abiotischer stress 2 - uni-muenster.de mangle rote mangrove ... t= thylakoids, v= vacuole, l=lipid...

10.06.2016

1

Vorlesung „Zellbiologie Physiologie und Genetik“

SoSe 2016

Abiotischer Stress II„Wassermangel“

Prof. Dr. Iris Finkemeier

Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen

Abiotischer Stress II

• Abiotische Stressfaktoren & Biologisches Stresskonzept

• Wassermangel

• Austrocknungstoleranz

• Xerophyten

• Wassermangel und Photosynthese

• C4- & CAM-Photosynthese

• Optimierung der Trockentoleranz

10.06.2016

2

Abiotische Stressfaktoren

3

CO2 Konzentration und Lichtintensität

Umweltstressfaktoren bestimmen die geographische Ausbreitung von Pflanzenspezies

4

10.06.2016

3

Wasser ist ein Hauptfaktor für die Verbreitung von Pflanzenspezies

Temperatur

Licht Wasser

Gelb, Orange, Rot und Pink: Wasser istlimitierender Faktor fürPflanzenwachstum

• Die meisten Pflanzen erlebenvorübergehenden Wasserstress

Allen, C.D., et al., and Cobb, N. (2010). A global overview of drought and heat-induced tree mortality reveals emerging climate change risks for forests. Forest Ecol. Manage. 259: 660-684with permission from Elsevier. Boyer, J.S. (1970). Leaf enlargement and metabolic rates in corn, soybean, and sunflower at various leaf water potentials. Plant Physiol. 46: 233-235.

Bla

ttw

ach

stu

m%

15

10

5

Net

Ph

oto

syn

thes

e(m

g /

hr

–10

0 cm

2 )

30

20

10

Wasserpotential Blatt (bar)

Schon milder Wasserstresswirkt sich auf das Wachstum

aus

Für jeden Umweltfaktor gibt es ein Spezies-abhängiges Optimum und

Minimum

6

10.06.2016

4

Das physikalische Stresskonzept von Levitt(1980)

7

Stress, Belastung, Schaden

Normale Bedingung

Elastische Deformation (reversibel)

Plastische Deformation (irreversibel)

Schaden durch Stressbelastung

Blattschädigung hängt von Temperatur und Dauer der Kälte ab

Elastische Belastung

Plastische Belastung

8

10.06.2016

5

Das physikalische Stresskonzept von Levitt (1980)

9

Strategien zur Vermeidung von Stress: Drei Typen der Stressresistenz

Vermeidung des Stress

Vermeidung der Belastung

Stresstoleranz

10

Beispiel für die Vermeidung von Stress

Frosttoleranz von Laubbäumen: Abwerfen der Blätter

10.06.2016

6

11

Das biologische Stresskonzept

12

Ablauf molekularer Prozesse nach Einsetzen von Stress in den einzelnen Phasen des biologischen Stresskonzepts

10.06.2016

7



• Wassermangel


• Xerophyten




Die Erdoberfläche ist zu 75% mit Wasser bedecktaber kaum verfügbar für Pflanzen

NASA: Earth Observatory

97% Salzwasser

68.7% Schnee und Eis

3% Frischwasser

30.9% Grundwasser 0.4% Flüsse und Seen

<1% ist fürPflanzenverfügbar

10.06.2016

8

Wassermangel bedroht die Biodiversität

Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd. NATURE: Vorosmarty, C.J., McIntyre, P.B., Gessner, M.O., Dudgeon, D., Prusevich, A., Green, P., Glidden, S., Bunn, S.E., Sullivan, C.A., Liermann, C.R. and Davies, P.M. (2010). Global threats to human water security and river biodiversity. Nature. 467: 555-561, copyright 2010.

Wassermangel ist eine der größtenBedrohungen für die Menschheit

Source: FAO

10.06.2016

9

Weltbevölkerung

© The Guardian

Wassermangel: Definitionen und Konzepte

Adaptation: Evolutionärer Prozess, der es der Pflanze ermöglicht sich an bestimmte Umweltbedingungenanzupassen

Akklimatisierung: Kurzeitiger physiologischer Prozess, der es der Pflanze ermöglicht sich an bestimmteUmweltbedingungen anzupassen

Adaptation vs. Akklimatisierung

10.06.2016

10


Austrocknung: Extremer Verlust von Wasser, Äquilibrierung an das Wasserpotenzial der Luft

Dehydration: Der Prozess der Austrocknung

Austrocknungstoleranz: Die Fähigkeit die Austrocknung zu Vermeiden und die Wiedererholung

Austrocknung, Dehydratation und Austrocknungstoleranz


Wasserdefizit: Sub-optimaler Wasserstatus aus Sicht der pflanzlichen Biochemie

Trockenheit: Regenmangel oder Verlust der Wasserzufuhr, führt zum Wasserdefizit

Trockentoleranz: Die Fähigkeit Wasserdefizit durch Anpassung und Akklimatisierung zuüberstehen (nicht gleich Austrockungstoleranz)

Wasserdefizit, Trockenheit und Trockentoleranz

10.06.2016

11


Xerophyt: Pflanze, die sich an Wassermangel in ihrer Umwelt angepasst hat

Mesophyt: Pflanze mit Adaptation an wenig oder viel Wasser in ihrer Umwelt

Hygrophyt:Pflanze, die sich an eínen feuchten Lebensraum angepasst hat

Xerophyt, Mesophyt, Hygrophyt

Strategien um mit Wassermangel zuLeben

Viele Moose vertragenAustrocknung

Einige Wüstenpflanzenvermeiden Trockenheit. Trockenperiodenüberdauern sie als Samen.

