Sodium and calcium uptake, transport and allocation in Populus euphratica and Populus x canescens in response to salinity

Abstract

Die durch steigende Konzentration an NaCl hervorgerufene Versalzung von Böden ist ein Hauptproblem für die heutige Landwirtschaft. Populus euphratica hat die Eigenschaft, auf salzhaltigen Böden zu wachsen und wird aus diesem Grund zur Aufforstung in salinen Gebieten genutzt. Aufgrund dieser Eigenschaft besteht ein großes Interesse daran, die pflanzlichen Mechanismen und Strategien im Umgang mit hohen externen Salzkonzentrationen zu erforschen. Das Hauptziel dieser Arbeit war die Aufnahme, den Transport und die Verteilung von Natrium (Na+) in P. euphratica und Populus x canescens einer salzsensitiven Art zu analysieren. Ein weiteres Ziel war die Frage, ob eine Rezirkulation von Na+ in Pappeln statt findet. Weil die Aufrechterhaltung des Transportes von Calcium (Ca2+) unter Salzstress als entscheidend für die NaCl Toleranz von Pflanzen angesehen wird, wurde im Rahmen dieser Arbeit ebenso die Aufnahme und Verteilung von Ca2+ in Pappeln untersucht. Der Einfluss von Salz auf das Verhalten der NaCl toleranten P. euphratica und der NaCl sensitiven P. x canescens wurde gemessen. Beide Pappelarten wurden mit bis zu 150 mM NaCl behandelt und verschiedene Wachstumsparameter wurden bestimmt. P. x canescens starben bei Salzkonzentrationen von 150 mM NaCl, wohingegen bei P. euphratica eine Reduzierung des Wachstums, aber keine signifikanten Blattverletzungen gezeigt werden konnten. Elementanalysen von alten und jungen Blättern ergaben keine signifikanten Unterschiede an alten Blättern von P. x canescens und P. euphratica, aber eine höhere Na+ Akkumulierung in jungen Blättern von P. x canescens, im Vergleich zu neuen Blättern von P. euphratica. Dies zeigt, dass P. euphratica seine jungen Blätter vor hohen Na+ Konzentrationen schützen kann. Eine längere Exposition von P. euphratica mit NaCl Konzentrationen, die zum Tode von P. x canescens geführt haben, führten zu morphologischen Adaptationen: eine Vergrößerung des Wurzeldurchmessers von P. euphratica Wurzeln. Diese Vergrößerung wurde hervorgerufen durch eine erhöhte Anzahl an Zellschichten im Cortex, aber nicht durch eine Zunahme des Zellvolumens. Weil Ca2+ Mangel und Cl- Ionen als Grund für die Wurzelverdickung ausgeschlossen werden konnten und P. x canescens keine Vergrößerung des Wurzeldurchmessers unter dem Einfluss von NaCl zeigte, wurde gefolgert, dass diese kolbenartige Wurzelverdickung eine Na+ Ionen und Art-spezifische Adaptation in P. euphratica Wurzeln ist. Um die Funktion der Wurzelverdickungen bei P. euphratica zu untersuchen, wurde das Einströmen von Na+ in Wurzelspitzen von adaptierten und nicht adaptierten P. euphratica durch radioaktive Markierung gemessen. Eine Abnahme des Na+ Einstroms im Verhältnis zum Frischgewicht wurde in Wurzeln von adaptierten Pflanzen gemessen. Dies zeigt, dass die Wurzelverdickungen die Akkumulation von Na+ in P. euphratica senken. Da diese Adaptation die Aufnahme von Na+ in P. euphratica senken, wurde ihre Funktion für die Salztoleranz getestet. P. euphratica wurden an hohe Konzentrationen von Na+ adaptiert und anschließend in Na+ freie Nährlösung überführt, um überschüssiges Natrium zu beseitigen. Anschließend wurden die Pflanzen Salzschockbedingungen ausgesetzt. Messungen der Aufnahme von radioaktiv markierten Na+ während des Salzschocks zeigten eine erhöhte Aufnahme von Na+ in nicht adaptierte Pflanzen verglichen mit zuvor adaptierten Pflanzen. Chlorophyllfluoreszensmessungen und das Verhalten der Pflanzen zeigten eine erhöhte Salztoleranz in den vorbehandelten Pflanzen. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass die Wurzelverdickung in P. euphratica zur Erhöhung der Salztoleranz beitragen. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Salzsensitivität wurden P. x canescens und P. euphratica Pflanzen unterschiedlichen maximalen NaCl Konzentrationen ausgesetzt, denen sie jeweils über einen längeren Zeitraum widerstehen konnten. Für beide Pappelarten wurde ein „Split-root“ Experiment durchgeführt, um die Aufnahme, die Abgabe und die Xylemtransportrate von Na+ zu bestimmen. Radioaktives 22Na+ wurde an einen Wurzelteil gegeben und die Translokation von Na+ in den anderen Wurzelteil gemessen. Die Aufnahme von 22Na+ war 3-fach höher in P. x canescens im vergleich zu P. euphratica, obwohl die NaCl Konzentration 2-fach höher für P. euphratica verglichen mit P. x canescens war. Die höhere Aufnahme von 22Na+ resultierte in einen 2-fach erhöhten Xylemtransport von 22Na+ pro Holzfläche in P. x canescens verglichen mit P. euphratica. Des Weiteren unterscheiden sich beide Pappeln in ihrer Strategie der Rückhaltung und Abgabe von Na+. Die Verteilung von Na+, die durch Autoradiographie von 22Na+ analysiert wurde, offenbarte dass Na+ in den Wurzeln von P. euphratica zurückgehalten wird. Im Gegensatz dazu wurde in P. x canescens radioaktiv markiertes 22Na+ nur in einem kleinen Bereich der Grobwurzeln nachgewiesen. Der Hauptteil des aufgenommenen 22Na+ in P. x canescens wurde über den nicht markierten Wurzelteil abgegeben, was eine Rezirkulation von Na+ andeutet. Diese Ergebnisse zeigen eine erhöhte Akkumulation und ein verstärktes binden von Na+ in Wurzeln von P. euphratica. Dies deutet an, dass die Wurzeln als Speichergewebe für Na+ fungieren könnten. Ein Blattanfütterungsexperiment mit radioaktiv markierten 22Na+ wurde durchgeführt um den Phloemtransport von Na+ zu untersuchen. Dabei wurde in beiden Pappelarten eine Rezirkulation von Na+ über das Phloem gezeigt, da 22Na+ sowohl im Spross als auch im Phloemsaft unterhalb des markierten Blattes nachgewiesen wurde. Die Phloemtransportrate von Na+ pro Rindenfläche war 3-fach höher in P. euphratica verglichen mit P. x canescens. Ein Rückgang der Phloemtransportrate von Na+ unter Salz in P. x canescens wurde ebenso gemessen wie sinkende Transkriptionslevel von HKT1;1 in Rindengewebe von P. x canescens. Dies deutet einen Einfluss von HKT1;1 auf den Phloemtransport von Na+ im Rindengewebe von Pappeln an. Die Aufrechterhaltung des Transportes von Ca2+ in den Spross ist entscheidend für Pflanzen unter Salz. Aus diesem Grund wurde die Aufnahme und Verteilung von Ca2+ in beiden Pappelarten untersucht. Autoradiogramme von beiden Pappelarten zeigten die Verteilung von radioaktivem 45Ca2+. Weder P. x canescens noch P. euphratica transportierten vorher aufgenommenes 45Ca2+ in neue Blätter, die nach Behandlung der Pflanzen mit Salz gebildet wurden. Eine verringerte Aufnahme von 45Ca2+ wurde an Pflanzen gemessen, die NaCl ausgesetzt waren. Jedoch wurde dieses 45Ca2+ vorzugsweise in neuen P. euphratica Blättern verteilt. Dies zeigt an, dass P. euphratica das Verteilungsmuster von 45Ca2+ an die Salzbehandlung adaptiert hat, um die Versorgung von sich entwickelnden Organen mit Ca2+ aufrecht zu erhalten. Die vorliegende Studie zeigt mehrere Unterschiede in der Aufnahme und Verteilung von Na+ zwischen P. euphratica und P. x canescens unter Salz. Es wurde dargestellt, dass P. euphratica eine größere Menge an Na+ ausschließen kann und eine geringere Na+ Xylemtransportrate verglichen mit P. x canescens hat. Dies zeigt, dass die Xylembeladung von Na+ ein Hauptpunkt für den Transport von Na+ in Pappeln ist. Um die molekulare Basis dieser Unterschiede aufzuklären, werden weitere Experimente bezüglich der Xylembeladung von Na+, einen Hauptgrund für die unterschiedliche Salztoleranz der beiden Pappelarten, benötigt.