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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-31474
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/3147/


Mayrhofer, Sabine

Biochemische, physiologische und klimatische Einflüsse auf die Isoprenoidemission der Graupappel (Populus x canescens (Aiton) Sm.) und der Steineiche (Quercus ilex L.)

Biochemical, physiological and climatic influence on the emission of Isoprenoides from Gray Poplar (Populus xcanescens (Aiton) Sm.) and Holm Oak (Quercus ilex L.)

Dokument1.pdf (2.402 KB) (md5sum: ffc5c2aae183f530120366944e18c5dd)

Kurzfassung in Deutsch

Die Bedeutung von flüchtigen Isoprenoiden für die Atmosphärenchemie erfordert genaue Abschätzungen der globalen täglichen und saisonalen Emissionsraten der Vegetation. Dazu ist die detaillierte Kenntnis der biochemischen und physiologischen Vorgänge in der Pflanze unerlässlich. Experimentell charakterisierte Parameter können dabei die nötigen Informationen für prozessbasierte Vorhersagemodelle liefern. Zentrales Ziel dieser Arbeit war daher, Basiswissen über die Regulation der Isoprenoidemission durch verschiedene Umweltfaktoren auf transkriptionaler, translationaler und physiologischer Ebene zu verbessern. Die Untersuchungen wurden an der Graupappel, als Vertreter eines starken Isopren-Emitters und an der Steineiche, einer Monoterpen emittierenden Art, durchgeführt. Des Weiteren wurde in der Arbeit die Hypothese, Isopren könne als antioxidativer Schutz gegen oxidativen Stress wirken, überprüft.
1. Mit Hilfe molekularbiologischer Methoden konnte die DXR der Graupappel (PcDXR) aus einer cDNA-Genbank isoliert und anschließend heterolog exprimiert werden. Die gesamte PcDXR-Sequenz besteht aus 1724 bp und codiert für eine Proteinsequenz aus 472 Aminosäuren. Das Molekulargewicht des Enzyms beträgt ca. 51,3 kDa.
2. Die tageszeitliche Variation der physiologischen und biochemischen Kenngrößen der Isoprenemission bei der Graupappel wurde in 2 Jahren an zweimal 2 aufeinander folgenden Tagen an insgesamt 8 repräsentativen Bäumen ermittelt. Der photosynthetische Gaswechsel der Pflanzen (Netto-Assimilation, Ci, Transpiration und die Stomatäre Leitfähigkeit), DMADP-Gehalt der Blätter und die Isoprenemission folgten dem tageszeitlichen Verlauf von Licht und Temperatur. Hingegen zeigte die in vitro ISPS-Aktivität keine signifikante Veränderung während der Tagesgang-Messungen. Höchsten Einfluss auf die Isoprenemission wies die Blatttemperatur auf. Die Stomatäre Leitfähigkeit hatte keinen Einfluss auf die Isoprenemission.
3. Mittels quantitativer RT-PCR konnte in den gleichen Blattproben gezeigt werden, dass die relativen Transkriptmengen der PcISPS klare diurnale Verläufe mit Maxima am Vormittag aufwiesen, während im Gegensatz dazu bei den Transkriptkonzentrationen der PcDXR kein Tagesgang festzustellen war. Des Weiteren konnte kein kurzfristiger Einfluss der Lichtintensität und der Blatttemperatur auf die Expression von PcDXR oder PcISPS nachgewiesen werden.
4. Wie bei der Graupappel wurde die tageszeitliche Variation der physiologischen und biochemischen Kenngrößen der Monoterpenemission bei der Steineiche an zweimal 2 aufeinander folgenden Tagen ermittelt. Als Hauptkomponenten der Monoterpenemission der Steineichenblätter wurden alpha-Pinen, beta-Pinen/Sabinen, Myrcen, Camphen, Limonen, p-Cymol und Delta-3-Caren gemessen. Isopren wurde ebenfalls in der Emission nachgewiesen. Der photosynthetische Gaswechsel der Steineichen (Netto-Assimilation, Ci, Transpiration und die Stomatäre Leitfähigkeit), und die Monoterpenemission folgten dem tageszeitlichen Verlauf von Licht und Temperatur. Weder für die DMADP-Gehalte der Steineichenblätter noch für die Summe der Mono-TPS Aktivitäten konnte ein diurnalen Verlauf nachgewiesen werden. Höchsten Einfluss auf die Monoterpenemission wies die Blatttemperatur auf. Im Gegensatz zur Graupappel war bei der Steineiche ein regulierender Einfluss der Stomatären Leitfähigkeit auf die Monoterpenemission zu beobachten. Der DMADP-Gehalt der Steineichenblätter und die in vitro Mono-TPS-Aktivität zeigten einen signifikanten, negativen Zusammenhang.
5. Die Licht- und Temperaturabhängigkeit der Isoprenoidemission konnte für beide Pflanzenarten bestimmt und mit Hilfe des Guenther Algorithmus (1997) charakterisiert werden.
6. Um den Einfluss von Isopren im bzw. in unmittelbarer Umgebung des Blattes auf die Superoxidanionenradikal- (O2-.-) Konzentration im Blatt feststellen zu können, wurden mit Hilfe von Nitroblautetrazoliumchlorid (NBT) die O2.--Radikale im Blatt sichtbar gemacht. Die Isoprenkonzentration in der Umgebung der Blätter wurde durch Begasung erhöht. Unter diesen Bedingungen konnte, verglichen zur Kontrollbehandlung, ein signifikanter Effekt auf die O2.-- Konzentrationen im Blatt nachgewiesen werden. Die Ergebnisse weiterer durchgeführter Untersuchungen sind bezüglich einer möglichen schützenden Wirkung von Isopren gegen oxidativen Stress widersprüchlich und können keine klare Antwort auf diese Frage geben.


