Pflanzenernährung I Finkemeier - Universität Münster · 26.06.2016 1 Vorlesung „Zellbiologie Physiologie und Genetik“ SoSe 2016 Pflanzenernährung I Prof. Dr. Iris Finkemeier

26.06.2016

1

Vorlesung „Zellbiologie Physiologie und Genetik“

SoSe 2016

Pflanzenernährung I

Prof. Dr. Iris Finkemeier

Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen


• Essentielle Elemente und ihre Funktionen

• Nährstoffmangel

• Nährstoffaufnahme und Verteilung

• Stickstoff: häufigstes Mineralelement

• Stickstofffixierung durch Bakterien

• Stickstoffassimilation

• Stickstoffperzeption und Regulation

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“Der Erdboden, und nicht das Wasser, liefert das Material aus dem

das Gemüse besteht”

Woodward, J. (1699). Some thoughts and experiments concerning vegetation.PhilosophicalTransactions of the Royal Society, 21,193-227.

“Some thoughts and experiments concerning

vegetation” (1699)

Quelle Regenwasser

Themse

Gewichtszuwachs:

55% 62% 93%

Woodward folgerte, dass der Mineralanteil imWasser die Pflanzen ernährt. Durch seine Beobachtungen legte er den Grundstein fürdie Erforschung der Pflanzenernährung

J. Woodward verglich das Wachstum von Pflanzen in

Wasser ausverschiedenen Quellen.

Das Wachstum von Pflanzen wird durch die knappeste Ressourcebestimmt.

Das Gesetz des Minimums

Justus von Liebig (1803-1873)

Liebig‘s Tonne: Eine Tonne mit unterschiedlich langen Dauben lässt sich nur bis zur Höhe der kürzesten Daube füllen. Genauso kann ein Organismus sich nur so weit entwickeln, wie es die knappste Ressource erlaubt.

4

Carl Sprengel1787 - 1859

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Pflanzen assimilieren Mineralstoffeaus ihrer Umgebung

K+

K+

PO43-

PO43-

PO43-

NO3-

NO3-

K+ K+

K+

K+

K+

K+

PO43-

PO43-

PO43-

NO3-

NO3-

Die Nährstoffaufnahme kanndurch die Oberfläche oder, bei vaskulären Pflanzen, über die Wurzel erfolgen.

Pflanzen können auch organische Moleküleaufnehmen und verwerten

Schmidt, S., Raven, J.A. and Paungfoo-Lonhienne, C. (2013). The mixotrophic nature of photosynthetic plants. Funct. Plant Biol. 40: 425-438 by permission of CSIRO Publishing; Adlassnig, W., Koller-Peroutka, M., Bauer, S., Koshkin, E., Lendl, T. and Lichtscheidl, I.K. (2012). Endocytotic uptake of nutrients in carnivorous plants. Plant J. 71: 303-313. Hill, P.W., Marsden, K.A. and Jones, D.L. (2013). How significant to plant N nutrition is the direct consumption of soil microbes by roots? New Phytol. 199: 948-955.

Karnivore Pflanzenerhalten ihre Nährstoffeüber den Verdau von gefangenen Insektenund Tieren

Nicht-karnivorePflanzen können auchProteine und Mikrobenfür die Nährstoffaufnahmeverwerten. DieserProzess ist aberineffizient.

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E. Epstein (1972) hat zwei Kriterien definiert, die festlegen, ob eine Element essentiell für eine Pflanze ist:

• Das Element ist nötig um den Lebenszyklus der Pflanze abzuschließen (Samen zu produzieren).

• Das Element ist ein Teil eines essentiellen Moleküls der Pflanze.

Wie erkennt man essentielle (lebensnotwendige) Mineralstoffe?