Einige Wüstenpflanzentolerieren Trockenheit durchAdaptation: tiefe Wurzeln, C4 Photosynthese, Sukkulenz(Wasserspeicherung), kleine Blätter

Die meistenGefäßpflanzentolerieren keineAustrocknung.

Photo credits: Mary Williams; Amrum; Scott Bauer; James Henderson, Golden Delight Honey, Bugwood.org

10.06.2016

12

© 2014 American Society of Plant Biologists



• Wassermangel


• Xerophyten




Austrockungstolerante, trocken-tolerante und trocken-sensitive Pflanzen

austrockungstolerant trockentolerant

Xerophyten Mesophyten

Einige Bryophyten

Sehr wenigeGefäßpflanzen

Sukkulenten und Nicht-Sukkulente

sensitivtrocken-tolerant

Innerhalb einer Spezies kann es ein breitesSpektrum an Trockentoleranz geben

Photo credits: Mel Oliver ; Hoekstra, F.A., Golovina, E.A. and Buitink, J. (2001). Mechanisms of plant desiccation tolerance. Trends Plant Sci. 6: 431-438; Mwilliams; Halley; Lopes, M.S., Araus, J.L., van Heerden, P.D.R., and Foyer, C.H. (2011). Enhancing drought tolerance in C4 crops. J. Exp. Bot. 62: 3135 – 3153; Paxton Payton

10.06.2016

13

• passen ihr internes Wasserpotential demexternenWasserpotential an

• tolerierenAustrocknung durchbiochemische und strukturelle Anpassung

ZelluläreSchutz und Reparatur-

mechanismen

• benutzenmorphologische und biochemischeStrategien, um das zelluläreWasserpotentialkonstant zu halten

ExternesWasserpotential

Zel

lulä

res

Was

serp

oten

tial

Ψ fluktuiert Ψ ~ konstant

ExternesWasserpotential

Zel

lulä

res

Was

serp

oten

tial

Tod

Austrocknungstolerante Pflanzen Austrocknungssensitive Pflanzen

Adaptation / Akklimation um

Austrocknungzu vermeiden

Austrockungstolerante, trocken-tolerante und trocken-sensitive Pflanzen

Austrocknungstolerante Pflanzen

Samen mit einem Wasserpotential von wenigerals -100 MPa sind trocken

Die meistenGefäßpflanzen –

-3 to -4 MPa lethales Limit

(-12 MPa Larrea)trocken-tolerante

Pflanzen

Wiederauferstehungs-pflanzen

AustrocknungstoleranteBryophyten unter

Laborbedingungen

0

-10 MP

a

-40 MP

a

-100 MP

a

-250 MP

a

-600 MP

a

Dehydrierungslevel

Die meistenBryophyten für kurze

Zeitperdioden

Adapted from Oliver, M.J., Cushman, J.C. and Koster, K.L. (2010).Dehydration tolerance in plants. Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J.) 639: 3-24.

10.06.2016

14

Bryophyten sind nahezuaustrocknungstolerant

Adapted from Chang, Y. and Graham, S.W. (2011). Inferring the higher-order phylogeny of mosses (Bryophyta) and relatives using a large, multigene plastid data set. Am. J. Bot. 98: 839-849 and Ligrone, R., Duckett, J.G. and Renzaglia, K.S. (2012). Major transitions in the evolution of early land plants: a bryological perspective. Ann. Bot. 109: 851-871. Photo credits Tom Donald, Mary Williams and gjshepherd_br / Foter.com / CC BY-NC-SA

Grünalgen

Landpflanzen

Lebermoose(~7000 – 8500 Spezies)

Laubmoose (~10,000 –17,000 Spezies)

Hornmoose (~200 species)

Gefäßpflanzen

Vegetative Austrocknungstoleranz ist eineevolutionär ursprüngliche Strategie

Oliver, M.J., Velten, J. and Mishler, B.D. (2005). Desiccation tolerance in bryophytes: A reflection of the primitive strategy for plant survival in dehydrating habitats? Integr. Comp. Biol. 45: 788-799 by permission of The Society for Integrative and Comparative Biology.

Vegetative AT verloren

Austrockunungstoleranz(AT) is verbreitet in Bryophyten (Lebermoose, Laubmoose)

Wenige Gefäßpflanzen gennant“Wiederauferstehungspflanzen”

haben die vegetative Austrocknungstoleranz

wiedererlangt

Achtung: Die meistenSamen und Pollen habendie Austrocknungstoleranzbehalten

10.06.2016

15

Die meisten Samen sindaustrocknungstolerant

Reprinted with permission of the Botanical Society of America from Cota-Sánchez, J.H., Reyes-Olivas, Á. and Sánchez-Soto, B. (2007). Vivipary in coastal cacti: a potential reproductive strategy in halophytic environments. Am. J. Bot. 94: 1577-1581. Jaro Nemcok Vencel

Weizen, Mais, Reis, Bohnen etc. produzieren “orthodoxe” Samen die austrocknen und gelagert werden können.Ausnahmen: Kakao, Gummisamen, Kokusnuss etc.

