Dokument: Der Einfluss von Ozon auf den LOX-Weg bei Pflanzen
| Titel: | Der Einfluss von Ozon auf den LOX-Weg bei Pflanzen | |||||||
| Weiterer Titel: | The influence of ozone on the LOX pathway in plants | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=8491 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20080716-095212-2 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Engelhardt, Britta [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Janzik, Ingar [Gutachter] Prof. Dr. Hummel, Werner [Gutachter] Prof. Dr. Baier, Margarete [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | Ozon, ozone, LOX, Lipoxygenase, plants, Tabak, Nicotiana tabacum, tobacco, octadecanoids | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Zusammenfassung
Der Luftschadstoff Ozon kann gravierende Schäden bei Pflanzen durch Veränderungen von biochemischen und physiologischen Prozessen verursachen. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Ozon (5 h, 150 ppb O3) auf den Lipoxygenase (LOX) Weg bei den unterschiedlich ozonsensitiven Nicotiana tabacum L. Varietäten Bel W3 und Bel B, sowie dem transgenen Nicotiana tabacum L. xanthi.nc-Nah-G untersucht. Es konnte erstmalig gezeigt werden, dass die unterschiedliche Ozonsensitivität der Tabakpflanzen, die sich in der unterschiedlichen Nekrosenbildung bei physiologisch mittelalten Blättern wiederspiegelte, mit einer transienten Ozoninduktion der LOX auf transkriptioneller Ebene sowie auf Aktivitätsebene korreliert. Dabei wurdenHinweise gefunden, dass sowohl 9- als auch 13-LOX induziert werden. Die Hinweise für die 9-LOX Induktion ergaben sich aus der Sequenzhomologie der verwandten LOX cDNA Sonde, zu einer bekannten Elicitor-induzierbaren LOX in Tabak, die als 9-LOX beschrieben wird. Der ozontolerante Tabak cv. Bel B entwickelte nach fünfstündiger Ozonbehandlung (150 ppb O3) keine Nekrosen und die LOX mRNA Akkumulation erfolgte nur zum Zeitpunkt 12 h nach Start der Applikation mit sehr schwacher Expression. Dagegen führte die gleiche Ozonbehandlung bei dem ozonempfindlichen Tabak cv. Bel W3 zur Ausbildung von deutlichen Nekrosen (12 h - 32 h) in physiologisch mittelalten Blättern. Das Auftreten sichtbarer Blattschäden war stets mit einer deutlich verstärkten, transienten Akkumulation von LOX mRNA (5 h - 24 h; mit einem Maximum nach 12 h), sowie mit einer erhöhten, transienten LOX Enzymaktivität (5 h-32 h; mit einem Maximum nach 24 h) verbunden. Dieser Zusammenhang wurde anhand von Dosis-Wirkungsexperimenten bestätigt. In jungen schadfreien Blättern wurde dagegen keine LOX mRNA Expression durch Ozon induziert. Dies legt den Schluss nahe, dass es sich bei der Induktion der LOX um eine lokale Abwehrreaktion handelt und die Regulation auf Transkriptebene erfolgt. Bei der in den Chloroplasten lokalisierten 13-LOX handelt es sich um ein Enzym der Jasmonsäure (JA)-Biosynthese. Die Induktion einer 13-LOX durch Ozon konnte hier erstmalig anhand transgener Arabidopsis thaliana LOX2-GUS/FLUC histochemisch und enzymatisch bestätigt werden. Dass JA eine Rolle in der durch Ozon induzierten Signalkaskade spielt, ist allgemein akzeptiert. Ergänzend wurde in dieser Arbeit mittels GC-MS Analysen gezeigt, dass freie endogene JA in Tabak cv. Bel W3 24 h nach Start der Ozonapplikation akkumuliert. Neben JA spielt auch Salicylsäure (SA) eine wesentliche Rolle bei der Abwehrantwort auf Ozon. Hier konnte nachgewiesen werden, dass Ozon die LOX mRNA auch bei dem SAdefizienten Tabak cv. Nah-G induziert (5 h- 12 h). Eine rein SA-abhängige Induktion der LOX durch Ozon bei Tabak wird demnach ausgeschlossen. Auf Aktivitätsebene konnte ein biphasisches pH-Optimum, mit Linol- oder Linolensäure als Substrat, für die durch Ozon induzierten LOXs bei Tabak cv. Bel W3 nachgewiesen werden. Darüber hinaus, wurden erstmals zwei ozoninduzierte LOX Aktivitätsbanden bei Tabak cv. Bel W3 durch in-Gel Färbung mit NATIVE PAGE Analysen nachgewiesen, was ebenfalls für die Induktion verschiedener LOX-Isoformen, wie z. B. der 9- und 13-LOX spricht. Zusätzlich wurden die zum LOX-Weg zählenden Enzyme Hydroperoxide Lyase (HPL), Epoxidhydrolase (EH), Allenoxid-Cyclase (AOC) und 12-oxo-Phytodiensäure- Reduktase (OPR) hinsichtlich ihrer Beteiligung an der Ozonabwehr bei Tabak mittels Northern Blot Analysen untersucht. Die Genexpression der an der JA-Biosynthese beteiligten Enzyme AOC und OPR wurde in allen Tabak Varietäten deutlich induziert, wobei die Induktion in dem ozonsensitiven Tabak cv. Bel W3 früher erfolgte. Eine deutliche Ozoninduktion der HPL, die Teil der Biosynthese von flüchtigen kurzkettigen C6-Verbindungen wie E-2-Hexenal und Z-3-Hexenylacetat ist, wurde für Tabak cv. Bel W3 nach 32 h und 48 h nachgewiesen, wohingegen diese bei der ozontoleranten Varietät Bel B schwächer und nur nach 32 h erfolgte. Darüber hinaus wurde eine streng ozonabhängige Genexpression der EH, die Epoxy-Reaktionsprodukte des EAS- oder POX-Wegs hydrolysieren kann, bei allen Tabak Varietäten differentiell zwischen 5 h - 12 h nachgewiesen. