Dokument: Dynamics of water and nutrients in transpiration stream and stem tissues of Phaseolus vulgaris and the regulation of axial nutrient fluxes

Titel:	Dynamics of water and nutrients in transpiration stream and stem tissues of Phaseolus vulgaris and the regulation of axial nutrient fluxes
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=16830
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20101220-094506-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Metzner, Ralf [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 33,82 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 06.12.2010 / geändert 06.12.2010
Beitragende:	Prof. Dr. Schurr, Ulrich [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Weber, Andreas P. M. [Gutachter]
Stichwörter:	Nutrient transport, xylem, SIMS, plant physiology
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Die Mechanismen und Regulation der Nährstoffnutzung in Pflanzen zu verstehen ist eine wichtige Aufgabe für die Pflanzenwissenschaften. In der Grundlagenforschung würde dies den wissenschaftlichen Fortschritt auf den Gebieten der Aufnahme, des Transports und der bedarfsspezifischer Verteilung von Nährstoffen vorantreiben und es zudem ermöglichen, Pflanzen mit optimierter Nährstoffnutzungseffizienz zu züchten. Durch die Wurzel aufgenommene Nährstoffe werden mit dem Transpirationsstrom in den Spross transportiert. Da Wasser- und Nährstoffbedarf sich oft voneinander unterscheiden, ist es von großer Bedeutung, aufzuklären, wie Pflanzen den Transport und die bedarfsspezifische Akquisition beider Ressourcen regulieren. Da die Xylemgefäße, welche Wasser und Nährstoffe leiten, inert sind, kann eine Regulation der Wasser- und Nährstoffflüsse nur unter Beteiligung der benachbarten lebenden Gewebe stattfinden. Um die Regulation dieser Flüsse zu untersuchen, ist es daher notwendig, den Austausch zwischen dem Transpirationsstrom und den umgebenden Geweben zu untersuchen. Isotopentracer sind gut geeignet um Austauschprozesse in Geweben zu untersuchen, da sie mit den zu verfolgenden Spezies chemisch identisch sind. Für die meisten Nährstoffe und für Wasser sind angereicherte stabile Isotope verfügbar und können mit abbildenden massenspektrometrischen Techniken, wie etwa Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS), mit subzellulärer lateraler Auflösung detektiert werden, vorausgesetzt, dass die Tracerverteilung bis zum Ende der Analyse bewahrt werden kann. Kryogenische Probenpräparation erlaubt die Erhaltung der Tracerverteilungen selbst bei hochdiffusionsfähigen Ionen, wie etwa K+. Daher war die Entwicklung eines Analyseprotokolls, welches eine kryogenische Probenpräparation mit der Analyse durch SIMS an hydratisiert gefrorenen Proben (Cryo-SIMS) verbindet, eines der Ziele der vorliegenden Dissertation. Routinemäßige rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der gefrorenen Proben (cryo- SEM) wurden zum Zweck der Qualitätskontrolle und der Gewebeidentifikation in das Protokoll integriert. Probenserien mit mehreren unterschiedlich langen Tracerapplikationsperioden erlaubten die Untersuchung der dynamischen Aspekte der Regulation, trotz der statischen Natur der Methode. Eine detaillierte Charakterisierung der Austauschdynamiken von Wasser und drei Makronährelementen (Mg, K und Ca) zwischen den Xylemgefäßen und den Stängelgeweben einer Rankbohne (Phaseolus vulgaris cv. Fardenlosa Shiny) wurde durch das neue Protokoll ermöglicht. Dies gab einen Hinweis auf Austausch- wege und –Hot Spots, deren Regulationspotential und die Regulation von axialen Nährstoffflüssen in den Xylemgefäßen. Für Wasser wurde hierbei ein ungehinderter Austausch zwischen Xylemgefäßen und Stängelgeweben festgestellt, während im Gegensatz dazu der Austausch von Magnesium, Kalium und Calcium stärkeren Beschränkungen unterlag. Diese Studie lieferte Hinweise, dass eine rein apoplastischer Austausch zwischen dem Transpirationsstrom und den Stängelgeweben möglich ist, was nahe legt, dass die Zusammensetzung der Nährstoffe im Apoplast der Gewebe ähnlich der in den Xylemgefäßen ist. Daher kann eine Kontrolle der Nährstoffflüsse in den Xylemgefäßen durch Aufnahme und Abgabe von Nährstoffe durch die Zellen der verschiedenen Stängelgewebe erfolgen. Große Unterschiede im Austausch mit den Xylemgefäßen weisen auf die Existenz von zwei verschiedenen funktionellen Domänen im Stängel hin. Erstens legen die Austauschcharakteristiken des Xylemparenchyms und des Markgewebes für das Xylemparenchym nahe, dass das Xylemparenchym als schneller Puffer und Regulator des axialen Flusses und das Mark als lokales Speichergewebe vor allem für Calcium fungiert. Zweitens weist der erheblich langsamere Austausch der peripheren Gewebe (Kambium und Phloem) auf eine untergeordnete Rolle in der Regulation der axialen Flüsse hin, mit der Möglichkeit einer Separation dieser Gewebe von den Xylemgefäßen durch eine apoplastische Barriere gegen Nährstoffbewegungen. Auf eine Kaliumhomöostase