Einige Mangroven, Kakteen und großsamige Pflanzenwie die Kokusnusshaben“rekalzitrante” Samen, die nichtaustrocknen dürfen

Cocos nuciferaKokusnuss

Rhizophora mangleRote Mangrove Stenocereus alamosensis

Vivipare Samen keimenam Baum oder in der

Frucht

Wiederauferstehungspflanzen

Oliver, M.J., Velten, J. and Mishler, B.D. (2005). Desiccation tolerance in bryophytes: A reflection of the primitive strategy for plant survival in dehydrating habitats? Integr. Comp. Biol. 45: 788-799 by permission of The Society for Integrative and Comparative Biology. Yobi, A., Wone, B.W.M., Xu, W., Alexander, D.C., Guo, L., Ryals, J.A., Oliver, M.J. and Cushman, J.C. (2013). Metabolomic Profiling in Selaginella lepidophylla at various hydration states provides new insights into the mechanistic basis of desiccation tolerance. Mol. Plant. 6: 369-385 by permission of Chinese Academy of Sciences and Chinese Society of Plant Biology

Schwarz: Vorkommen von Austrocknungstoleranz

Selaginella lepidophylla

AustrockungstolerantePflanzen können dehydrieren

und rehydrieren

10.06.2016

16

Reprinted from Farrant, J.M. and Moore, J.P. (2011). Programming desiccation-tolerance: from plants to seeds to resurrection plants. Curr. Opin. Plant Biol. 14: 340-345 with permission from Elsevier.

Craterostigma plantagineumTortula ruralis

(Laubmoos)

Selaginella lepidophylla Mohria caffrorum

(Farn)

Xerophyta humilis

Myrothamnus flabellifolia

Sporobolus stapfianus

Bryophyten

AngiospermenVegetative AT verloren

Nur ~ 0.2% der Angiospermen sindaustrocknungstolerant

Blätter und Zellen rollen sich beiAustrocknung nach innen

Reprinted from Hoekstra, F.A., Golovina, E.A. and Buitink, J. (2001). Mechanisms of plant desiccation tolerance. Trends Plant Sci. 6: 431-438 with permission from Elsevier; Kristian Peters

Craterostigma pumilum, eine angiospermeWiederauferstehungspflanze

Bei Austrocknung:• Blätter rollen sich nach

innen,

• Anthocyan-Bildung zurPhotoprotektion

• Osmolyte (Prolin, Zucker)akkumulieren um Zellstabilität zu sichern

Selaginella lepidophylla

10.06.2016

17

Zelluläre Antworten auf AustrocknungDie Zelle muss lebensfähig bleiben, obwohl das

Wasser komplett entfernt wird

• Membranen und Zellwände könnenbrechen oderverkleben

• Proteine könnenaggregieren oderdenaturieren

• Toxische ROS könnenakkumulieren

CW=cell wall, C= chloroplast, T= thylakoids, V= vacuole, L=lipid droplet

AustrocknungstoleranteArten müssen

irreversiblen Schadenvermeiden!

Reprinted from Thomson, W.W. and Platt, K.A. (1997). Conservation of cell order in desiccated mesophyll of Selaginellalepidophylla ([Hook and Grev.] Spring). Ann. Bot. 79: 439-447 by permission of Oxford University Press.

LEA (late embryo abundant) Proteine sindintrinsisch ungeordnete Proteine und schützen

Zellstrukturen

Sun, X., Rikkerink, E.H.A., Jones, W.T. and Uversky, V.N. (2013). Multifarious roles of intrinsic disorder in proteins illustrate its broad impact on plant biology. Plant Cell. 25: 38-55.

LEA Proteine(Grau)

akkumulieren beiAustrocknung und

schützenZellstrukturen

Late Embryo Abundant (LEA) Proteinewurden erstmals in Samen charakterisiert. Sie akkumulieren bei Trockenheit auch in vegetativen Geweben.

10.06.2016

18

Alle Pflanzen aktivieren Schutzmechanismen beimildem Wasserdefizit; AT-Pflanzen reagieren

extrem

Adapted from Rascio, N. and La Rocca, N. (2005). Resurrection plants: The puzzle of surviving extreme vegetative desiccation. Crit.Rev. Plant Sci. 24: 209–225; Oliver, M.J., Tuba, Z., and Mishler, B.D. (2000). The evolution of vegetative desiccation tolerance in land plants. Plant Ecol. 151: 85 – 100.

MildesWasserdefizit(Alle)

StarkesWasserdefizit(AT-Pflanzen)

Synthese von:• Osmolyten• LEA Proteinen• Dehydrinen• ROS-

Entgiftung

Cytoplasmatische VerglasungAntioxidative AbwehrSchutz der PhotopigmenteFragmentation der VakuoleBlatt: schrumpfen und einrollen

Hydriert Dehydriert

Tortula ruralis ist ein stark austrocknungstolerantes Moos und wird als Modellpflanze benutzt, um die zellulären Mechanismen beidiesem Vorgang zu erforschen

Zusammenfassung: Die Antwort von Pflanzen auf Wassermangel betrifft verschiedene metabolische

Prozesse

Maggio, A., Zhu, J.-K., Hasegawa, P.M. and Bressan, R.A. (2006). Osmogenetics: Aristotle to Arabidopsis. Plant Cell. 18: 1542-1557.

Stomata Öffnung

Wurzel-wachstum

Sprossmeristem and Blattwachstum

Wasseraufnahme

Akkumulationvon löslichenStoffen(Synthese und Aufnahme)

Photosynthese

10.06.2016

19

Austrocknungstoleranz: Zusammenfassung

Einige Bryophyten und wenige Gefäßpflanzen sindaustrocknungstolerant. Siebenutzen ähnlicheMechanismen wie nicht-austrocknungstolerantePflanzen, jedoch in einemviel stärkeren Ausmaß.Selaginella

lepidophylla

Yobi, A., Wone, B.W.M., Xu, W., Alexander, D.C., Guo, L., Ryals, J.A., Oliver, M.J. and Cushman, J.C. (2013). Metabolomic Profiling in Selaginella lepidophylla at various hydration states provides new insights into the mechanistic basis of desiccation tolerance. Mol. Plant. 6: 369-385 by permission of Chinese Academy of Sciences and Chinese Society of Plant Biology