8

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Die essentiellen Mineralnährstoffe von Pflanzen

Elemente aus Luft und Boden: Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O)

Mikronährstoffe / Spurenelemente:

Makronährstoffe (aus dem Boden): Primär: Stickstoff (N), Phosphor (P), Kalium (K)Sekundär: Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Schwefel (S)

Chlor (Cl), Eisen (Fe), Mangan (Mn), Natrium (Na), Kobalt(Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Molybdän (Mo), Bor (B)

16 essentielle Mineralstoffe:

9

6 essentielle Makronährstoffe(N, P, K, S, Mg and Ca)

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6

10 essentielle Mikronährstoffe(Cl, Fe, Mn, Na, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, B)

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Pflanzen nehmen Mineralstoffe alsKationen oder Anionen auf

μmol / g (trocken)

Element AssimilierteForm

250 Kalium (K) K+

1000 Stickstoff (N) NO3‐, NH4

+

60 Phosphor (P) HPO42‐,

H2PO4‐

30 Schwefel (S) SO42‐

80 Magnesium (Mg)

Mg2+

125 Calcium (Ca) Ca2+

μmol / g (dry wt)

Element Assimilated form

2 Eisen (Fe) Fe3+, Fe2+

0.002 Nickel (Ni) Ni+

1 Mangan (Mn) Mn2+

0.1 Kupfer (Cu) Cu2+

0.001 Molybdän(Mo)

MoO42+

2 Bor (B) H3BO3

3 Chlor (Cl) Cl‐

0.3 Zink (Zn) Zn2+

MAKRONÄHRSTOFFE MIKRONÄHRSTOFFE

Für die geladenen Ionenwerden Transportproteine in den Zellmembranen benötigt.

See Taiz, L. and Zeiger, E. (2010) Plant Physiology. Sinauer Associates; Marschner, P. (2012) Mineral Nutrition of Higher Plants. Academic Press, London

Hoagland’s Nährlösung für HydrokulturenModifizierte Hoagland‘s Lösung (Hoagland und Arnon (1938))

Element Endkonzentration

des Elements im Medium

[µM]

Makroelemente NKCa

Mg

S

P

Fe

B

Mn

Zn

Cu

Mo

12,6006,0002,800

2,000

2,002

1,000

23.8

23

1.25

0.2

0.075

0.175

6 mM KNO3

2.8 mMCa(NO3)2* 4H2O

2 mMMgSO4* 7H2O

1 mM (NH4)H2PO4(x)

Mikroelemente

11.9 µM Fe2(C4H4O6)3

1.5 µM H3BO4

1.25 µMMnSO4* H2O

0.2 µM ZnSO4* 7H2O

0.075 µM CuSO4* 5H2O

0.025 µM(NH4)6Mo7O24 * 4H2O

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9

Gefäßpflanzen nehmen Nährstoffehauptsächlich über die Wurzel auf

Barberon, M. and Geldner, N. (2014). Radial transport of nutrients: the plant root as a polarized epithelium. Plant Physiol. 166: 528-537.

Wurzelhaare vergrößern dabeidie Oberfläche, ähnlich wie die Microvilli im Darmepithel von Tieren

Membrantransporter ermöglichen die Nährstoffaufnahme in das Cytoplasma der Zelle

Wurzel Querschnitt

Darmepithel Querschnitt









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pH-Wert des Bodens wirkt sich auf die Nährstoffverfügbarkeit aus: Saure und

basische Böden

Atlas of the biosphere, University of Wisconsin; FMoeckel

Stark sauer

Schwachbasisch

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11

21

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Nährstoffverfügbarkeit und Wachstum

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Hermans, C., Hammond, J.P., White, P.J., and Verbruggen, N. (2006). How do plants respond to nutrient shortage by biomass allocation? Trends Plant Sci 11, 610‐617.

Wurzelmechanismen zur Erhöhungder Nährstoffaufnahme

Schmidt, S., Raven, J.A. and Paungfoo-Lonhienne, C. (2013). The mixotrophic nature of photosynthetic plants. Funct. Plant Biol. 40: 425-438 by permission of CSIRO publishing.