im Xylem des Stängels weist außerdem die Höherregulierung der Kaliumkonzentration in einer anfänglich verdünnten Lösung während der Durchströmung des Stängels hin. Die Ergebnisse dieser Dissertation betonen die Bedeutung der Gewebe der Sprossachse für den Transport und die bedarfsspezifische Verteilung von Nährstoffen in der Pflanze und illustrieren die Möglichkeiten der neuentwickelten Technik. Dieser Beitrag zu unserem Verständnis der pflanzlichen Nährstoffnutzung könnte in der Zukunft dabei helfen Züchtungsstrategien für Pflanzen mit einer höheren Nährstoffnutzungseffizienz zu entwickeln für eine nachhaltigere und zugleich produktive Landwirtschaft. Understanding the mechanisms and regulation of nutrient utilization within plants is an important task for plant sciences. For basic research this would advance scientific progress for example in nutrient uptake, transport and demand-specific distribution, but it would also facilitate breeding of plants with optimized nutrient use efficiency. Nutrients taken up by the roots are transported to the shoot with the transpiration stream. Because the demand for water and nutrients often diverges, it is important to clarify how plants regulate the demand-specific acquisition and transport of both resources. The xylem vessels conducting water and nutrient flow are inert, therefore any regulation needs to involve activity of the neighbouring living tissues. So, for investigating the regulation of nutrient and water fluxes, it is a prerequisite to characterize the exchange between transpiration stream and surrounding tissues. Isotope tracer techniques are well suited for investigating exchange processes within tissues because the tracers are chemically identical to the traced species. For most nutrients and for water, enriched stable isotopes are available and can be detected with imaging mass spectrometric techniques such as secondary ion mass spectrometry (SIMS) at subcellular spatial resolution, provided the distribution of tracers in the sample can be preserved until the analysis is complete. Cryogenic sample preparation allows preservation of authentic tracer distribution, even of highly diffusible ions, such as K+. Therefore, development of an analytical protocol combining cryogenic sample preparation and SIMS analysis of frozen-hydrated samples (cryo-SIMS) was one of the goals of this thesis. Routine imaging of the frozen-hydrated samples with scanning electron microscopy (cryo-SEM) was included in the protocol for quality control and tissue identification. Sample series with several tracer application periods allowed investigation of dynamic aspects of the exchange, despite the static nature of the technique. Detailed characterization of exchange dynamics for water and three macronutrients (Mg, K and Ca) between xylem vessels and stem tissues in stems of climbing bean (Phaseolus vulgaris cv. Fardenlosa Shiny) was enabled by the new protocol, and revealed hot spots and pathways of exchange, their regulation potential and axial flux regulation of nutrients in the xylem vessels. For water, uninhibited exchange between xylem vessels and stem tissues was found, but in contrast the exchange of magnesium, potassium and calcium was more restricted. This study provided evidence that purely apoplastic exchange between the transpiration stream and stem tissues is possible, suggesting that the nutrient composition of the tissue apoplast is similar to that of the xylem vessels. Therefore control of nutrient flux in the xylem vessels may occur by sequestration and release of nutrients by the cells of individual stem tissues. Strong inter-tissue differences in the exchange with the xylem vessels indicated two functional domains in the stem. First, exchange characteristics of the xylem parenchyma and pith, suggests that the xylem parenchyma functions as a fast buffer and regulator of the axial flow, and the pith as a local storage tissue (i.e. for calcium). Second, much slower exchange of the more peripheral tissues (i.e. cambium and phloem) indicates a minor role in axial flow regulation, with possible separation of these tissues from the vessels via an apoplastic barrier to nutrient movement. Potassium homeostasis in the stem xylem was also suggested by an up-regulation of potassium concentration of an initially dilute solution while it was passing through the stem. The findings in this thesis emphasize the importance of stem tissues for nutrient transport and demand-specific distribution within the plant and illustrate the power of the newly developed technique. This contribution to our understanding of plant nutrient utilization may in the future help to develop plant breeding strategies towards plants with a higher nutrient use efficiency for a more sustainable and productive agriculture.
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:	20.12.2010
Dateien geändert am:	06.12.2010
Promotionsantrag am:	21.10.2009
Datum der Promotion:	02.02.2010