• Wassermangel


• Xerophyten




10.06.2016

20

Xerophyten: Pflanzen, die sich an extremtrockene Standorte angepasst haben

Photo credits:; Amrum; SAPS; James Henderson, Mary Williams

Vermeider: überdauernTrockenheit alsSamen

Tiefe Wurzeln, hoheXylemtransportraten, Speichermechanismenund kleine oderfehlende Blätter

Phänologisch

Morphologisch Biochemisch

Anatomisch

Crassulacean acid metabolism(CAM): Stomata in der Nacht offenum Wasserverlustzu vermeiden

Dicke Kutikula, gerollte Blätter, eingesenkteStomata

Ähnliche Mechanismen haben sich in verschiedensten Familien entwickelt

Euphorbia

Cacti

Agave, Yucca, Aloe

Anatomie der Xerophyten: • sukkulente Blätter und

Stängel• dicke Kutikula• eingesenkte Stomata

Cactus Euphorbia spp

AgaveMap of Life - "Succulent desert plants"

10.06.2016

21



• Wassermangel


• Xerophyten




Bei kritischem Wasserpotential sinktPhotosyntheserate stark ab

Marshall, A. et al., and De Smet, I. (2012). Tackling drought stress: RECEPTOR-LIKE KINASES present new approaches. Plant Cell. 24: 2262-2278; See also Boyer, J.S. (1970). Leaf enlargement and metabolic rates in corn, soybean, and sunflower at various leaf water potentials. Plant Physiol. 46: 233-235..

Photosynthese

Transpiration

Bodenfeuchte

kritischesWasserpotential

Bodenfeuchtesinkt nach demStopp der Bewässerung ab.Pflanze reagiertnach ein paarTagen, wennkritischesWasserpotentialerreicht ist.

10.06.2016

22

Wassermangel induziert Stomataschluss & verringert Photosyntheserate

Beardsell, M.F. and Cohen, D. (1975). Relationships between leaf water status, abscisic acid levels, and stomatal resistance in maize and sorghum. Plant Physiol. 56: 207-212Hopper, D.W., Ghan, R. and Cramer, G.R. (2014). A rapid dehydration leaf assay reveals stomatal response differences in grapevine genotypes. Hort. Res. 1: 2..

Bei einem abgeschnittenen Blatt nimmt die Transpirationrate mitder Zeit ab (Stomata schließensich).

Sto

ma

tal r

es

ista

nce

(s

ec

/cm

)L

ea

f w

ate

r p

ote

nti

al (

bar

s)

AB

A l

eve

l (n

g /

cm

2 )Rewatering

Trockenstress bei Mais-Pflanzen: Stomatawiderstandund ABA Spiegel sind nachdrei Tagen ohne Wasser erhöht.

ABA-defiziente Pflanzen könnenStomata nicht schließen und welken

Reprinted from Bauer, H., Ache, P., Lautner, S., Fromm, J., Hartung, W., Al-Rasheid, Khaled A.S., Sonnewald, S., Sonnewald, U., Kneitz, S., Lachmann, N., Mendel, Ralf R., Bittner, F., Hetherington, Alistair M. and Hedrich, R. (2013). The stomatal response to reduced relative humidity requires guard cell-autonomous ABA synthesis. Curr. Biol. 23: 53-57 with permission from Elsevier. Fujii, H., and Zhu, J.-K. (2009). Arabidopsis mutant deficient in 3 abscisic acid-activated protein kinases reveals critical roles in growth, reproduction, and stress. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106: 8380-8385; SolGenomics.net

ABA-defiziente Tomaten

ABA-defizienteArabidopsis

ABA-insensitive Arabidopsis

10.06.2016

23

Wassermangel wirkt sich auf CO2

Konzentration im Chloroplasten ausCa = [CO2] Luft Ca

Ci

Cc

Ci = [CO2] imBlatt

Cc = [CO2] imChloroplasten

gs = Stomata Leitfähigkeit fürCO2 (außen nach innen)

gm Mesophyll Leitfähigkeit für CO2 (in den Chloroplasten)

Wassermangel wirkt sich auf die CO2-Assimilation der Photosynthese aus

Rubisco

Ribulose-1,5-bisphosphat

2 x 3-Phosphogylcerat

+CO2

Die Assimilationsratehängt von der Enzym-und Substratmenge ab

Unter idealen Bedingungen hängtdie Assimilationsrate von der [CO2]-Konzentration im Chloroplasten ab

10.06.2016

24

Wassernutzungseffizienz (WUE): Verhältnis ausCO2 Assimilation und H2O Transpiration

CO2 UmgebungH2O Umgebung

CO2 InnenH2O Innen

WUE Werte liegen normalerweise bei1 mol CO2 fixiert zu 100 - 400 mol H2O transpiriert (für C3 Pflanzen)

Ernte (kg)

Wasserverbrauch (kg)

WUE kann über stabile Isotopenanalyse bestimmt werden

12C12C

12C13C98.9%

1.1%

Rubisco

Ribulose-1,5-bisphosphat 2 x 3-Phosphogylcerat

+CO2

~ 1.1% des Kohlenstoffs hat einextra Neutron. Das 13C Isotop iststabil (nicht-radioaktiv) (nicht wiedas radioaktive 14C Isotop)

Rubisco bevorzugt 12CO2 alsSubstrat12C

12C

10.06.2016

25

Wenn Stomata geschlossen, danninkorporiert Rubisco mehr 13CO2

See Farquhar, G. D., Ehleringer, J.R., and Hubick, K.T. (1989). Carbon isotope discrimination and photosynthesis. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 40: 503 – 537.

