Dokument: Impact of wounding and biotic stress on primary metabolism and growth processes of different plant species

Titel:	Impact of wounding and biotic stress on primary metabolism and growth processes of different plant species
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=13721
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20100120-093920-7
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schmidt, Lilian [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 8,49 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 05.01.2010 / geändert 05.01.2010
Stichwörter:	growth, photosynthesis, herbivory, plant
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Im Laufe ihrer gesamten Entwicklung sind Pflanzen abiotischem und biotischem Stress ausgesetzt. In der vegetativen Entwicklungsphase regulieren sie Primär- und Sekundärmetabolismus, was zu veränderten Wachstumsprozessen von Blättern und Wurzeln infolge von Angriff durch Pathogene oder Herbivore führen kann. Sekundärmetabolite, als wichtige Substanzen für Abwehrprozesse, sind gut erforscht, während Kenntnisse über den Einfluss von biotischem Stress auf Primärmetabolimus und Wachstumsdynamiken von Pflanzen spärlich sind. Das Ziel dieser Doktorarbeit lag in der Charakterisierung der Effekte von Herbivoren auf Primärstoffwechsel und Wachstumsprozesse verschiedener Pflanzenarten mit Hilfe von analytischen Methoden sowie Methoden, die auf Bildverarbeitung beruhen. Substanzen in oralen Absonderungen von Herbivoren beeinflussen die Bildung von Ionenkanälen in der Plasmamembran und sind daher wichtig bei der Weiterleitung von elektrischen Signalen. Die Auswirkungen von frühen Stadien des Herbivorenbefalls auf Photosynthese, Stickstoff-Haushalt und Blattwachstum wurden an Baumwollpflanzen untersucht, die Herbivoren mit unterschiedlichen Fraßmechanismen ausgesetzt waren: Spinnmilben als saugend-stechende Herbivore, Raupen als kauend-beißende Herbivore. Blattwachstum und Wassergehalt waren bei Blättern, die von Raupen befallen waren, signifikant reduziert. Blätter, die von Spinnmilben geschädigt wurden, zeigten dagegen kein verringertes Wachstum, aber erhöhte Konzentrationen an Stickstoff und Saccharose. Dies zeigt, dass die Beeinflussung der Wachstumsaktivität bei Befall mit den unterschiedlichen Herbivoren mit einer unterschiedlich starken Veränderung des Primärmetabolismus einhergeht. Photosynthese und Transpiration wurden durch keinen der beiden Herbivoren beeinflusst; in systemischen Blättern wurden keine nennenswerten Auswirkungen auf deren Physiologie festgestellt. Für die gut untersuchte Interaktion von Nicotiana attenuata und dem Spezialisten Manduca sexta wurde gezeigt, dass das Wurzelwachstum infolge von Jasmonsäure (JS)-vermittelten Prozessen stärker reduziert ist als das Blattwachstum. Eine einfache Verwundung, auch in Kombination mit Applikation von oralen Sekreten von M. sexta, führte zu ähnlichen Verringerungen des Wurzelwachstums wie eine mehrfache Verwundung. Eine Verlangsamung des Wurzelwachstums durch JS-vermittelte Signalwege wurde in verschiedenen Entwicklungsstadien von Tabakpflanzen beobachtet, was darauf hinweist, dass dies eine allgemeine Reaktion von N. attenuata auf Verletzung und Herbivorenfraß ist. Eine ähnliche Verringerung des Wurzelwachstums infolge von Verwundung oder simuliertem Raupenfraß wurde bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana dagegen nicht gefunden. Daraus kann man schließen, dass das Abwehrverhalten von Pflanzen abhängig ist von der ökologischen Nische, an welche die Pflanzen angepasst sind. Bei A. thaliana führte mechanische Verwundung zu einem Anstieg der JS-Konzentrationen im Blatt, während das Wurzelwachstum nur kurzzeitig über einen JS-unabhängigen Signalweg reduziert wurde. Infektion mit den Bakterien Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 reduzierte das Wachstum der Primärwurzel von A. thaliana stark. Dies war unabhängig von JS-Signalwegen und konnte auf das Bakterientoxin Coronatin und von ihm ausgelöste Ethylensignalwege zurückgeführt werden. Diese Doktorarbeit zeigt, dass in frühen Entwicklungsstadien von verschiedenen Kultur- und Modellpflanzen ein weites Spektrum von physiologischen Reaktionen vorhanden ist. Anpassungen von Blatt- und Wurzelwachstum werden in der verschiedenen Pflanzenarten über verschiedene Signalwege vermittelt and sind nicht zuletzt abhängig vom Fraßfeind. Dies zeigt die Komplexität des molekularen Netzwerks, welches die Reaktion auf mechanische Verwundung und biotischen Stress reguliert. Plants suffer from abiotic and biotic stress throughout their ontogeny. In the vegetative phase, they adjust the primary and secondary metabolism which may result in altered growth processes of leaves and roots upon attack by pathogens or herbivores. Secondary metabolites can be necessary for defence responses and are well investigated while knowledge about the impacts of biotic stresses on primary metabolism and growth dynamics of plants is still scarce. The aim of this PhD thesis was to characterize the effects of herbivory on primary metabolism and growth processes of several plant species using analytical and image-processing-based methods. Elicitors in the oral secretions of herbivores influence the formation of ion channels at the plasma membrane level and are thus important in electrical signalling. Effects of two herbivores with different feeding mechanisms on photosynthesis, nitrogen metabolism and leaf growth were investigated by elucidating the reaction of cotton towards the early stages of attack by spider mites and Lepidopteran larvae. Leaf growth and water content was reduced significantly by the chewing-biting caterpillars while plants were able to compensate for injuries to leaf tissue by the piercing-sucking spider mites by increasing the concentrations of nitrogen and sucrose at the site of damage and thereby maintaining leaf growth. Both herbivores did not affect photosynthesis and transpiration and they had little effects on the physiology of systemic cotton leaves. For the well-investigated interaction between the specialist herbivore Manduca sexta and Nicotiana attenuata it has been shown that root growth decreases more severely than leaf growth and that this reaction involves the jasmonate (JA) signalling pathway. Single leaf wounding with application of oral secretions of Manduca sexta leads to similar growth responses as multiple wounding treatments. JA-induced root growth decrease was observed in various developmental stages of the plant, suggesting that this is a general response pattern of Nicotiana attenuata. Yet, such a response pattern was not observed in the model species Arabidopsis thaliana, demonstrating that the ecological niche to which the plant is adapted, is of major importance for its defence mechanisms. In Arabidopsis thaliana, mechanical wounding of seedlings increased the foliar concentration of jasmonates, but only temporarily reduced root growth in a JA-independent way. The bacteria Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 severely inhibited growth of the primary root of Arabidopsis seedlings independently of JA signalling but via the toxin coronatine and subsequent ethylene signalling. In summary, this PhD thesis shows that even in early developmental stages of several model and crop species, a wide range of physiological response patterns can be observed. Leaf and root growth responses are mediated via different signalling pathways in different species and depend on the herbivore, demonstrating the enormous complexity of the molecular network regulating the response towards wounding and biotic threats.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Sonstige Einrichtungen/Externe » Institute in Zusammenarbeit mit der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf » Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre, Institut III. Phytosphäre, Forschungszentrum Jülich GmbH
Dokument erstellt am:	20.01.2010
Dateien geändert am:	05.01.2010
Promotionsantrag am:	25.08.2009
Datum der Promotion:	02.12.2009