Der Keimblattapoplast von Ricinus communis L. : Kinetische Wechselwirkungen zwischen der Substratkonzentration und dem Langstreckentransport

Titelangaben

Bauer-Ruckdeschel, Heike:
Der Keimblattapoplast von Ricinus communis L. : Kinetische Wechselwirkungen zwischen der Substratkonzentration und dem Langstreckentransport.
Bayreuth , 2002 . - V, 146 S.
( Dissertation, 2002 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

Volltext

Link zum Volltext (externe URL):

Abstract

Die stoffliche Zusammensetzung der Apoplastenlösung ist keine unabhängige Größe, sondern Ausgangspunkt und Ergebnis mehrerer in gegensätzliche Richtungen verlaufende Flüsse. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Nährstoffflüsse zwischen Blattapoplast, Blattgewebe, Phloem und Xylem nach Equilibrierung mit einer definierten apoplastischen Substratkonzentration zu messen und zu bilanzieren. Von Interesse waren die Elemente und Ionen Kohlenstoff (Saccharose), Stickstoff (Glutamin), Kalium, Phosphat und Sulfat. Als Versuchsobjekt diente der sechs Tage alte Keimling von Ricinus communis L.. Es kommt zu keiner Zirkulation von Saccharose über Phloem und Xylem. Die in den sink importierte Saccharose wird annähernd quantitativ verbraucht oder gespeichert. Auch der Xylemtransport der Hexosen Glukose und Fruktose erfolgt relativ unabhängig vom apoplastischen Angebot und spielt zu keiner Zeit eine entscheidende Rolle für die Ernährung der Pflanze. Externes Glutamin wird aktiv sowohl in den Keimblättern als auch im Phloem aufgenommen, jedoch mit unterschiedlichen Raten. Der Akkumulationsfaktor zwischen Exsudat und Medium zeigt, daß v.a. bei niedriger apoplastischer Konzentration der Fluß bevorzugt in den Ferntransport läuft. Es scheint, daß der/die Glutamincarrier am Phloem wesentlich aktiver sind als der/die Carrier am Mesophyll. Nur unter moderaten Mangelbedingungen fließt Glutamin in den Stoffwechsel der sink-Organe ein, ansonsten kommt es zu einer 1:1-Zirkulation über Phloem und Xylem. Nitrat wird bereits in der Wurzel größtenteils reduziert und nach Import in die Keimblätter erneut, vermutlich nach Aufnahme in spezielle Transfer-Zellen, über das Phloem exportiert. Kalium-Ionen haben einen entscheidenden Einfluß auf die Saccharosebeladung ins Phloem und den Volumenfluß dort. Sie scheinen sowohl aus dem Apoplasten als auch aus den Zellen der Keimblätter ins Phloem beladen zu werden, wobei die maximale Rate nicht sehr hoch ist (maximal 0,55 µMol x h-1 x Keimling-1). Bei Überangebot aus dem Xylem akkumuliert Kalium folglich in den Keimblättern. Die über das Phloem exportierten Kalium-Ionen werden kaum im sink festgelegt sondern zirkulieren (bis zu 80 %). Das Verhältnis Phosphat zu Phosphor insgesamt beträgt in den Keimblättern mit Endosperm 0,6, gleiches findet man im Siebröhrenexsudat wieder. Nach Transfer in phosphathaltiges Medium ist anteilig mehr Phosphat in den Keimblättern vorhanden, zusätzlich wird nun mengenmäßig mehr Phosphor über das Phloem exportiert. Nur ein Überangebot an externem, apoplastischem Phosphat verhindert einen Netto-Verlust von organisch-gebundenem Phosphor aus den Keimblättern. Eine Zirkulation von Phosphat zwischen Phloem und Xylem konnte zwar gefunden werden, jedoch ist sie in ihrem Ausmaß gering. Nach Angebot von Phosphat über die Wurzel kommt es zu einer konzentrationsabhängigen Erhöhung der Phosphatflüsse im Xylem, aber zu keiner Phosphorakkumulation in den Keimblättern. Erfolgt die Phosphorzufuhr gleichzeitig über den Keimblattapoplasten und über die Wurzel sind die Massenflüsse in den Leitbahnen im Vergleich zu den Einzelinkubationen reduziert. Der Phosphattransport im Keimling wird somit hauptsächlich durch das Phosphatangebot an der Wurzel und den Phosphateintrag in die Wurzel (über das Phloem) bestimmt. Die Sulfataufnahme in die Keimblätter ist schon bei relativ geringen apoplastischen Konzentrationen maximal, anders verhält es sich mit der Phloembeladung. Dies läßt den Schluß zu, daß sich der/die Carrier an den Parenchymzellen (Mesophyll) in ihren Raten unterscheiden. 70 % der über das Phloem exportierten Sulfat-Ionen zirkulieren zwischen Phloem und Xylem. Die Sulfat-Assimilation scheint gleichzeitig in den Keimblättern und der Wurzel zu erfolgen. Dafür spricht auch die Feststellung, daß nach Angebot über die Wurzel der Xylemfluß und der Phloemfluß deutlich reduziert sind. Glutamin, Phosphat, Sulfat und Kalium-Ionen treten in weit höheren Konzentrationen in den Keimblättern auf als sie im Siebröhrenexsudat nachweisbar sind. Neben der apoplastischen scheint auch eine symplastische Phloembeladung dieser Substrate möglich. Um Hinweise über den Beladungsweg des Phloems zu gewinnen, wurde die Versorgung des Keimlings mit Substraten aus dem apoplastischen Raum zwischen dem Endosperm und der Unterseite der Keimblättern unterbrochen. Bleibt die Nachlieferung aus dem apoplastischen Raum und über die Wurzel aus, kommt es bei Kalium, Phosphat und Sulfat spätestens nach drei Tagen, trotz beträchtlicher intrazellulärer Gehalte, zum Erliegen der Netto-Translokation aus den Keimblättern. Dies läßt auf eine rein apoplastische Beladung des Phloems schließen. Stickstoffverbindungen werden weiterhin aus den Zellen des Phloems bzw. den Geweben entlang des Transportweges ins Phloem entlassen (symplastisch).