Stomata offen: [CO2]innen hoch, 12CO2 wird assimiliert

Stomata geschlossen: [CO2]innen gering, Mehr 13CO2 wird assimiliert

Rubisco Rubisco

Die Isotopendifferenz (δ 13C) spiegeltstomatäreLeitfähigkeit wieder12C

12C

12C

12C

12C

12C

12C

12C

13C

12C

13C

Isotopen-Diskriminierung lässt in C3 Pflanzenauf Wassernutzungseffizienz schliessen

Adapted from Farquhar, G. D., Ehleringer, J.R., and Hubick, K.T. (1989). Carbon isotope discrimination and photosynthesis. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 40: 503 – 537.

Dis

crim

inat

ion

%

[CO2] inside / [CO2] atmospheric

10

20

30

00.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Das Verhältnis [CO2]i / [CO2]a sinktbei geschlossenen Stomata, relative Abundanz von 13CO2 wirderhöht und die Isotopen-Diskriminierung erniedrigt

In C4 Pflanzen gibt es keineIsotopen-Diskriminierung, da PEPCase (CO2-fixierendes Enzym in C4 Pflanzen) nichtzwischen Isotopen diskriminiert13CO2 diffundiert

schlechter durchStomata, daher ist 4.4% der Isotopen-Diskriminierung nicht-enzymatisch

C3

C4

10.06.2016

26



• Wassermangel


• Xerophyten




PEP, Phosphoenolpyruvat

CAM, crassulacean acid metabolism

C4 - und CAM-PhotosyntheseCO2-Vorfixierung durch das Bicarbonat-bindende Enzym PEP-Carboxylase

Abbildung aus Campbell, Biologie, Spektrum Verlag

diurnaler Wechsel!

CO2-Vorfixierung: räumlich ----- bzw. ----- zeitlich getrennt!

10.06.2016

27

Die PEPCase-Reaktion

Zentral ist die initiale Bindung von CO2 an Phosphoenolpyruvat (PEP) durch das Enzym PEP‐Carboxylase = PEPCase.

Primäre Produkte sind C4‐Carbonsäuren (wie Oxalacetat oder Malat).

Im Gegensatz zu RubisCO verwendet PEPCase Bicarbonat (HCO3‐) und NICHT gasförmiges

CO2 (dadurch entfällt die Konkurrenz mit O2)

Der PEPCase‐Reaktion ist die der Carboanhydrase vorgeschaltet (zur Bildung von Bicarbonat, vgl. CO2‐Transport im Blut!).

CO2 + OH‐ HCO3

‐ + PEP OAA + Pi

Carboanhydrase PEPCase

CAM-Photosynthese

Nacht: Vorfixierung von CO2 (PEPCase) und Speichern von Malat in der ZentralvakuoleTag: Mobilisierung und Decarboxylierung von Malat zur CO2-Fixierung (Calvin Zyklus)

Abb. Aus Buchanan et al., Biochem. & Mol. Biol. of Plants

Diurnaler Säure-Zyklus

Vorwiegend bei sukkulenten Pflanzen an ariden Standorten (z.B. in Wüsten, mit kühlen Nächten und heißen Tagen).

Die Spaltöffnungen werden nachts geöffnet und bleiben tags geschlossen.

1. PEP‐Carboxylase2. Malat‐Dehydrogenase (NAD)3. Malat‐Enzym (NADP)

10.06.2016

28

Entdeckung desCrassulacean Acid Metabolism (CAM)

• De Saussure (1804): gleichzeitige Aufnahme von O2und CO2 in der Nacht in Kakteen

• Nächtliche Ansäuerung vom Blattgewebe in sukkulentenPflanzen (1813)

• “Inverser Rhythmus” der Stomata-Öffnung(geschlossen am Tag, offen in der Nacht)

• 1948: CO2 wird nachts in Malat fixiert und gespeichert;

am Tag wird Malat decarboxyliert und CO2 freigesetzt

• Kohlenhydratspiegel ist invers zu organischen Säuren(1875)

Crassulacean acid metabolism (CAM)

1.

2.

3.

10.06.2016

29

Energiebilanz des CAM Zyklus

Energiebedarf über 24 Stunden:

0.5 ATP pro Malat im Dunkeln + 3.5 ATP pro Malat im Licht

= 4 ATP pro CO2 fixiert zusätzlich zu Calvin Zyklus

Terrestrische CAM Pflanzen

Kaktus in der Sonoran Desert, south‐western USA

(Mammillaria sp.)

10.06.2016

30

Ferocactus acanthodes

Opuntia bigelovii

Sonoran Desert Kaktus

Euphorbien in der Paläotropis (‘Alte Welt’)

Euphorbia candelabra

10.06.2016

31

Viele CAM‐Pflanzen sind tropische Epiphyten (z.B. Bromelien)

10.06.2016

32

Progressives Umschalten von C3

Photosynthese (CO2 Aufnahme

nur am Tag) zu CAM (~50 % der

CO2 Aufnahme in der Nacht) mit

zunehmender Salzkonzentration

(oder Wasserstress)

Mesembryanthemum crystallinum

(Eispflanze)

Kommerziell genutzte CAM-Pflanzen: (1) Sisal (Agave sisalensis)

10.06.2016

33

Kommerziell genutzte CAM-Pflanzen: (2) Ananas comosus

Zusammenfassung: Was macht eine CAM-Pflanze aus?