SymbiotischePartnerpilze

Prokaryotischesymbiotische

Partner

WurzelentwicklungBiochemische

Reaktionen

Wurzelexudate

Mykorrhiza Stickstoff-fixierendeBakterien

Proteoidwurzeln/ Cluster Roots

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Nährstoffaufnahme, Assimilation und Verwertung involvieren viele Prozesse

Effizienz der Nährstoffaufnahme

Effizienz derNährstoffverwertung

Architektur des Wurzelsystems

Wurzel-exudate

Bodenbakterien

Symbiosen

P

P

N N

NH3

Transporter und Pumpen

InterzelluläreTransport-effizienz

X R-X

Assimilations-und

Remobilisations-effizienz

RegulatorischeKontrollnetzwerke

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Nährstoffe können dem Boden durchDüngung wieder zugeführt werden

Nährstoffbedarf

Mai

s

Soy

a

Wei

zen

Bau

mw

olle

Rei

s

Kg

/ha

1000

800

600

400

200

0 N

P

K

Mg

S

Die meistenDünger enthaltenStickstoff (N), Phosphat (P) und Kalium (K).

Natürliche Düngerund spezielleDüngesalze

Pflanzen entnehmen die Nährstoffe ausdem Boden

Source: USGS

Globales Vorkommen von Mineralnährstoffen: ungleiche

Verteilung

Versorgung > Bedarf

Bedarf < Versorgung

FAO (2011) Current world fertilizer trends and outlook to 2015.

NP2O5

K2O

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Der weltweite Handel mit Düngernist ein Milliardengeschäft

IFIA

Ammonium Harnstoff Kalium Diammoniumphosphat

Monoammoniumphosphat

PhosphatGestein

Schwefel Schwefelsäure

Wieviel Dünger braucht die Pflanze?

Photo by Michael Russelle.

Pflanzenspezies: verschiedenePflanzen habenverschiedeneAnsprüche

Bodeneigenschaften:Partikelgröße, pH, Mikroben etc.

Abiotische und biotische Faktoren: Temperatur, Regen, Stress und Krankheiten

Entwicklungszustand der Pflanze

Vorhandene Nährstoffe: Es gibtpositive und negative Interaktionenzwischen Nährstoffen

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Dünger können Umwelt- und Gesundheitsprobleme auslösen

Stickstofffixierung (Haber-Bosch) ist energieaufwändig

Phosphat und Kaliumabbau ist destruktiv

Image source: Lamiot; Alexandra Pugachevsky

Transport benötigt Energie

Organischer Abfall kannKrankheiten verbreiten N ON

Distickstoffoxid (N2O) ausDüngern ist einTreibhausgas

Eutrophierung von Gewässern

Pflanzen brauchenNährstoffe, aber der Einsatz von Düngernist oft nicht optimal.

Zusammenfassung: ÜberblickMineralstoffernährung

• Pflanzen bekommen C, H und O aus Wasser und CO2

• Pflanzen bekommen den Rest der essentiellen Elemente(16) aus Mineralnährstoffen

• Mineralnährstoffe kommen als Ionen gelöst im Boden vor

• Mineralnährstoffe werden von Pflanzenwurzeln überspezielle Transortproteine aufgenommen

• Die Nährstoffe im Boden müssen über Dünger ersetztwerden

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Stickstoff: Das häufigsteMineralelement in Pflanzen

• N ist das häufigste Element in der Atmosphäre

• N ist das vierthäufigste Element in der Pflanze (nach C, H und O)

• N ist oft der limitierendeNährstoff von Pflanzen

N findet man in Aminosäuren(Proteinen), Nukleinsäuren (DNA, RNA), Chlorophyll, und vielen anderenkleinen Molekülen

Blank, L.M. (2012). The cell and P: From cellular function to biotechnological application. Curr. Opin. Biotech. 23: 846 – 851.From: Buchanan, B.B., Gruissem, W. and Jones, R.L. (2000) Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists.

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Stickstoff findet man in verschiedenenanorganischen Molekülen

Molekül Name Oxidationsstufe

R‐NH2 Organischer Stickstoff, Harnstoff

‐3

NH3, NH4+ Ammoniak,

Ammonium Ion‐3

N2 Molekularer Stickstoff 0

N2O Distickstoffmonoxid +1

NO Stickstoffmonoxid +2

HNO2, NO2‐ Salpetrige Säure,

Nitrit Ion+3

NO2 Stickstoffdioxid +4

HNO3, NO3‐ Salpetersäure, NitratIon

+5

Adapted from Robertson, G.P. and Vitousek, P.M. (2009). Nitrogen in agriculture: Balancing the cost of an essential resource. Annu. Rev. Environ. Res. 34: 97-125.