Kurzfassung in Englisch

Because of their important role for the atmospheric chemistry, global daily and seasonal emission rates of isoprene and monoterpenes have to be estimated with accuracy. Therefore, detailed knowledge of biochemical and physiological processes within the plant metabolism has to be gathered. Afterwards the gained cognitions are used as information for process-based model calculations. The major scope of the work was therefore to enlarge basic knowledge of the regulation of isoprenoid emission, which is known to be dependent on several environmental factors, especially light and temperature. Measurements of diurnal isoprene emission have been performed in parallel on physiological, translational and transcriptional level on leaves of Grey Poplar (Populus x canescens), a strong isoprene emitting species. Additionally, examinations of diurnal monoterpene emission in connection to physiologic and enzymatic processes was conducted in leaves of Holm Oak (Quercus ilex), which emits a large spectrum of monoterpenes. Furthermore a hypothesis was tested, whether isoprene emission may serve the plant as antioxidative protection mechanism in order to overcome oxidative stress. In main parts, the following results have been reached:
1. In the first part of this work, isolation of PcDXR (DXR of Grey Poplar) from a cDNA-Genbank and heterologous expression of the isolated gene was accomplished. The whole PcDXR-sequence consists of 1724 bp and encodes for a proteine sequence of 472 aminoacids. The molecular weight was approximately 51,3 kDa.
2. Daytime variation of physiological and biochemical parameters of the isoprene emission of Grey Poplar was measured twice on 2 following days in 2 years. All together, measurements have been performed on 8 representative plants. Photosynthetic gas exchange (netto-assimilation, Ci, transpiration and stomatal conductance), DMADP content and Isoprene emission of the leaves followed the diurnal course of light and temperature. In vitro ISPS activity showed no significant diurnal changes. Strongest influence on the Isoprene emission was shown by leaf temperature. Stomatal conductance had no influence on the Isoprene emission.
3. Quantitative RT-PCR elucidated the gene expression pattern of PcDXR and PcISPS in parallel to diurnal gas exchange measurements. Gene expression of PcISPS showed distinct diurnal courses with maximum values on the late morning, whereas PcDXR transcript levels stayed consistent over the day. No short-term influence of PPFD and leaf temperature has been observed on the expression rates of PcDXR or PcISPS.
4. Daytime variation of physiological and biochemical parameters of the monoterpene emission of Holm Oak was measured the same way as for Grey Poplar. Main components of the monoterpene emission were alpha-pinene, beta-pinene/sabinene, myrcene, camphene, limonene, p-cymol and Delta-3-carene and also isoprene was detected. The photosynthetic gas exchange of the plants (netto-assimilation, Ci, transpiration and stomatal conductance) as well as monoterpene emission followed the diurnal course of light and temperature. For leaf DMADP content