CAM ist ein Einzelzellen Phänomen:PEPC, Malattransporter, Decarboxylase (ME or PEPCK)

Strikte Tag-Nacht Regulation der Enzymaktivitäten und der Transporter:

Nacht: PEPC, Malat AkkumulationTag: Malat Freisetzung, Decarboxylierung, Rubisco

Circadianer Rhythmus des Kohlenstoffmetabolismus und dazu‘inverses’ Muster der Stomataöffnung (nachts)

Große Speciherkapazität der Zellen – Sukkulenz

CAM ist mehrfach in der Evolution entstanden; in verschiedenstenPflanzenfamilien

10.06.2016

34

C4 Pflanzen sind die produktivsten Pflanzen der Erde

Zuckerrohr in Queensland, Australia

C4 Halophyten (Atriplex) im Death Valley, Nevada, USA

10.06.2016

35

Entdeckung der C4 Photosynthese

• Erste Produkt nach 14CO2 Gabe sind markierteC4 Moleküle (Malat oder Aspartat) und nicht C3 Moleküle

• 14C label wird danach schnell in C3-Körper (Triose-P) eingebaut

• Entdeckt in 1960s von:Hatch and Slack (Australia) – ZuckerrohrKortschak, Hartt and Burr (Hawaii) – ZuckerrohrKarpilov (Russia) – Mais

Charakteristika von C4 Pflanzen

• ~ 7500 Spezies (approx. 3 % aller Blütenpflanzen)

• Physiologische Eigenschaften:(a) hohe Photosyntheseraten und Wachstum

(b) bessere Wassernutzungseffizienz als C3 Pflanzen

• Zwei ökologische Hauptgruppen:(a) tropische und subtropische Gräser und Seggen

(b) sehr Stress-tolerante Pflanzen, z.B. Halophyten

10.06.2016

36

Der C4-Stoffwechsel geht mit einer bestimmten Blattmorphologie einher, der KRANZ-ANATOMIE von Mesophyll- und Leitbündelscheiden

LR

KR

LR, LichtreaktionenKR, Kohlenstoffreaktionen

TP, Assim. Transport

Rubisco

Kohlenstofffluss im C4 Stoffwechsel

A = Carboxylierung in Mesophyllzellen

B = Decarboxylierung in Bündelscheidenzellen

CO2 ≈ 150 ppm CO2 ≈ 2000 ppm

A “CO2-konzentrierender Mechanismus”

10.06.2016

37

1. CO2-Vorfixierung in Mesophyllzellen durch PEPCase (bindet Bicarbonat)

2. Reduktion von Oxalacetat zu Malat durch Malat-Dehydrogenase (hier: NADP-abhängig)

3. Transport von Malat (via Plasmodesmata) in die Bündelscheidenzellen

4. CO2-Freisetzung aus Malat durch Malat-Enzym (indirekter Transport von Reduktionskraft)

5. CO2-Fixierung im Calvin-Zyklus durch RubisCO (nur in Chlpl. der Bündelscheidenzellen)

6. Rücktransport von Pyruvat (via Plasmodesmata) in die Mesophyllzellen

7. Regeneration von PEP durch Pyruvat-Pi-Di-Kinase (PPDK)

verbraucht mehr Energie, da aus ATP nicht ADP+Pi sondern AMP+PPi enstehen!

C4-Stoffwechsel

12

7

3

4

56

Mesophyll-Zelle Leitbündel-Zelle

CO2CO2

Atemhöhle Leitbündel

sugar

Mesophyll-Zelle Leitbündel-Zelle

Konsequenzen hohe CO2-Fixierungsraten! Durch die CO2-Anreicherung wird O2 von der

RubisCO verdrängt Unterdrückung der Photorespiration

Aber: hoher Energiebedarf! (Regeneration von PEP kostet ATP)

Die exergone Spaltung von PPi in Pi (Pyrophoshatase) treibt den Zyklus an

12

7

3

4

56

CO2 CO2

2 Pi

C4-Stoffwechsel

10.06.2016

38

Drei Haupttypenvon C4 Pflanzen 1. NADP-Malatenzym

(Chloroplast)

2. NAD-Malatenzym

(Mitochondriun)

3. PEP Carboxykinase

(Cytosol)

Note:Zusätzliche Energiekosten im C4 Zyklus

(drei verschiedene decarboxylierendeEnzyme):

Eigenschaften der PEP Carboxylase (PEPC)

• Hohe spezifische Aktivität in C4 Pflanzen

• Nicht O2 inhibiert

• Km für CO2 (2 to 6 μM) ist niedriger als der für

Rubisco in C3 Pflanzen (12 to 25 μM)

• Wird durch reversible Phosphorylierung reguliert(Aktiv im Licht, inaktiv im Dunkeln)

10.06.2016

39

Vergleich von C4 and C3 Isoformen der PEP Carboxylase

Im phosphorylierten Zustand hat C4 Isoform:

(a) geringere Affinität für PEP, aber höhere Affinität für HCO3–

(b) geringere Sensitivität der Inhibition durch Malat, und höhere Sensitivität beider Aktivierung durch G6P und Glycin

Westhoff, P. and Gowik, U. (2004) Ann. Bot. 93, 13-23.

Die Leitbündelscheiden sind von einer Gas-undurchlässigen Schicht umgeben, die eine Rückdiffusion des angereicherten CO2 verhindert

gasdicht durch Suberin-

Einlagerung(„Verkorkung“)

Leitbündelscheide

Rubisco

10.06.2016

40

Mesophyll- und Bündelscheidenzellen sind „symplastisch“ verbunden

(via Plasmodesmata)

Die trennende Zellwand (der Apoplast) ist durch Kork-ähnliche Substanzen abgedichtet und verhindert so eine

Rückdiffusion von CO2

Mesophyll-Zelle

Bündelscheiden-Zelle

Chloroplasten-Dimorphismus in C4 PflanzenWährend die Mesophyllzellen „reguläre“ Chloroplasten enthalten, bilden Chloroplasten der Bündelscheidenzellen keine Grana-Stapel aus (enthalten aber dafür viel Stärke!)