NO2-

NO3-

NO2- NO

N2ON2

NH3

NitratReduktion

Stickstoff-fixierung

Nitrification

AnaerobischeReaktionen

AerobischeReaktionen

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Moderater Stickstoffmangel inhibiert Sproßwachstum und fördertWurzelwachstum.

„Optimal Partitioning Theory“: Förderung der Organe die Nährstoffe aufnehmen

(MARSCHNER 1995)

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Stickstoffmangel Symptome

Milder Stickstoffmangel:Remobilisation von Stickstoff in junge Blätter

Starker Stickstoffmangel: gehemmtes Wachstum

© Baumeister & Ernst 1978

-N +N -N

Stickstoffmangel Symptome

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Globaler Stickstoffkreislauf

Atmosphärischer N2

BiologischeFixierung

AtmosphärischeFixierung

NO3-

NH4+

NO3-NH4

+

NO3-

NO2- NO3

-NH4+

Nitrifikation durch nitrifizierende Bakterien

R-NH2

Dünger

Assimilation durch

Pflanzen

Zersetzung

Den

itrifi

katio

ndu

rch

deni

trifi

zier

ende

Bak

terie

n

IndustrielleFixierung

(Haber-Bosch)BiologischeFixierung(Ozean)

120 Tg N / Jahr(50%

landwirt-schaftlich)

120 Tg N / Jahr

140Tg N / Jahr

5 Tg N / Jahr

Adapted from Fowler, D., et al. (2013). The global nitrogen cycle in the twenty-first century. Phil. Trans. Roy. Soc. B: 368: 20130164

Pflanzenphysiologie untersucht die Mechanismenwie Pflanzen die Stickstoffaufnahme und

Verwendung optimieren

Wie wirdStickstoff in die

Pflanzeaufgenommen?

Wie wirdanorganischer

Stickstoff in organischeMoleküle

assimiliert?

Wie könnenPflanzen den internen und

externenStickstoffstatuswarnehmen?

Wie reagierenPflanzen auf

Stickstoffmangel?

Wie könnenPflanzenStickstoff

remobilisieren?

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1. Desaminierung: Mikroorganismen nutzen organischen Stickstoff als C-Quelle und setzten Ammonium frei.

2. Stickstoffixierung: Distickstoff (Gas) wird zu Ammonium reduziert. Exklusiv prokaryotischer Stoffwechselweg!

3. Nitrataufnahme und Reduktion zu Ammonium für anschließende Assimilation in organische Verbindungen (Mikroorganismen + Pflanzen).

Stickstoff kann in der Form von Ammonium in organische Moleküle assimiliert werden.

3 Wege führen zu Ammonium:









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2 N2 + 3 H2 2 NH3

N2‐fixierende Symbiosen zwischen Eubakterienund höheren Pflanzen

• frei lebende N2-fixierenende Bakterien, z. B. Azotobacter und Clostridium

• assoziative N2‐fixierende Bakterien

• endosymbiotisch in den Pflanzenwurzeln lebende N2‐fixierende Bakterien können nur im Verbund mit einem Symbiosepartner N2 fixieren

• Effektivität von endosymbiotischerN2‐Bindung ist ca. 10‐fach höher als die der frei lebenden N2‐Fixierer.

Lüttge, U. / Kluge, M. / Thiel, G. Botanik: Die umfassende Biologie der Pflanzen

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Stickstoffixierung durch die Nitrogenase:

Die Nitrogenase ist ein Sauerstoff‐sensitives, prokaryotisches Enzymbestehend aus:

• Dinitrogenase – MoFe Protein reduziert N2

• Dinitrogenase reduktase ‐ Fe‐Protein reduziert MoFe überFerredoxin und hydrosiliert ATP

N2 + 8H+ + 8e‐ + 16ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi

N2‐fixierende Symbiosen: Wurzelknöllchen

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N2‐fixierende Symbiosen: Wurzelknöllchen Übersicht