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit anhand der ozoninduzierten Genexpression der untersuchten LOX-Weg Enzyme bei verschiedenen Tabakkultivaren, die Aktivierung des LOX-Wegs durch Ozon gezeigt werden. Diese Arbeit liefert hiermit einen weiteren wichtigen Beitrag zum Verständnis der physiologischen Prozesse der Ozonantwort in Pflanzen.Abstract The air pollutant ozone can cause serious damages by alteration of biochemical and physiological processes in plants. The present study investigates the influence of ozone (5 h, 150 ppb O3) on the lipoxygenase (LOX) pathway of the different Nicotiana tabacum L. cultivars Bel W3 and Bel B, as well as of the transgenic Nicotiana tabacum L. cv. xanthi.nc-Nah-G. For the first time it has been shown, that the differences in the ozone sensitivity of the tobacco cultivars, which were reflected in different foliar lesion formation of fully expanded leaves, correlated with a transient ozone-induced LOX transcript accumulation and LOX enzyme activity. Hence, these results pointed to an induction of both 9- and 13-LOX. The nucleotide sequence homology of the utilized LOX probe to an elicitor-induced LOX from tobacco, which is described as 9-LOX, indicated a 9-LOX induction. The ozone treatment (5 h, 150 ppb O3) did not induce foliar lesions in the ozone tolerant tobacco cultivar Bel B. In accordance, only a slight LOX transcript accumulation was observed after 12 h, only. In contrast, an equal ozone treatment resulted in marked foliar lesion formation (12 h- 32 h) of physiologically medium aged leaves in the ozone sensitive tobacco cultivar Bel W3. Visible leaf damage was always related with an enhanced, transient accumulation of LOX mRNA (5 h - 24 h) and LOX enzyme activity (5 h - 32 h), reaching a maximum after 12 or 24 h, respectively. This was confirmed with dose effect experiments. In contrast, LOX mRNA expression was not induced by ozone in young intact leaves. These results provide a strong indication for a local defence reaction of the ozone-induced LOX, which is regulated at the transcript level. The chloroplast-located 13-LOX is an enzyme of the jasmonic acid (JA) biosynthesis pathway. For the first time, the ozone-induction of a 13-LOX could be confirmed histochemically and enzymatically with transgenic Arabidopsis thaliana LOX2 GUS/FLUC. Nowadays, there is a general agreement on the involvement of JA in the ozone-induced signalling. Using GC-MS analysis, this work did further show that free endogenous JA accumulates 24 h after the onset of the ozone treatment in tobacco cv. Bel W3. Furthermore salicylic acid (SA) also plays an essential role for the defence reaction to ozone. Further, this study demonstrated an ozone induction of LOX mRNA transcripts in the SA-deficient tobacco cv. Nah-G (5 h- 12 h), too. A strictly SA-dependent induction of the ozone-induced LOX in tobacco can therefore be excluded. Using linoleic- or linolenic acid, biphasic pH optima of the ozone-induced LOX activity were observed in tobacco cv. Bel W3. For the first time, two bands reflecting ozone-induced LOX activity were detected in tobacco cv. Bel W3 by native staining, which may also indicate different LOX isoforms, like 9- and/or 13-LOX. Furthermore, transcript accumulation of hydroperoxide lyase (HPL), epoxide hydrolase (EH), allene oxide cyclase (AOC) and 12-oxophytodienoic acid reductase (OPR) belonging to the LOX pathway, were investigated in terms of their involvement in the defense reaction to ozone in tobacco. It could be shown, that transcripts of the enzymes AOC and OPR, leading to JA biosynthesis, were markedly induced by ozone within all tobacco cultivars. The ozone-sensitive tobacco cv. Bel W3 exhibited the most rapid response. Furthermore, ozone induced in tobacco cv. Bel W3 after 32 h and 48 h, a remarkable increase of gene expression of the HPL, an essential enzyme leading to the synthesis of C6 volatile organic compounds like E-2-Hexenal and Z-3-Hexenylacetat. In contrast, the ozoneinduction of HPL transcript accumulation was in general weaker in the ozone tolerant tobacco cultivar Bel B, and appeared only after 32 h. Epoxydized fatty acids derived from the EAS- or POX pathway can be hydrolyzed by the EH. Here, it is shown, that the differential EH gene expression (5 h - 12 h) in all tobacco cultivars was strictly ozone dependent. In conclusion, the differential gene expression of the LOX pathway enzymes, examined in this work within the different tobacco cultivars, revealed the activation of the LOX pathway through ozone, and contributes to a better understanding of the ozone induced answers in plants. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Botanik | |||||||
| Dokument erstellt am: | 14.07.2008 | |||||||
| Dateien geändert am: | 14.07.2008 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 27.05.2008 | |||||||
| Datum der Promotion: | 10.07.2008 |
