhen wurde eine Anlage aufgebaut, mit der mehrere Experimente parallel durchgeführt werden konnten. In einem ersten Screening wurden die durch Applikation mit MeJA induzierten BVOC-Emissionen 31 verschiedener Gerstensorten analysiert (n=1). Dieses erste Screening sollte Hinweise auf die für weiterführende Experimente am besten geeigneten Sorten liefern. Wiederholte Messungen mit Pflanzen einer Sorte (n=2) zeigten aber so hohe Variabilitäten der Emissionsraten, dass eine Eingruppierung in stark bzw. schwach emittierende Sorten nach einem Experiment nicht möglich war. Die Analyse der Emissionen wurde auf sechs Sorten eingeschränkt. Drei alte Landsorten (BCC 1479, BCC 173 und BCC 869) sowie drei moderne Hochertragsorten (Barke, Varde und Marthe) wurden ausgewählt und mit sechs Wiederholungen je Sorte untersucht. Nach MeJA-Exposition emittierten alle sechs Sorten immer die gleichen BVOC, wobei ausschließlich Terpenoidemissionen nachweisbar waren. Die alten Landsorten zeigten jedoch höhere Emissionsraten als die Hochertragssorten, wobei hauptsächlich das Monoterpen Linalool und das Sesquiterpen ß-Caryophyllen emittiert wurden. Die Unterschiede der Emissionsstärken zwischen den Sorten konnten bisher nicht durch Ergebnisse ergänzender Genexpressionsanalysen erklärt werden. Auch nach Ozonexposition emittierten alle Gerstenpflanzen immer die gleichen BVOC, Terpenoide und green leaf volatiles (GLVs). Die GLV-Emissionen machten den Hauptanteil an den gesamten Emissionen aus. Die Stärke der GLV-Emissionen war zwischen den Gerstensorten nicht signifikant unterschiedlich. Unterschiede der Emissionsraten waren ausschließlich für die Monoterpenemissionen zweier alter Landsorten (BCC 869 und BCC 173) zu erkennen. Diese wiesen im Vergleich zu den anderen Sorten erhöhte Monoterpenemissionen auf. Jedoch konnten diese Unterschiede wiederum nicht anhand der in dieser Arbeit ermittelten Genexpressionen erklärt werden. Die nachgewiesenen Terpenoidemissionen der Gerstensorten könnten durch Pflanzenhormone, wie Jasmonsäure (JA), beeinflusst werden. Von JA wird angenommen, dass es die Biosynthese und Emission terpenoider BVOC triggern soll. Es wurde jedoch keine Korrelation zwischen den endogenen JA-Gehalten und der Stärke der Terpenoidemissionen nachgewiesen. In Gerste ist wahrscheinlich die Akkumulation von JA nicht direkt erforderlich für die Synthese und Emission der Terpenoide. Die gleich starke Expression von JA-responsiven Genen aller Sorten nach MeJA-Exposition zeigt jedoch, dass die Wahrnehmung, also die Reaktion auf JA in allen Sorten gleich stark ist. Um potentielle Unterschiede in emissionsrelevanten Stoffwechselwegen zu finden, müssen weitere molekularbiologische Untersuchungen durchgeführt werden. Dabei müssten besonders die Schritte nach der JA-Akkumulation betrachtet werden. Zusätzlich wurde auch überprüft, ob die Ozonexpositionen tatsächlich ein vergleichbares Emissionsmuster wie nach einem Pathogenbefall induzieren. Exemplarisch wurde eine Infektion mit Pseudomonas syringae pv. syringae durchgeführt. Nach dem Pathogenbefall waren Emissionen von Methylsalicylsäure nachweisbar, die nach Ozonexposition nicht vorkamen. Das Emissionsmuster nach dem Pathogenbefall unterscheidet sich daher von dem nach Ozonexposition. Ein vergleichender Herbivorenbefall wurde im Rahmen dieser Arbeit nicht mehr durchgeführt. Insgesamt weisen die Ergebnisse daraufhin, dass durch die Züchtung der Kulturpflanzen von Gerste nicht das Emissionsmuster verändert wurde, sondern es zu einer Reduktion der Emissionsstärke kam. Dieser eindeutige Einfluss auf Teile des Sekundärstoffwechsels lässt vermuten, dass auch andere Elemente des Sekundärmetabolismus durch die Ertragszüchtung beeinflusst wurden und sich somit die Abwehreigenschaften der heutigen Kultursorten im Vergleich mit den alten Landsorten von Gerste verändert haben. The present study investigates whether selection of agriculturally used plants by mankind has suppressed stress responses of plants against abiotic and biotic stressors. For this purpose emissions of biogenic volatile organic compounds (BVOC) of modern high-yield barley cultivars