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Stickstoffmetabolismus: Aufnahme, Assimilation und Remobilisation

Aufnahme

NO3-

NH4+

NH4+

NO3-

NitratReduktase

NO2-

NitritReduktase

GlutaminSynthetase

(GS)

Glutamat

GlutaminAndereAminosäuren und stickstoffhaltigeBiomoleküle

AminosäureRecycling,

Photorespiration

Zitratzyklus

2-Oxoglutarat

Glutamat

Glutamin-2-Oxoglutarat

Aminotransferase (GOGAT)

AssimilationRemobilisation

AssimilationNH4

+R-NH2

N2 Adapted from Xu, G., Fan, X. and Miller, A.J. (2012). Plant nitrogen assimilation and use efficiency. Annu. Rev. Plant Biol. 63: 153-182.

Die meisten Pflanzen nehmenStickstoff in Form von Nitrat NO3

- auf

See Li, B., Li, G., Kronzucker, H.J., Baluška, F. and Shi, W. (2014). Ammonium stress in Arabidopsis: signaling, genetic loci, and physiological targets. Trends Plant Sci. 19: 107-114; Britto, D.T. and Kronzucker, H.J. (2013). Ecological significance and complexity of N-source preference in plants. Ann. Bot. 112: 957-963.

NitratReduktase

NitritReduktase

NO2- NO3

-NH4+

Nitrifikation

Energiefrei

Energiefrei

Viele Prokaryoten oxidieren NH4+, so

dass wenig NH4+ im Boden vorkommt

NO2- NH4

+NO3-

Energieverbraucht

Energieverbraucht

Pflanzen benötigen Energie um NO3-

in organische Moleküle zuassimilieren

R-NH3

Ob Pflanzen bevorzugt NH4+ oder NO3

- aufnehmen, variiertje nach Spezies, Temperatur, Wasser, Boden pH etc….

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Pflanzen haben spezifische Transporter für NO3

-, NH4+ und andere N-Formen

Nacry, P., Bouguyon, E. and Gojon, A. (2013). Nitrogen acquisition by roots: physiological and developmental mechanisms ensuringplant adaptation to a fluctuating resource. Plant Soil. 370: 1-29, With kind permission from Springer Science and Business Media

HATS = high affinity transportersLATS = low affinity transporters

Identifizierung des Haupt-Nitrattransporters: CHL1/ NRT1.1/ NPF6.3

Oostindiër-Braaksma, F.J. and Feenstra, W.J. (1973). Isolation and characterization of chlorate-resistant mutants of Arabidopsis thaliana. Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis. 19: 175-185; Reprinted from Tsay, Y.-F., Schroeder, J.I., Feldmann, K.A. and Crawford, N.M. (1993). The herbicide sensitivity gene CHL1 of arabidopsis encodes a nitrate-inducible nitrate transporter. Cell. 72: 705-713 with permission from Elsevier.

Chlorat (ClO3-)

ähnelt Nitrat(NO3

-)Nitrate Reduktase

ChloritClO2

-

Wild-typ

ChloratAufnahmeMutante(chl1-5)

NitratReduktase

Mutante

+ +-

Wachstum auf Chlorat

Nitrate ReduktaseAktivität

Der erste NitratTransporter wurde in einem genetischenScreen auf ChloratResistenz identifiziert

19731993 wurde das CHL1 Gen kloniert und als Nitrat Transporter identifiziert

Membranpotential in Xenopus Oocyten

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Andere Nitrattransporter für Intra-bzw Interzellulären Transport

Reprinted from Wang, Y.-Y., Hsu, P.-K. and Tsay, Y.-F. (2012). Uptake, allocation and signaling of nitrate. Trends Plant Sci. 17: 458-467 with permission from Elsevier; Tegeder, M. (2014). Transporters involved in source to sink partitioning of amino acids and ureides: opportunities for crop improvement. J. Exp. Bot. 65: 1865-1878 by permission of Oxford University Press.

