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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
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Abiotische Stressfaktoren
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CO2 Konzentration und Lichtintensität
Umweltstressfaktoren bestimmen die geographische Ausbreitung von Pflanzenspezies
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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.
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10
Wasserpotential Blatt (bar)
Schon milder Wasserstresswirkt sich auf das Wachstum
aus
Für jeden Umweltfaktor gibt es ein Spezies-abhängiges Optimum und
Minimum
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Das physikalische Stresskonzept von Levitt(1980)
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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
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Das physikalische Stresskonzept von Levitt (1980)
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Strategien zur Vermeidung von Stress: Drei Typen der Stressresistenz
Vermeidung des Stress
Vermeidung der Belastung
Stresstoleranz
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Beispiel für die Vermeidung von Stress
Frosttoleranz von Laubbäumen: Abwerfen der Blätter
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Das biologische Stresskonzept
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Ablauf molekularer Prozesse nach Einsetzen von Stress in den einzelnen Phasen des biologischen Stresskonzepts
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Abiotischer Stress II
• Abiotische Stressfaktoren & Biologisches Stresskonzept
• Wassermangel
• Austrocknungstoleranz
• Xerophyten
• Wassermangel und Photosynthese
• C4- & CAM-Photosynthese
• Optimierung der Trockentoleranz
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
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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
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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
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Wassermangel: Definitionen und Konzepte
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
Wassermangel: Definitionen und Konzepte
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
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Wassermangel: Definitionen und Konzepte
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
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© 2014 American Society of Plant Biologists
Abiotischer Stress II
• Abiotische Stressfaktoren & Biologisches Stresskonzept
• Wassermangel
• Austrocknungstoleranz
• Xerophyten
• Wassermangel und Photosynthese
• C4- & CAM-Photosynthese
• Optimierung der Trockentoleranz
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
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• 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
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Was
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
Abiotischer Stress II
• Abiotische Stressfaktoren & Biologisches Stresskonzept
• Wassermangel
• Austrocknungstoleranz
• Xerophyten
• Wassermangel und Photosynthese
• C4- & CAM-Photosynthese
• Optimierung der Trockentoleranz
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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"
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Abiotischer Stress II
• Abiotische Stressfaktoren & Biologisches Stresskonzept
• Wassermangel
• Austrocknungstoleranz
• Xerophyten
• Wassermangel und Photosynthese
• C4- & CAM-Photosynthese
• Optimierung der Trockentoleranz
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.
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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).
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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
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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
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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
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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
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Abiotischer Stress II
• Abiotische Stressfaktoren & Biologisches Stresskonzept
• Wassermangel
• Austrocknungstoleranz
• Xerophyten
• Wassermangel und Photosynthese
• C4- & CAM-Photosynthese
• Optimierung der Trockentoleranz
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!
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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)
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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.
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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.)
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Ferocactus acanthodes
Opuntia bigelovii
Sonoran Desert Kaktus
Euphorbien in der Paläotropis (‘Alte Welt’)
Euphorbia candelabra
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Viele CAM‐Pflanzen sind tropische Epiphyten (z.B. Bromelien)
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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)
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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
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C4 Pflanzen sind die produktivsten Pflanzen der Erde
Zuckerrohr in Queensland, Australia
C4 Halophyten (Atriplex) im Death Valley, Nevada, USA
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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
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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”
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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
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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)
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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
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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
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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?
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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
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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!
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Abiotischer Stress II
• Abiotische Stressfaktoren & Biologisches Stresskonzept
• Wassermangel
• Austrocknungstoleranz
• Xerophyten
• Wassermangel und Photosynthese
• C4- & CAM-Photosynthese
• Optimierung der Trockentoleranz
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
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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
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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
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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
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