and for the sum of Mono-TPS activities no diurnal changes have been detected. The leaf temperature showed strongest influence on monoterpene emission. In contrast to the measurements on Grey Poplar, a regulating influence of the stomatal conductance on the monoterpene emission could have been observed. A weak negative correlation has been detected for DMADP contents and the rate of monoterpene emission, although DMADPcontent of the leaves showed no correlations to leaf temperatures and light intensity. DMADP content and in vitro Mono-TPS-activity of the Holm Oak leaves were correlated negatively to each other.
5. Light and temperature dependency of the isoprenoide emission was characterised for both plant species according to the Guenther algorithm (1997). Maximum isoprene emission rate of Grey Poplar was reached at leaf temperatures of 42°C and light intensities of approximately 300 mymol photons m-2 s-1. Monoterpene emission rate of the Holm Oak leaves was reaching the maximum values at a leaf temperature of 35°C and light intensities of 250 mymol photons m-2 s-1.
6. In order to test the influence of isoprene within or in the nearest surrounding of poplar leaves on the concentrations of superoxideanionradicals (O2.-) Nitrobluetetrazoliumchloride (NBT) was used to make them visible. Isoprene concentration was raised in the near surrounding of the leaf by isoprene fumigation. Distinct influence of isoprene on the O2.--concentrations compared to non fumigated leaves has been demonstrated under the chosen conditions. The results of further performed experiments concerning a possible protection effect against oxidative stress are inconsistent and can not clarify this question.


SWD-Schlagwörter: Steineiche , Isopren , VOC <Ökologische Chemie> , Isoprenoide , Graupappel
Freie Schlagwörter (englisch): Holm Oak , Isoprene, VOC , Grey Poplar , Isoprenoids
Institut: Institut für Forstbotanik und Baumphysiologie
Fakultät: Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften
DDC-Sachgruppe: Land- und Forstwirtschaft, Veterinärmedizin
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Rennenberg, Heinz (Prof. Dr. )
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 06.02.2007
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 04.10.2007
Bemerkung: Forschungszentrum Karlsruhe FZKA 7298, ISSN 0947-8620; Mayrhofer S, Heizmann U, Magel E, Eiblmeier M, Müller A, Rennenberg H, Hampp R, Schnitzler JP, Kreuzwieser J (2004) Carbon balance in leaves of young poplar trees, Plant Biol 6: 730-739 Mayrhofer S, Teuber M, Zimmer I, Louis S, Fischbach RJ and Schnitzler JP (2005) Diurnal and seasonal variation of isoprene biosynthesis-related genes in Populus x canescens leaves, Plant Physiol 139 (1): 474-84 Magel E, Mayrhofer S, Müller A, Zimmer I, Hampp R, Schnitzler JP (2006) Photosynthesis and substrate supply for isoprene biosynthesis in poplar leaves, Atm Env 40: 138-151 Grote R, Mayrhofer S, Fischbach RJ, Steinbrecher R, Staudt M, Schnitzler JP (2006) Process-based modelling of isoprenoid emissions from evergreen leaves of Quercus ilex (L.), Atm Env 40: 152-165
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