Bündelscheiden-Zellen enthalten wenig PSII und betreiben vorwiegend zyklischen e-Transport (d.h. ATP-Synthese via PSI, NADPH indirekt via Malat shuttle)

Zusammenfassung: Was macht eine C4 Pflanze aus?

Zell-spezifische Expression von Schlüsselenzymen

Mesophyllzellen: PEPC, NADP-MDH

Bündelscheidenzellen: Rubisco, C4 Decarboxylase (ME oder PEPCK)

Zell-spezifische Metabolittransporter in den Organellen

Symplastische Verbindung zwischen Mesophyll- und Bündelscheidenzellen

Barriere für CO2 Diffusion zwischen Zelltypen

10.06.2016

41

Zusammenfassung C4 Photosynthese

• CO2 wird zuerst in C4-Körper fixiert

• CO2-konzentrierender Mechanismus in Bündelscheidezellen

• Vorteile: C4 Photosynthese eliminiertPhotorespiration, hat höhere Wasser- und Stickstoffnutzungseffizienz, und erlaubtWachstum bei höheren Temperaturen

• Nachteile: Höhere Energiekosten und intrinsische Kältesensitivität

Photosynthese an den Leitbündeln in C3 und C4 plants

Hibberd & Quick (2002)

– Vorläufer der C4 Photosynthese?

10.06.2016

42

Herkunft der C4 and CAM Photosynthese

• C4 und CAM sind Hilfsstoffwechselwege, welche die Effizienz der CO2 Fixierung durch den Calvin Zykluserhöhen

• Alle Enzyme, Transporter, etc. dieser Stoffwechselwegesind auch in C3 Pflanzen vorhanden. Ihre Expression istjedoch in C4 und CAM Pflanzen räumlich, oder zeitlichgetrennt reguliert

• C4 und CAM Photosynthese sind mehrfach unabhängigevolviert (> 30 Mal). Dies ist ein Beleg für ihreSignifikanz zur Optimierung der Photosynthese- und Wassernutzungeffizienz in heißen oder trockenenGebieten.

Intrazelluläre CO2-Reassimilation in C3-Pflanzen

Die Rolle von Stromuli (stroma-filled tubes)

C3-Pflanzen können Stomuli ausbilden, wenn siewärmeren Temperaturen ausgesetzt sind (Holzinger et al. 2007).

Dies stützt die Hypothese, dass diese Verbindungenzwischen benachbarten Chloroplasten als CO2-Barriere/Falle wirken (Sage & Sage 2009).

Entsprechend wurden die höchsten CO2-Re-fixierungsraten in Arten gemessen, die Stromuliausbilden können (hier: Weizen und Reis).

Die Ausbildung von Stromuli stellt damit eineplastische Antwort auf äußere Bedingungen dar, die in C3-Pflanzen Photorespiration begünstigen.

CO2-Refixierungsrate: gesteigert um ca. 30%Photosynthese-Leistung: gesteigert um ca. 10%

Figure 4. Transmission electron micrographs of transverse sections of wheat (Triticum aestivum, a–b) and rice (Oryza sativa, c–d). Stromules, indicated by fat black arrows, were only found in wheat and rice – filling the gaps between chloroplast (C) to the intercellular air space (IAS). This cellular arrangement provides an additional resistance for CO2 evolved from the mitochondria diffusing into the IAS. Peroxisomes (p) and mitochondria (m) are located on the interior of the cell; (n) nucleus. Bars = 2 mm.

Aus: Busch et al. (2013) C3 plants enhance rates of photosynthesis by reassimilating photorespired and respired CO2.Plant, Cell & Environment 36, 200–212.

(a)

(b)

Weizen Reis(c)

(d)

CO2

10.06.2016

43

CO2 Aufnahmeraten von C3 und C4 Pflanzen

Derzeit

CO2

Zukunft?

Verminderung des ökologischen Vorteils

von C4 und CAM Photosynthese ?

C4-Photosynthese Hohe CO2-Fixierungsraten bei erhöhtem Energiebedarf. Hohe Produktivität in warmen, trockenen und sonnenreichen Habitaten!

C4-Photosynthese Hohe CO2-Fixierungsraten bei erhöhtem Energiebedarf. Hohe Produktivität in warmen, trockenen und sonnenreichen Habitaten!

CAM-Photosynthese (Anpassung an extrem heiße und trockene Klimazonen)Kaum Wasserverlust am Tag (hohe Temperatur, Stomata geschlossen). CO2-Fixierung erfolgt nachts (niedrige Temperatur, Stomata geöffnet). Geringe Produktivität, aber Überleben an extremen Standorten möglich!

CAM-Photosynthese (Anpassung an extrem heiße und trockene Klimazonen)Kaum Wasserverlust am Tag (hohe Temperatur, Stomata geschlossen). CO2-Fixierung erfolgt nachts (niedrige Temperatur, Stomata geöffnet). Geringe Produktivität, aber Überleben an extremen Standorten möglich!

C3-, C4- und CAM-Photosynthese Anpassung an verschiedene Klimazonen

C3-, C4- und CAM-Photosynthese Anpassung an verschiedene Klimazonen

C3-Photosynthese Energetisch günstig – bei optimaler CO2-Versorgung und moderater Temp. Hohe Produktivität in moderaten, wasserreichen Habitaten!

