Aminosäuretransport in Raps unter besonderer Berücksichtigung des Entwicklungsstadiums der Pflanze und der Stickstoffdüngung
Amino acid transport in oilseed rape in view of the developmental stage of the plant and nitrogen fertilization
by Jens Tilsner
Date of Examination:2003-11-06
Date of issue:2003-11-18
Advisor:PD Dr. Gertru Lohaus
Referee:PD Dr. Gertru Lohaus
Referee:Prof. Dr. Hans-Walter Heldt
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Description:Dissertation
Abstract
English
Oilseed rape (Brassica napus L.) is the most important oil crop plant in Europe. Despite a very efficient uptake of nitrogen (N) from the soil, oilseed rape has a low nitrogen use efficiency and needs substantial fertilizer applications. The plant sheds its leaves early during flowering. In this Ph.D thesis the question was addressed whether inefficient remobilization of amino-N from senescing leaves is a cause of the inefficient nitrogen use. The main transport form of reduced N in plants are amino acids. They are translocated from source organs to sink organs via the phloem. This necessitates an active uptake of amino acids into the sieve elements and companion cells of the phloem. Several classes of transport proteins functioning as secondary active amino acid-proton-symporters have been identified from Arabidopsis and other plant species. The amino acid permeases (AAPs) have a very broad substrate specificity and probably are responsible for phloem loading of all neutral and acidic amino acids. Two AAP cDNAs were cloned from oilseed rape and called BnAAP1 and BnAAP6 with reference to their closest Arabidopsis homologues. The functionality of the transporters was demonstrated by heterologous expression in Xenopus oocytes. It turned out that BnAAP1 and BnAAP6 both are able to transport amino acids even in the low substrate concentrations which are usually found in the apoplast. In their substrate specificities and organ-specific expression profiles the transporters mostly resembled their Arabidopsis counterparts. In senescing leaves, no decrease in the expression of BnAAP1 or BnAAP6 on the mRNA level was observed. On the contrary, BnAAP1 expression even increased with leaf age. Nonaqeous fractionation of oilseed rape leaves showed amino acid concentrations in all subcellular compartments to be rather high. Excess amino acids were stored mainly in the vacuole. Although amino acid concentrations decreased with leaf age in all compartments, senescing leaves still contained amounts of amino-N similar to mature source leaves in other species. Together with the high amino acid concentrations in oilseed rape phloem sap which had previously been reported, these data indicate that amino-N remobilization from the leaves is highly efficient and the reasons for the low nitrogen use efficiency must lie elsewhere. However, a comparative analysis of nitrogen metabolism in 45 double haploid lines deriving from a single crossing showed a high variability, indicative of a genetic determination of nitrogen use efficiency. As a possible way to genetically improve nitrogen use efficiency in oilseed rape, delay of leaf senescence past the induction of flowering is suggested.
Keywords: oilseed rape; amino acid; nitrogen efficiency; nonaqueous fractionation
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Raps (Brassica napus L.) ist die wichtigste
ölliefernde Kulturpflanze in Europa. Obwohl Raps sehr
effizient Stickstoff aus dem Boden aufnimmt, weist er
eine niedrige Stickstoffeffizienz auf und benötigt hohe
Düngergaben. Die Pflanze wirft ihre Blätter frühzeitig
während der Blüte ab. In der vorliegenden
Promotionsarbeit sollte geklärt werden, ob ein
ineffizienter Abtransport von Amino-Stickstoff aus den
seneszierenden Blättern zur ineffektiven
Stickstoffnutzung beiträgt. Die hauptsächliche
Transportform von organisch gebundenem Stickstoff
stellen in Pflanzen Aminosäuren dar. Sie werden über
das Phloem von Überschußorganen (Sources) zu
Bedarfsorganen (Sinks) transportiert. Dazu ist eine
aktive Aufnahme der Aminosäuren in die Siebelemente und
Geleitzellen des Phloems notwendig. Aus Arabidopsis und
anderen Pflanzen wurden verschiedene Transportproteine
identifiziert, die als Protonen-Symporter einen
sekundär aktiven Transport von Aminosäuren über die
Plasmamembran katalysieren.Die Amino Acid Permeasen (AAPs) weisen eine sehr
breite Substratspezifität auf und sind wahrscheinlich
für die Beladung des Phloems mit allen neutralen und
sauren Aminosäuren verantwortlich. Zwei AAP-cDNAs, nach
den nächstverwandten Arabidopsis-Transportern als
BnAAP1 und BnAAP6 bezeichnet, wurden aus Raps kloniert.
Ihre Funktionalität konnte durch heterologe Expression
in Xenopus Oozyten gezeigt werden. Dabei zeigte sich,
daß BnAAP1 und BnAAP6 Aminosäuren auch in den niedrigen
Substratkonzentrationen transportieren, die im
Apoplasten auftreten. In ihrer Substratspezifität und
dem organspezifischen Expressionsmuster in der Pflanze
entsprachen die Transporter weitgehend den
entsprechenden Arabidopsis-Proteinen. In seneszierenden
Blättern zeigte sich keine Reduktion der Expression von
BnAAP1 und BnAAP6 auf mRNA-Ebene, BnAAP1 wurde im
Gegenteil sogar mit zunehmendem Blattalter noch
induziert. Nichtwässrige Fraktionierung von
Rapsblättern ergab, daß die Aminosäurekonzentrationen
in allen subzellulären Kompartimenten sehr hoch
sind.Überschüssige Aminosäuren werden vorwiegend in der
Vakuole gespeichert. Obwohl die
Aminosäurekonzentrationen in allen Kompartimenten mit
dem Blattalter abnahm, enthielten auch seneszierende
Blätter noch Mengen an Aminostickstoff, die den reifen
Source-Blättern anderer Pflanzen vergleichbar waren.
Zusammen mit aus vorhergehenden Untersuchungen
bekannten hohen Aminosäurekonzentrationen im Phloemsaft
von Raps machen diese Daten es sehr wahrscheinlich, daß
der Abtransport von Aminosticktsoff aus den Blättern
ausgesprochen effizient verläuft und die Ursachen der
niedrigen Stickstoffeffizienz anderswo zu suchen sind.
Dennoch zeigte eine vergleichende Untersuchung des
Stickstoffmetabolismus von 45 aus einer einzelnen
Kreuzung hervorgegangenen doppelt haploiden Rapslinien
eine breite Variabilität, die auf eine genetische
Determination der Stickstoffeffizienz hindeutet. Als
möglicher Weg einer gentechnischen Verbesserung der
Stickstoffnutzung wird eine Verzögerung der
Blattseneszenz über den Blühbeginn hinaus
vorgeschlagen.
Schlagwörter: Raps; Aminosäure; Stickstoffeffizienz; nichtwässrige Fraktionierung