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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-80010
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8001/


Honsel, Anne

Characterization of early responses to sulfur deficiency treatment in poplar (Populus temula x Populus alba)

Charakterisierung früher Reaktionen auf Schwefelmangelbehandlung in der Pappel (Populus tremula x Populus alba)

Dokument1.pdf (4.936 KB) (md5sum: d155f1d939a4c4740bd8fb049722a4e8)

Kurzfassung in Englisch

Sulfur is one of the six macronutrients which are essential for plant growth and development. The primary sulfur source for plants is sulfate in the soil taken up by the roots. It is either stored in the vacuoles of cells or it is reduced and assimilated to form the amino acid cysteine which is the precursor for other sulfur-containing metabolites. Sulfate reduction and assimilation takes mainly place in the leaves and only to a lesser extend in roots. The aim of the present work was to characterize regulation of sulfur metabolism in poplar (Populus tremula x P. alba) under reduced sulfate supply at the transcriptional and metabolite level. A special focus was set on early changes in response to sulfur deprivation and on the role of plant hormones and microRNAs in regulation of sulfur deficiency in poplar.

Five different experiments were performed to optimize the conditions with respect to the analysis of early changes to sulfur deficiency. The transcript levels of different sulfate transporters and of the first enzymes of sulfate assimilation, i.e. ATP sulfurylase (ATPS) and APS reductase (APR), including sulfite oxidase (SO) were analyzed as well as thiol and sugar concentrations. In two of the five experiments,
plant hormone contents were measured. The analyses were performed on a tissue-specific level with fine roots and leaves of different developmental stages. To specifically address the question of longdistance transport, thiols, sugar and plant hormone concentrations were analyzed in xylem sap and phloem exudates.

According to the degree of decrease of the sulfate content within the tissues, two different phases to reduced sulfate supply were distinguished - a first phase of sulfate limitation and a second phase of early sulfate deficiency. Both are characterized by general responses observed in all tissues and by tissue-specific responses. In developing tissues like young leaves, the responses to the reduced sulfate supply seem to be overlaid by developmental processes.
The first genes reacting to sulfate limitation were PtaSULTR1;2, responsible for sulfate uptake from the soil, and PtaAPR, a regulatory step in sulfate reduction, indicating an improvement of sulfate uptake and sulfate reduction capacities under sulfur limitation. Furthermore, transcript levels of the vacuolar sulfate transporter PtaSULTR4;2 increased in all tissues during sulfate limitation pointing to an enhanced
mobilization of sulfate out of the vacuole. Early sulfate deficiency was characterized in all tissues by increasing mRNA levels of PtaSULTR1;1. This sulfate transporter is involved in phloem loading but might have also a function in unloading of sulfate from the xylem. Its increasing expression indicates that the importance of a whole plant regulation increases during early sulfate deficiency. It was accompanied by a shift to a more oxidized redox state of glutathione which can be used as indicator for stress in plant tissues. The total content of glutathione decreased in all tissues, but in different phases; it was reduced in phloem exudates during early sulfate deficiency consistent with its putative role as long-distance signal in the phloem. Sucrose contents increased in leaf tissues whereas glucose and fructose contents decreased during early sulfate deficiency. Parallel the concentrations of all three sugars increased in phloem exudates. Therefore, also these sugars are proposed to play a role in regulating sulfur metabolism of poplar at the tissue and at the whole plant level. In the xylem, only the sulfate concentration could constitute a long-distance signaling upon early sulfate deficiency in poplar.
The contents of dihydrozeatins, a group of cytokinins, increased in all tissues indicating a general role in balancing sulfur metabolism of poplar under reduced sulfate supply. In contrast, a decrease of auxin and abscisic acid concentrations was observed, but only in leaf tissues, indicating that these plant hormones are involved in regulation of sulfur metabolism in a leaf-specific manner.
Using bioinformatical approaches, PtaATPS3 and PtaATPS4 were predicted to be post-transcriptionally regulated by pta-miR395. During early sulfate deficiency, the transcript levels of PtaATPS3/4 decreased in leaf tissues accompanied by increasing expression of pta-miR395. This inverse regulation corroborates that the predicted post-transcriptional regulation of PtaATPS3 and PtaATPS4 takes place in planta.


Kurzfassung in Deutsch

Schwefel ist eines von sechs Makronährelementen, die für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen essentiell sind. Pflanzen nehmen Schwefel hauptsächlich in Form von Sulfat aus dem Boden über die Wurzeln auf. Das aufgenommene Sulfat wird entweder in den Vakuolen der Zellen gespeichert oder es wird reduziert und zum Aufbau der Aminosäure Cystein verwendet, die Ausgangsstoff für die Bildung weiterer Schwefelverbindungen ist. Sulfat-Reduktion und -Assimilation findet hauptsächlich in
den Blättern statt und in geringerem Ausmaß in den Wurzeln. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Regulation des Schwefelkreislaufes in der Pappel (Populus tremula x P. alba) unter dem Einfluss reduzierter Schwefelverfügbarkeit auf transkriptioneller und auf Metabolit-Ebene zu charakterisieren. Der Schwerpunkt wurde dabei auf frühe Reaktionen auf Schwefelmangel und auf die Untersuchung der Rolle von Pflanzenhormonen und microRNAs gelegt.