were compared to those of their ancestors. For the first time BVOC emissions of different barley cultivars were measured here and differences in the emission rates (quantity) and the emission pattern (quality) of the emitted BVOC were compared between modern high-yield cultivars and old landraces. The emissions were induced by stressing the plants using methyl jasmonate (MeJA) and ozone exposure. These abiotic stressors are a trigger for typical stress responses of plants. A system was established to measure the emissions of different plants in parallel. This accelerated the throughput of measurements enabling the necessary high number of replicates. BVOC emissions from 31 different barley cultivars were analysed after the exposure to MeJA (n=1). The results from this first screening experiment should yield information about the extent of the stress-induced BVOC emissions and for sorting the cultivars into groups according to their ability to emit BVOC. But repeated measurements of plants (n=2) showed a high variability precluding the possibility of classification in strong and low emitters. Hence measurements of the BVOC emissions were restricted to six cultivars with six replicates for MeJA and ozone exposures respectively. Tested cultivars were three old landraces (BCC 1479, BCC 173 and BCC 869) and three modern high-yield cultivars (Barke, Varde and Marthe). After MeJA exposures all investigated plants emitted the same BVOC. Only emissions of terpenoids were observed and the old cultivars showed a stronger emission response than the modern cultivars. Mainly the monoterpene linalool and the sesquiterpene ß-caryophyllene were emitted. The differences in the BVOC emission strengths could not be explained by the analysis of the expression of certain genes that are involved in the biosynthesis of terpenoid emissions. After ozone exposure terpenoids as well as green leaf volatiles (GLV) were emitted and qualitatively the reaction of all investigated cultivars was the same. Main emissions were those of GLV and the emission strengths of GLV were the same for all cultivars. Differences in the terpenoid emissions were only detectable for the old cultivars BCC 869 and BCC 173. Monoterpene emissions for these two old cultivars were more intensive than those from the other cultivars. Again, the stronger emissions of these cultivars could not be explained by differences in the expression of emission-relevant genes. The emissions of terpenoids can be influenced by plant hormones like jasmonic acid (JA). JA is supposed to trigger the synthesis and emission of terpenoids. However, for barley I found no correlation between the internal JA content and the terpenoid emission rate. For barley the accumulation of JA is probably not essential for the emission strengths of terpenoids. The results of the expression analysis of JA-responsive genes indicate that JA perception is comparable in old and modern cultivars. Further molecular biological analyses are needed to dissect potential differences in the emission-relevant pathways. Especially steps after the accumulation of JA are of interest. In addition to that it was investigated, if the emission pattern after the exposure with ozone is comparable to that after pathogen attack. For this purpose a pathogen attack with Pseudomonas syringae pv. syringae was conducted. Contrary to ozone exposure, the pathogen attack induced emissions of methyl salicylic acid indicating that for barley an ozone exposure does not resemble pathogen attack. In this study herbivore attack was not conducted. Overall the results show that breeding of barley plants did not change the emission pattern, but the emission strengths. This clear influence on parts of the secondary metabolism might indicate that other elements of the secondary metabolism are affected by breeding of high-yield cultivars as well and that modern cultivars of barley differ in their defence mechanisms from old landraces.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	02.08.2012
Dateien geändert am:	02.08.2012
Promotionsantrag am:	07.05.2012
Datum der Promotion:	04.07.2012