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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-68685
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/6868/


Dürr, Jasmin

Sulfate distribution in Populus tremula x P. alba: identification of phloem localized sulfate transporter genes and environmental influences on their transcript level

Sulfatverteilung in Populus tremula x P. alba: Identifizierung spezifischer Sulfattransporter im Phloem und Umwelteinflüsse auf deren Transkriptionsstärke

Dokument1.pdf (3.246 KB) (md5sum: dbede41df108516d33a5b145140ca093)

Kurzfassung in Englisch

Sulfur is one of the six macronutrients which plants require for growth and development. Sulfur is available to plants primarily in the form of sulfate in the soil where it is taken up by the roots. The long distance transport from roots to the leaves takes place in the xylem while the transport from the so called ‘source’ to ‘sink’ tissues takes place in the phloem. Within herbaceous plants it seems that sulfate distribution is regulated by the tissue specific expression of numerous sulfate transporter isoforms.

In the present study, the gene family of sulfate transporters was investigated in poplar (Populus tremula x P. alba) trees. The significant homologies of deduced amino acid sequences encoded by 16 putative Populus tremula x P. alba sulfate transporters to the functionally characterized orthologs from Arabidopsis thaliana, indicated that the poplar sequences are highly likely to possess the expected sulfate transport function.
Northern blot analyses exhibited highly tissue specific expression patterns of the 16 sulfate transporter genes from Populus tremula x P. alba. The constant expression of both PtaSULTR4;1 and PtaSULTR4;2 transporters in every tissue was consistent with the putative localization within the vacuolar membrane controlling cell internal sulfate distribution. Most interesting with regard to phloem transport of sulfate was the observation that the two sulfate transporters PtaSULTR1;1 and PtaSULTR3;3a were specifically expressed in the bark and leaf veins.

Due to these results in situ hybridization analyses were performed for PtaSULTR1;1 and PtaSULTR3;3a to localize the transcripts at the cellular level within different tissues. In the transport phloem along the stem and major leaf veins, PtaSULTR1;1 and PtaSULTR3;3a transcript accumulation was highest in companion cells. This specific expression suggests an uptake function for sulfate from the apoplast into the phloem. Exclusively PtaSULTR1;1 was present in the collection phloem of minor leaf veins which suggests that phloem loading with sulfate in leaves is achieved by PtaSULTR1,1. In summary, for the first time two phloem specific sulfate transporters were identified within a plant species which are with great feasibility involved in sulfate distribution from ‘source’ to ‘sink’ tissues.

To investigate the regulation of sulfate distribution in response to nutrition Populus tremula x P. alba trees were grown under sulfate deficient conditions. While the transcript of the phloem specific sulfate transporter PtaSULTR1;1 increased in both, mature leaf veins and bark tissue, simultaneously the sulfate content decreased in these tissues. Simultaneous up-regulation of both putative vacuolar sulfate efflux transporters of group 4 in bark and the up-regulation of PtaSULTR4;2 in stem wood supports the assumption that sulfate is mobilized from vacuoles of storage tissues under these conditions. Therefore, sulfate deficiency induced the transcriptional regulation of sulfate transporters in trees which probably improve the supply of growing tissue.

Seasonal expression patterns of phloem specific sulfate transporters and of putative vacuolar sulfate efflux transporters were analyzed from August 2006 until September 2007 using field grown poplar trees. Sulfate accumulation in the bark started in late autumn when PtaSULTR1;1 expression in senescent leaves was high. Because PtaSULTR1;1 transcript is abundant in the phloem of minor leaf veins, the increased mRNA amount during abscission suggests an increase in phloem loading of sulfate for further transport to storage tissues. The transcript abundance of the putative vacuolar sulfate efflux transporter PtaSULTR4;2 and both phloem specific sulfate transporters increased in the bark during spring. This expression pattern with simultaneously decreasing sulfate contents in bark indicates sulfate mobilization from bark cells and further loading into the phloem during leaf development in spring. Statistical analyses revealed that the mRNA accumulation of two analyzed sulfate transporters were negatively correlated to the sulfate content in bark and a seasonal influence of temperature and day length was found. Thus, the seasonal analyses of sulfate transporter expression and sulfate content in the present study provide for the first time insight into the transcriptional regulation of sulfate transporters during changing environmental conditions within the annual life-cycle.