Spezifische Transporter ermöglichen Nitrattransport in oder aus der Zelle bzw. in oder

aus der Vakuole

Primäre N-Assimilation: NO3- wird erst zu NH4

+

reduziert bevor es assimiliert werden kann

Aufnahme

NO3-

NH4+

NH4+

NO3-

NitratReduktase

NO2-

NitritReduktase

GlutaminSynthetase

(GS)

Glutamin

Assimilation zu Glutamin

Andere N-Verbindungen

R-NH3

Glutamat

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Nitratassimilation kann in Wurzel und Sproß stattfinden

Nitrat wird über das Xylem von Wurel zu Sproßtransportiert

Nach der Assimilation können Aminosäurenzwischen Wurzel und Sproßtransportiert werden

Nitratassimilation

LeguminosenDie meisten Pflanzen

• Umwandlung verbraucht 8 Elektronen in Form von Reduktionsäquivalenten• Dies entspricht ungefähr 25% der totalen Energieausgaben einer Pflanze

Reduktion von Nitrat zu Ammonium (in Blättern und Wurzeln)

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Nitrat Reduktase

Lambeck, I.C., Fischer-Schrader, K., Niks, D., Roeper, J., Chi, J.-C., Hille, R. and Schwarz, G. (2012). Molecular mechanism of 14-3-3 protein-mediated inhibition of plant nitrate reductase. J. Biol. Chem. 287: 4562-4571.

NO2-NO3

-

NADH NAD+

NADH

NO3-

Nitrat Reduktasereduziert Nitrat zu NitritNADH fungiert alsEleketronendonor

Die Elektronen werdenvon NADH auf FAD auf Häm und über den Molybdän-Kofaktor(Moco) auf NO3

-

übertragen

• NR besteht aus zwei identische Untereinheiten• Drei Kofaktoren (FAD, Häm und MoCofaktor)• Transport von 2e- durch die Redoxzentren und Transfer auf Nitrat• Verbrauch von 1 Reduktionsäquivalent pro Molekül NO3

Regulation der Nitrat Reduktase Aktivität

1. Transkription 2. Post-translational

Nitrat (mM)

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Assimilation von Ammonium in Aminosäuren


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Nitritreduktase = NiR (in Plastiden)

Kosten pro NO2- Reduktion = 6 Reduktionsäquivalente (Ferredoxin reduziert)

• N-Terminale Fdx-binde Domäne oxidiert Ferredoxin (Fdx) und je 1e- wird auf die Redoxzentren 4Fe-4S und Siroheme übertragen

Nitrit ist hochreaktiv und toxisch für die Pflanze. NiR wird im Überschußproduziert um die sofortige Reduktion von Nitrit zu Ammonium sicherzustellen.

Assimilation von Ammonium in Aminosäuren


Glutaminsynthetase

(GS)

Glutamin-2-Oxoglutarat

Aminotransferase (GOGAT)

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67Pflanzen sind in der Lage alle 20 AS eigenständig zu synthetisieren!Menschen und die meisten Tiere müssen ca. 10 essentielle AS über die Nahrung aufnehmen

Aus Aminosäuren werden weitere wichtige pflanzliche Inhaltsstoffe hergestellt

Avice, J.-C. and Etienne, P. (2014). Leaf senescence and nitrogen remobilization efficiency in oilseed rape (Brassica napus L.). J. Exp. Bot. 65: 3813-3824 by permission of Oxford University Press.

uptake

assimilation

assimilation

remobilization

remobilization

Stickstoffrecycling in der Pflanze• Remobilisierung von organischem Stickstoff in seneszenten Blättern

durch Degradation von Proteinen zu Aminosäuren und in der Photorespiration

• Verteilung in der Pflanze (vor allem Samen und Fruchtkörper)

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Zusammenfassung: Stickstoffaufnahme und Assimilation

Aufnahme

NO3-

NH4+

NH4+

NO3-

Nitrate reduktase

NO2-

Nitrite reduktase

Glutaminsynthetase

(GS)

Glutamat

GlutaminAndere N-Verbindungen

AminosäurenRecycling,

Photorespiration

Zitratzyklus

2-oxoglutarate

Glutamate

Glutamin-2-oxoglutarate

aminotransferase (GOGAT)

AssimilationRemobilisierung

AssimilationNH4

+R-NH2

N2 Adapted from Xu, G., Fan, X. and Miller, A.J. (2012). Plant nitrogen assimilation and use efficiency. Annu. Rev. Plant Biol. 63: 153-182.