Abstract in weiterer Sprache

The nutrient concentration in the leaf is regulated by several interdependent fluxes. The aim of this work was to measure and to balance nutrient fluxes between leaf apoplast, leaf tissue, phloem and xylem after equilibrating a defined substrate concentration in the apoplast. Fluxes of the following major nutrients were analysed in 6 day old seedlings of Ricinus communis L.: carbon (sucrose), nitrogen (glutamine), potassium (ion), phosphorus (phosphate) and sulfur (sulfate). External sucrose is taken up into the cotyledons and loaded into the phloem from the apoplast. Both processes are saturated under in vivo conditions. Independent of the concentration in the apoplast, 30 % of the external sucrose remains in the cotyledons and the apical hypocotyl, 70 % are translocated into the sink. There is no recirculation of sucrose from the sink back to the cotyledons via xylem. The exported sucrose is almost completely utilized in the sink. Concentration of hexoses (glucose and fructose) in the xylem does not dependent on the apoplastic sucrose concentration and the transported amounts are negligible for plant nutrition. Glutamine in the apoplast is taken up into the cotyledons and loaded into the phloem. At low concentration export via the phloem is favoured. It appears that the phloem glutamine uptake-mechanism(s) operate with higher affinity than the mechanism(s) responsible for uptake into the mesophyll. In this situation which may represent nitrogen deficiency, glutamine is used in the sink organs. At higher glutamine concentration, glutamine exported via the phloem is completely recirculated via the xylem. The major part of nitrate added to the root is presumably-reduced there and imported into the cotyledons from the root via the xylem is and leads to an increased glutamine export in the phloem. Potassium ions have a major effect on sucrose loading and volume flow within the phloem. Potassium ions transported in the phloem are taken up from the apoplast or are loaded from the symplast. The maximum phloem export capacity is low. After export out of the cotyledons potassium is hardly utilized in the sink but circulates back (up to 80 %). An additional supply to the root caused increased xylem flux and led to an accumulation of potassium within the cotyledons. Under in vivo-conditions the ratio phosphate to total phosphorus is the same in the endosperm, cotyledons and in the sieve tube-sap (about 0.6). Equilibrating the apoplast with different concentrations of phosphate led to an increase of this ratio. Only at high phosphate concentration in the apoplast the net loss of phosphate out of the cotyledons was prevented. Phosphate exported in the phloem was recirculated in the xylem but to a minor extend. Phosphate offered to the root led to an increase of the mass flow within the xylem but not to an accumulation of phosphate within the cotyledons. An simultaneous incubation of phosphate via the cotyledons and via the root decrease the mass flow within the phloem and also the mass flow within the xylem. This was considered as a hind for a predominant metabolic control based on the phosphate status of the roots affecting the uptake of external phosphate and the import via the phloem. Sulfate uptake into the cotyledons was saturated at low apoplastic concentration. However, the capacity for sulfate loading into the phloem was higher. It appears that the phloem sulfate uptake-mechanism(s) operate with higher affinity than the mechanism(s) responsible for uptake into the mesophyll. 70 % of the phloem exported sulfate ions circulate via phloem and xylem. Sulfate assimilation occurred within the cotyledons but also within the root tissue. The reduction of the mass flows (phloem and xylem) after equilibration via the roots leads to the same conclusion. Glutamine, phosphate, sulfate and potassium ions are found in higher concentrations within the cotyledons than in the sieve tube-exudate. A completely symplastic phloem loading pathway can be considered. To get more information about the involved pathway for phloem loading (apoplastic or symplastic), the supply of these nutrients from the endosperm was interupted. Within a period of 3 days, net translocation of potassium, phosphorus and sulfur out of the cotyledons stopped though abundant amounts of these substrate were still present in the cotyledons. The explanation is a predominant loading via the apoplast. Nitrogen containing substrates behaved in a different manner. Removal of endosperm supply did not prevent phloem export out of the source into sink. In conclusion, the control of apoplastic nutrient concentration plays an important role for nutrient allocation between the leaf tissue and the root. The apoplastic substrate concentration in the leaf not only controls nutrient fluxes within the leaf but impacts all parts of the plant via fluxes through the phloem and the xylem.