C3-Photosynthese Energetisch günstig – bei optimaler CO2-Versorgung und moderater Temp. Hohe Produktivität in moderaten, wasserreichen Habitaten!

10.06.2016

44



• Wassermangel


• Xerophyten




Züchtung von trockentolerantenPflanzen

Lopes, M.S., Araus, J.L., van Heerden, P.D.R., and Foyer, C.H. (2011). Enhancing drought tolerance in C4 crops. J. Exp. Bot. 62: 3135 – 3153 by permission of Society of Experimental Biology

Reverse Genetics: Identifiziert Gene, die für

Trockentoleranzverantwortlich sind und verändert Expression in

Pflanzen

Forward Genetics: Klassische Züchtung

anhand des Phänotypen

Zwei verschiedeneMais-Kreuzungsvariantenzeigen eineunterschiedlicheToleranz gegenüberWasserdefizit

10.06.2016

45

Züchtung von trockentolerantenMaispflanzen durch klassische

Züchtung

GenetischeDiversität der

modernen Kultivare

Genetische Diversitätder originalenWildpopulation

Viele ursprünglicheMerkmale sind in den modernenMaisvarietäten nichtmehr vorhanden. Diese können aberin Samenbankengefunden werden.

Lopes, M.S., Araus, J.L., van Heerden, P.D.R., and Foyer, C.H. (2011). Enhancing drought tolerance in C4 crops. J. Exp. Bot. 62: 3135 – 3153 by permission of Society of Experimental Biology

Züchtung von trockentolerantenMaispflanzen: Kandidatengene

See Deikman, J., Petracek, M., and Heard, J.E. (2013). Drought tolerance through biotechnology: improving translation from the laboratory to farmers’ field. Curr. Opin. Biotech. 23: 243 – 250; Lawlor, D.W. (2013). Genetic engineering to improve plant performance under drought: physiological evaluation of achievements, limitations, and possibilities. J. Exp. Bot. 64: 83-108. Yang, S., Vanderbeld, B., Wan, J. and Huang, Y. (2010). Narrowing down the targets: Towards successful genetic engineering of drought-tolerant crops. Mol. Plant. 3: 469-490; Chen, M.-X., Lung, S.-C., Du, Z.-Y. and Chye, M.-L. (2014). Engineering plants to tolerate abiotic stresses. Biocat. Agric. Biotech. 3: 81 – 87.

Transportproteine (z.B., Na+ / K+ Antiporter Vakuole, Aquaporine)

Transkriptions-faktoren

Osmolyte (Mannitol, Prolin, Glycin-Betainetc.)

Schutzproteine (LEA, Chaperone, Dehydrine)

Signalmoleküle, Hormonantwort

Hunderte von verschiedenenKandidatengenenwerden auf Trockentoleranzgetestet

10.06.2016

46

Einige Gene zeigenvielversprechende Erfolge

Nelson, D.E., et al., and Heard, J.E. (2007). Plant nuclear factor Y (NF-Y) B subunits confer drought tolerance and lead to improved corn yields on water-limited acres. Proc. Natl. Acad. Sci. 104: 16450-16455 copyright National Academy of Sciences. Qin, H., et al., and Zhang, H. (2011). Regulated expression of an isopentenyltransferase gene (IPT) in peanut significantly improves drought tolerance and increases yield under field conditions. Plant Cell Physiol. 52: 1904-1914 with permission of the Japanese Society of Plant Physiologists; Gaxiola, R.A., Li, J., Undurraga, S., Dang, L.M., Allen, G.J., Alper, S.L. and Fink, G.R. (2001). Drought- and salt-tolerant plants result from overexpression of the AVP1 H+-pump. Proc. Natl. Acad. Sci. 98: 11444-11449.

H+

H+

2 x Pyrophosphat

H+-PPase

DieH+- Pyrophosphatase

(H+-PPase) hydrolysiertPyrophosphat um Proteonen

in die Vakuole zu pumpen

Membrantransporter und Pumpen

Transkriptionsfaktoren

Hormon-synthese und

Antwort

und viele mehr….

Unterschiedliche “Trockentoleranz” Merkmalehaben unterschiedliche Konsequenzen

Adapted from Tardieu, F. (2012). Any trait or trait-related allele can confer drought tolerance: just design the right drought scenario. J. Exp. Bot. 63: 25-31; Photo credits: Michael Thompson.

GroßesWurzelsystem

ZelluläreSchutzmechanismen

VerringerteStomataöffnung /

Blattfläche

VerringerteTranspiration

Verhindert Zelltod beistarker Trockenheit

Hauptbiomasse in der Wurzel und nicht imSproß

VerringertePhotosynthese und BiomasseAkkumulation

VerringerteWachstumsrate, Energiewird fürSchutzmechanismenbenötigt

Erhöhte Wasseraufnahme

Drawbacks

FrüheReproduktion

Vermeidet Wasserdefizit

KurzeWachstumsperiode, verringerteBiomasse

Vorteile

10.06.2016

47

Osakabe, Y., Osakabe, K., Shinozaki, K. and Tran, L.-S.P. (2014). Response of plants to water stress. Frontiers in Plant Science. 5: 86. R.L. Croissant, Bugwood.org

Pflanzliche Modellsysteme erlauben es unszelluläre Mechanismen aufzuklären, die gegenTrockenheit zu schützen. Diese Erkenntnissekönnen in Zukunft helfen, um trockentoleranteAgrarpflanzen zu erzeugen.

Vom Modellsystem zur Nutzpflanze

abiotischer stress 2 - uni-muenster.de mangle rote mangrove ... t= thylakoids, v= vacuole, l=lipid...

Documents