Fünf verschiedene Experimente wurden durchgeführt, in denen die Bedingungen hinsichtlich der Analyse früher Änderungen aufgrund der reduzierten Sulfatverfügbarkeit optimiert wurden. Die Transkript- Gehalte von verschiedenen Sulfattransportern (SULTR) und von den ersten Enzymen der Sulfat-Assimilation,
d.h. ATP-Sulfurylase (ATPS) und APS-Reduktase (APR), einschließlich der Sulfit-Oxidase
(SO) wurden analysiert und der Thiol- und Zuckergehalt gemessen. In zwei von den fünf Experimenten wurden zusätzlich die Konzentrationen von Pflanzenhormonen bestimmt. Die Analysen wurden auf Gewebe-Ebene durchgeführt mit Feinwurzeln und Blättern unterschiedlicher Entwicklungsstadien. Um die Beteiligung von Thiolen, Zuckern und Pflanzenhormonen an einem Lang-Strecken-Transport zwischen Wurzel und Blatt zu untersuchen, wurden zusätzlich Phloemexsudate und Xylemsaft analysiert.

Entsprechend der Stärke der Abnahme des Sulfatgehaltes in den Geweben wurden zwei Phasen unterschieden - eine erste Phase der Sulfatlimitierung and eine zweite Phase des frühen Sulfatmangels. Beide Phasen sind charakterisiert durch generelle Reaktionen, die in allen Geweben beobachtet wurden, und durch Gewebe-spezifische Reaktionen. Es scheint, dass die durch die reduzierte Sulfatverfügbarkeit induzierten Reaktionen in sich entwickelnden Geweben wie jungen Blättern überlagert wurden durch Entwicklungsprozesse.
Als erste Reaktion auf Sulfatlimitierung wurden ansteigende Transkript-Gehalte des für die Sulfataufnahme aus dem Boden verantwortlichen Sulfattransporters PtaSULTR1;2 und von PtaAPR beobachtet. Dies deutet auf eine Optimierung der Kapazitäten der Sulfataufnahme und -Reduktion unter Bedingungen der Sulfatlimitierung hin. Außerdem wurde die Expression des vakuolären Sulfattransporters PtaSULTR4;2 in der Phase der Sulfatlimitierung in allen Geweben hochreguliert, was ein Hinweis auf eine verstärkte Mobilisierung von Sulfat aus der Vakuole ist.
Früher Sulfatmangel war in allen Geweben gekennzeichnet durch ansteigende mRNA-Gehalte von PtaSULTR1;1. Dieser Sulfattransporter ist an der Beladung des Phloems mit Sulfat beteiligt, aber hat möglicherweise auch eine Funktion bei der Entladung von Sulfat aus dem Xylem. Seine verstärkte Expression deutet auf eine zunehmende Bedeutung der Regulation auf Ebene der ganzen Pflanze unter Bedingungen des frühen Sulfatmangels hin. Es war in allen Geweben begleitet von einer Verschiebung zu einem stärker oxidierten Redoxstatus von Glutathion, der als Stress-Indikator in pflanzlichen Geweben herangezogen werden kann. Die Gesamtkonzentration von Glutathion nahm in
allen Geweben jedoch in unterschiedlichen Phasen ab. Sie war außerdem in Phloemexsudaten in der Phase des frühen Schwefelmangels reduziert, was auf eine mögliche Rolle von Glutathion als Signal im Langstrecken-Transport im Phloem hinweist. Die Konzentration von Saccharose nimmt in Blättern in der Phase des frühen Sulfatmangels zu, wohingegen Glukose- and Fruktose-Konzentrationen abnehmen.
Parallel dazu stieg der Gehalt aller drei Zucker in Phloemexsudaten an. Zucker scheinen
daher auch eine Rolle in der Regulation des Schwefelkreislaufes der Pappel auf Gewebeebene und auf Ebene der gesamten Pflanze zu spielen. Im Xylem konnte nur die Sulfatkonzentration als mögliches Langstrecken-Signal unter Bedingungen des frühen Sulfatmangels identifiziert werden.
Die Konzentration von Dihydrozeatinen, einer Gruppe von Cytokininen, nahm in allen Geweben aufgrund der reduzierten Sulfatverfügbarkeit zu. Dies deutet auf eine generelle Rolle von Cytokininen in der Regulation des Schwefelkreislaufes hin. Im Gegensatz dazu wurden abnehmende Konzentrationen von Auxin und Abscisinsäure beobachtet, jedoch nur in den Blattgeweben. Diese Pflanzenhormone scheinen daher eine Blatt-spezifische Aufgabe bei der Regulation des Schwefelkreislaufes in der Pappel
zu erfüllen.
Mithilfe von bioinformatischen Methoden wurden PtaATPS3 und PtaATPS4 als potentielle Zielgene einer post-transkriptionellen Regulation durch die microRNA pta-miR395 identifiziert. Unter frühem Sulfatmangel nahmen die Transkript-Gehalte von PtaATPS3/4 in den Blattgeweben ab, während gleichzeitig die Expression von pta-miR395 zunahm. Diese inverse Regulation ist ein Hinweis darauf, dass die vorhergesagte post-transkriptionelle Regulation von PtaATPS3 and PtaATPS4 tatsächlich in der
Pflanze stattfindet.


SWD-Schlagwörter: Schwefelmangel , Schwefelstoffwechsel , Pappel , Genexpression
Freie Schlagwörter (deutsch): Sulfattransporter
Freie Schlagwörter (englisch): sulfur deficiency , sulfur metabolism , poplar , genexpression , sulfate transporter
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: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 01.12.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 15.03.2011
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