Water permeability of plant cells measured by pressure probes: effects of light and turgor, and the role of unstirred layers

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Kim, Yangmin:
Water permeability of plant cells measured by pressure probes: effects of light and turgor, and the role of unstirred layers.
Bayreuth , 2008
( Dissertation, 2008 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The dissertation focuses (i) on an analysis of effects of unstirred layers (USLs) during measurements of water permeability (hydraulic conductivity) at the level of single cells, during measurements with the cell pressure probe (CPP) and (ii) on the use of the latter technique to investigate changes in water permeability of leaf cells in response to light. Internodes of the giant green alga Chara corallina and parenchyma cells of corn leaves were used in the studies. Besides the water, the CPP has been employed to study solute flows across cell membranes. This allowed evaluating the role of different types of USLs. In response to claims, recently raised by Tyree et al. (2005) that USLs play a significant or even dominating role in measurements of transport coefficients with the cell pressure probe, a rigorous re-examination of effects of USLs with Chara internodes has been performed indicating a minor role of USLs. For the first time, responses of cell water relations to light have been worked in some detail. Light effects have been separated from those of turgor in intact tissue cells by compensating for transpiration. At low light (LL) intensity (100 to 650 micromol m-2 s-1), hydraulic conductivity of a cell (cell Lp) increased with increasing light intensity by a factor of 2 to 6 in 10 min. However, at high light (HL) intensities of 800 and 1800 micromol m-2 s-1, there was a decline of cell Lp with increasing light intensity at constant cell turgor by factors of 14 and 35, respectively. The effects of LL refer to literature data of overall measurements of the leaf conductances (Kleaf). Decreases of Kleaf at HL have not yet been separated for effects of turgor or light intensity, respectively (as done here). The responses to HL were most likely caused by an oxidative gating of water channels (aquaporins; AQPs), as indicated by the fact that (i) application of reactive oxygen species (ROS) resulted in responses similar to those of HL and (ii) HL effects could be reversed in the presence of the antioxidant glutathione. For the first time, the data indicate an interaction between water relations and light intensity/photosynthesis, which is most likely related to changes in the redox status of leaves.

Abstract in weiterer Sprache

Die Dissertation konzentriert sich (i) auf die Analyse des Einflusses von ungerührten Schichten (Unstirred layers; USLs) auf Messungen der Wasserpermeabilität (hydraulischen Leitfähigkeit) auf der Ebene einzelner Zellen wie etwa bei Untersuchungen mit der Zelldruckmesssonde (CPP), und (ii) auf die Anwendung der CPP bei Untersuchungen zur Lichtabhängigkeit der Wasserpermeabilität von Blattzellen. Die Untersuchungen wurden an Internodialzellen von Chara corallina und an Parenchymzellen von Maisblättern durchgeführt. Neben den Messungen der Wasserpermeabilität wurde die CPP auch zu Messungen der Teilchenpermeabilität herangezogen. Dies erlaubte es, den Einfluss verschiedener Typen von ungerührten Schichten zu quantifizieren. Von Tyree et al. (2005) ist die CPP jüngst kritisiert worden, da bei dieser Technik USLs eine bedeutende oder sogar dominierende Rolle spielen. Deshalb wurde eine gründliche Nachprüfung des Einflusses von USLs mit Chara-Internodien durchgeführt, welche eine geringe Rolle von USLs ergab. Zum ersten Mal wurde mithilfe der CPP der Einfluss des Lichtes auf den Wasserhaushalt von Blattzellen untersucht, wobei dieser Einfluss von der Turgorabhängigkeit der Wasserpermeabilität separiert werden musste. Im Bereich niedriger Lichtintensitäten (Low light, LL; 100 bis 650 micromol m-2 s-1) ergab sich innerhalb von 10 min mit steigender Intensität ein Anstieg der Wasserleitfähigkeit der Zellen um einen Faktor von 2 bis 6. Im Bereich hoher Lichtintensitäten (High light, HL; 800 und 1800 micromol m-2 s-1) war dagegen bei konstantem Turgor eine Abnahme um einen Faktor von 14 bzw. 35 zu verzeichnen. Die Befunde im LL-Bereich entsprechen denen von Messungen an ganzen Blättern (Kleaf), wobei bei den Messungen von Kleaf mit Overall-Techniken bisher die Einflüsse der Blattturgeszenz nicht, wie in dieser Arbeit, von denen eines direkten Einflusses des Lichtes abgetrennt werden konnten. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Antwort auf HL auf ein oxidatives ‘Gating‘ von Wasserkanälen (Aquaporinen; AQPs) zurückzuführen ist, da (i) die Applikation reaktiver Sauerstoffspezies ähnliche Effekte ergab und (ii) der Einfluss hoher Lichtintensität in Gegenwart des Antioxidants Glutathion unterdrückt werden konnte. Die Ergebnisse weisen zum ersten Mal auf Wechselwirkungen zwischen dem Wasserhaushalt und der Lichtintensität/Photosynthese hin, die höchstwahrscheinlich über den Redox-Zustand der Blätter gesteuert werden.