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Regulation: Stickstoffperzeption,Signaltransduktion und Antwort auf Mangel

See for example Scheible, W.-R., et al and Stitt, M. (2004). Genome-wide reprogramming of primary and secondary metabolism, protein synthesis, cellular growth processes, and the regulatory infrastructure of Arabidopsis in response to nitrogen. Plant Physiol. 136: 2483-2499; Krapp, A. et al and Daniel-Vedele, F. (2011). Arabidopsis roots and shoots show distinct temporal adaptation patterns toward nitrogen starvation. Plant Physiol. 157: 1255-1282. Schlüter, U., et al. and Sonnewald, U. (2012). Maize source leaf adaptation to nitrogen deficiency affects not only nitrogen and carbon metabolism but also control of phosphate homeostasis. Plant Physiol. 160: 1384-1406. Amiour, N. et al and Hirel, B. (2012). The use of metabolomics integrated with transcriptomic and proteomic studies for identifying key steps involved in the control of nitrogen metabolism in crops such as maize. J. Exp. Bot. 63: 5017-5033. Balazadeh, S., et al. and Mueller-Roeber, B. (2014). Reversal of senescence by N resupply to N-starved Arabidopsis thaliana: transcriptomic and metabolomic consequences. J. Exp. Bot. 63: 5017-5033.

StickstoffmangelErhöhte Aufnahme

Metabolische Anpassung an Stickstoffmangel

Verstärkte Seneszenz und N-Recycling

Aktivierung einiger NO3-- und NH4

+ TransporterVerstärktes Wurzelwachstum

Verringerte Synthese N-haltiger ChlorophylleVerstärkte Synthese N-freier AnthocyaneKleinere Pools N-haltiger Verbindungen (z.B. Aminosäuren)Größere Pools N-freier Verbindungen (z.B. organische Säuren)

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73

NO3

NO3

NO3

NO3

HAT

LAT

NH4+

NH4+ NH4

+

NH4+

AMT1 AMT2

NO2 NH4+

Gln/Glu

+

+

Nitrattransporter werden durch Nitratgabe induziert

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

NRT1.1

NRt1.2

NRT1.3

NRT1.4

NRT2.1

NRT2.2

NRT2.3

NRT2.4

NRT2.5

NRT2.6

NRT2.7

Nitrate transporter gene

fold

-in

du

cti

on

by

nit

rate

Transkriptinduktiondata from Wang et al., Plant Physiol 132, 556‐567

‐

Akkumulation von Aminosäurenrepremiert Transkripte der Ammoniumtransporter

Nitratgabe reguliert mehrere tausende Genprodukte. Ist es Nitrat selbst oder welches N‐Metabolit induziert das?

Antwort auf NO3- kann von N-

Metaboliten unterschieden werden

Wang, R., Tischner, R., Gutiérrez, R.A., Hoffman, M., Xing, X., Chen, M., Coruzzi, G., Crawford, N.M. (2004). Genomic analysis of the nitrate response using a nitrate reductase-null mutant of Arabidopsis. Plant Physiol. 136: 2512–2522; Canales, J., Moyano, T.C., Villarroel, E. and Gutiérrez, R.A. (2014). Systems analysis of transcriptome data provides new hypotheses about Arabidopsis root response to nitrate treatments. Front. Plant Sci. 5: 22.

NitratReduktase (NR)

NO2- NH4

+NO3-

R-NH3X

Nitrat Reduktase Mutanten ermöglichen NO3-

Antwort zu untersuchen

Rot: Nitrat-Spezifische Gene

NR Mutanten könnennicht auf NO3

- wachsen

Transkriptantwort auf Nitrat(+ N-Metabolite)

10% des Genomsantwortet auf Nitrat, aber nureinige Transkriptesind tatsächlichNitratspezifisch

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Nitrat Reduktase-defiziente MutanteNia 30 aus Tabak

Northern blot

Scheible et al (1997) Plant Cell 9, 783-798

• Nia 30 hat geringe Nitrat ReduktaseAktivität

• Transkripte der Nitratassilimlation sinderhöht

Wo sitzt der Nitratsensor?