Kurzfassung in Deutsch

Schwefel zählt zu den sechs Makronährelementen, die essentiell sind für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen. Pflanzen nehmen Schwefel hauptsächlich in Form von Sulfat aus dem Boden über die Wurzeln auf. Neben dem Kurzstreckentransport von Zelle zu Zelle über Plasmodesmen wird Sulfat in höheren Pflanzen auch über längere Strecken in den Leitbündeln transportiert. Der Langstreckentransport von den Wurzeln zu den Blättern findet im Xylem statt während der Transport von den so genannten ’source’ Geweben zu den so genannten ’sink’ Geweben im Phloem stattfindet. Die Verteilung von Sulfat wird in krautigen Pflanzen durch zahlreiche, gewebespezifisch expremierte Sulfattransporter Gene reguliert.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Genfamilie der Sulfattransporter in der Pappel (Populus tremula x P. alba) untersucht. Aufgrund der signifikanten Homologien zwischen den abgeleiteten Aminosäuresequenzen von 16 der potentiellen Sulfattransporter aus der Pappel mit den funktionell charakterisierten Sulfattransportern aus Arabidopsis thaliana, kann davon ausgegangen werden, dass die Pappelproteine entsprechend Sulfat transportieren.
Die durchgeführten Northern-Blot Analysen zeigten stark gewebespezifische Expressionsmuster der 16 Sulfattransporter Sequenzen aus Populus tremula x P. alba. Diese Ergebnisse weisen auf eine transkriptionelle Regulation und Organisation der Transporter-Gene und somit der Sulfatverteilung in Bäumen hin. Die konstante Expression von PtaSULTR4;1 und PtaSULTR4;2 in allen Geweben stimmte mit deren potentiellen Lokalisation in der Vacuolen-Membran überein. Ein zentrales Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist die spezifische Detektion der zwei Sulfattransporter PtaSULTR1;1 und PtaSULTR3;3a in Rinde und Blattader. Dieses Expressionsmuster deutet auf eine Lokalisation im Phloem hin.

Aufgrund dieser Hinweise wurde mittels in situ Hybridisierung die zelluläre Expression der Sulfattransporter PtaSULTR1;1 und PtaSULTR3;3a in verschiedenen Geweben untersucht. Im Transport-Phloem der Blattadern und entlang des Stammes zeigte sich die stärkste Transkriptakkumulation in den Geleitzellen. Dies ist ein Hinweis auf eine Beteiligung der Transporter an der Sulfataufnahme ins Phloem. Die ausschließliche Expression von PtaSULTR1;1 im Phloem der Blattadern höherer Ordnung deutet darauf hin, dass die Beladung des Phloems mit Sulfat in den Blättern für den Langstreckentransport zu den Sink-Geweben vornehmlich durch PtaSULTR1,1 realisiert wird. Damit wurden in dieser Arbeit erstmals zwei Phloem-spezifische Sulfattransporter in einer Pflanzenart nachgewiesen, welche mit großer Wahrscheinlich an der Verteilung von Sulfat von ’source’ zu ’sink’ Geweben beteiligt sind.

Um die Regulation der Sulfatverteilung aufgrund der Nährstoffverhältnisse zu untersuchen, wurden Populus tremula x P. alba Bäume unter Schwefelmangel Bedingungen angezogen. Während die Expression des Phloem-spezifischen Sulfattransporters PtaSULTR1;1 in Rinde und Blattader anstieg, nahm die Sulfatkonzentration in diesen Geweben ab. Der gleichzeitige Anstieg der mRNA potentieller vacuolärer Sulfatefflux-Transporter aus Gruppe 4 in der Rinde und zusätzlich im Holz unterstützt die Annahme, dass Sulfat aus den Vacuolen der Speichegewebe mobilisiert wird. Hingegen zeigte PtaSULTR3;3a keine Expressions-unterschiede durch Sulfatmangel, was auf einen offensichtlichen Unterschied in der Regulation der beiden Phloem-spezifischen Sulfattransporter schließen lässt.

Um die saisonale Expression der Phloem-spezifischen Sulfattransporter und der potentiellen Vacuolen-Effluxtransporter zu untersuchen, wurden von August 2006 bis September 2007 Proben von Populus tremula x P. alba Bäumen untersucht, die im Freiland wuchsen. Im Herbst erfolgte eine Akkumulation von Sulfat in der Rinde während die Expression von PtaSULTR1;1 in welken Blättern anstieg. Da PtaSULTR1;1 im Phloem der feinen Blattadern vorliegt, deutet dessen transkriptioneller Anstieg während der Blatt-Seneszens auf eine Beladung des Phloems mit Sulfat hin. Im Frühling stieg der Transkriptgehalt des potentiellen Vacuolen-Effluxtransporters PtaSULTR4;2 und der beiden Phloem-spezifischen Sulfattransporter in der Rinde an. Die gesteigerte Expression und der gleichzeitige Sulfatverlust in der Rinde weisen auf eine Sulfatmobilisierung und Beladung des Phloems in der Rinde hin während im Frühjahr die Blätter austreiben. Statistische Analysen zeigten, dass die Transkriptakkumulation eines Phloem-spezifischen und eines potentiell vacuolären Sulfattransporters negativ mit der Sulfatmenge in der Rinde korreliert und ein saisonaler Einfluss von Temperatur und Tageslänge vorliegt. Dies zeigt, dass die saisonale Sulfatverteilung innerhalb der Pappel auf der transkriptionellen Ebene der Sulfattransporter reguliert wird.


SWD-Schlagwörter: Phloëm , Genexpression , Pappel , Stofftransport <Biologie>
Freie Schlagwörter (deutsch): Sulfattransporter , Populus tremula x alba , saisonale Einflüsse
Freie Schlagwörter (englisch): sulfate transporter genes , poplar , phloem , seasonal expression
Institut: Institut für Forstbotanik und Baumphysiologie
Fakultät: Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften
DDC-Sachgruppe: Land- und Forstwirtschaft, Veterinärmedizin
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Herschbach, Cornelia (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 01.07.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 25.09.2009
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