SPROSS

WURZEL

NO3 NO3

NO2 NO2

NH4+

Gln

PLASTID

Nitritereductase

Nitratereductase

GS-GOGAT

NO3

NO2 NO2

NH4+

Gln

PLASTID

Nitritereductase

Nitratereductase

GS-GOGAT

NO3

Hier?

Hier?

Hier?

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Reprinted by permission from Wiley from Drew, M.C. (1975). Comparison of the effects of a localised supply of phosphate, nitrate and ammonium and potassium on the growth of the seminal root system, and the shoot, in barley. New Phytol. 75: 479-490.. Reprinted from Bouguyon, E., Gojon, A. and Nacry, P. (2012). Nitrate sensing and signaling in plants. Sem. Cell Devel. Biol. 23: 648-654, with permission from Elsevier. See also Gersani, M. and Sachs, T. (1992). Development correlations between roots in heterogeneous environments. Plant Cell Environ. 15: 463-469.

Bei hoher N-Verfügbarkeitproduzieren Pflanzenweniger Wurzelmassen

Wenn N ungleichmäßigverteilt ist, proliferierenWurzeln in N-reicheAreale

Wurzelwachstum passt sichder N-Verfügbarkeit an

Wie wird das reguliert?

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Der Nitrattransporter NRT1.1 ist ein Nitratsensor

Arabidopsis NRT1.1 ist ein “dual affinity” Nitrattransporter (HAT & LAT)

Die Mutation von NRT1.1 führt zueiner verminderten Entwicklungvon lateralen Wurzeln beiNitratgabe

Die Mutation beeinflußt nicht die Nitrataufnahme der Pflanze

Wild type NRT1.1 mutant

Low NO3

Low NO3

High NO3

High NO3

Remans et al (2006) PNAS 103, 19206

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Modell für den Nitratsensor: NO3-

konkurriert mit Auxin Transport

Beeckman, T. and Friml, J. (2010). Nitrate contra auxin: Nutrient sensing by roots. Devel. Cell. 18: 877-878 with permission from Elsevier. See also Krouk, G., et al and Gojon, A. (2010). Nitrate-regulated auxin transport by NRT1.1 defines a mechanism for nutrient sensing in plants. Devel. Cell. 18: 927-937; Mounier, E., et al and Nacry, P. (2014). Auxin-mediated nitrate signalling by NRT1.1 participates in the adaptive response of Arabidopsis root architecture to the spatial heterogeneity of nitrate availability. Plant Cell Environ. 37: 162-174; Forde, B.G. (2014). Nitrogen signalling pathways shaping root system architecture: an update. Curr. Opin. Plant Biol. 21: 30-36.

NRT1.1

NO3-

Auxin NRT1.1

NO3-

Auxin

Bei niedrigemNO3

--GehalttransportiertNRT1.1 Auxinvon der Wurzelspitzeund dasWachstum wirdunterdrückt

Bei hohem NO3- -

Gehalt wird derAuxin-transportdurch NRT1.1unterdrückt undWurzelwachstumgefördert

• Wurzelwachstum passt sich der N-Verfügbarkeit an

• N-Mangel löst ein systemisches Signal aus

• Nitrat wird von der Pflanze wahrgenommen und reguliert die Transkription

• Der Nitrattransporter NRT1.1 reguliert Wurzelwachstumüber konkurrierenden Auxintransport

• Offene Fragen: Wie können Pflanzen verschiedeneNährstoffe wahrnehmen und welche Hierachien gibt esin der Signaltransdukton?

Zusammenfassung: Stickstoffperzeption

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Pflanzenernährung I Finkemeier - Universität Münster · 26.06.2016 1 Vorlesung „Zellbiologie Physiologie und Genetik“ SoSe 2016 Pflanzenernährung I Prof. Dr. Iris Finkemeier