Der Citratzyklus (TCA) ist einer der bedeutendsten Stoffwechselwege für alle lebenden Organismen. Trotz der zentralen Rolle dieses Prozesses im Pflanzenmetabolismus ist er nur relativ wenig untersucht worden. In dieser Arbeit berichte ich über die Produktion und die funktionale Analyse von Tomatenpflanzen (Solanum lycopersicum), die unabhängig eine leicht eingeschränkte Aktivität der mitochondrialen Citrat-Synthase (CS) und zweier Isocitrat-dehydrogenasen (mitochondriale NAD-IDH und cytosolische NADP-ICDH) zeigen. Die transgene Pflanzen wiesen mehrheitlich keine erkennbare Veränderung eines Wachstumphänotyps auf. Obwohl die photosyntetische Leistung keine Änderungen gezeigt hatte, war die mitochondriale Respiration gestiegen, begleitet von einem reduzierten Kohlenstoff-fluss durch den Citratzyklus. Darüber hinaus waren die CS Pflanzen charakterisiert durch wesentliche Änderungen im Blattmetabolismus, einschließlich eines eingeschränkten Niveaus des photosynthetischen Pigments und Zwischenprodukten des Citratzyklus zusammen mit einer Akkumulation von Nitraten, verschiedenen Aminosäuren und Stärken. Zusammengefasst deuten diese Ergebnisse auf eine Einschränkung der Nitrat-Aufnahme hin. Das mit Hilfe von TOM1 Mikroarrays und quantitativer RT-PCR durchgeführte Transcript-profiling hat gezeigt, dass die fehlende Aktivität der mitochondrialen CS teilweise von einer gestiegenen, peroxisomalen CS Isoform ausgeglichen wird. Die metabolische Verschiebung ergab eine Verstärkung der photorespiratorischen Leistung, die vermutlich eine ausgleichende Rolle in der Produktion organischer Säuren und der Wiederherstellung der Redox-Balance spielt. Interessantenweise war die metabolische Antwort von Blättern auf Stickstoffmangel in NADP-ICDH Pflanzen dramatischer als in NAD-IDH Pflanzen, was darauf hindeutet, dass die cytosolische Isoform der Hauptlieferant von 2-Oxoglutarat im Tomatenmetabolismus sein könnte. / Although the TCA cycle is a respiratory metabolic pathway of central importance for all living organisms, relatively few molecular physiological studies of plants were performed to date. Here, I report the generation and functional analysis of tomato plants (Solanum lycopersicum) independently displaying mildly limited activity of mitochondrial citrate synthase (CS) and two isocitrate dehydrogenases, namely mitochondrial NAD-IDH and cytosolic NADP-ICDH. The transgenic plants revealed minor phenotypic alterations. Although the leaf photosynthetic performance was largely unaltered, the changes in mitochondrial respiration and carbon flux through the TCA cycle were observed. Moreover, the plants were characterized by significant modifications in the leaf metabolic content and in maximal catalytic activities of several enzymes involved in primary C and N metabolism. These results hint towards limitations in nitrate assimilation pathway. The transcript profiling performed by utilizing TOM1 microarrays and quantitative RT-PCR approach revealed that the deficiency in mitochondrial CS activity was partially compensated by up-regulation of peroxisomal CS isoform. The limitations in the activities of isocitrate dehydrogenases resulted in up-regulation of the photorespiratory pathway, which presumably played a compensatory role in supporting organic acid production and re-establishing redox balance in the transgenic leaves. Interestingly, the leaf metabolic response towards nitrogen starvation conditions was far more dramatic in NADP-ICDH transgenic plants than NAD-IDH plants, hinting that the cytosolic isoform may be the major 2-oxoglutarate supplier in tomato metabolism.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erweiterung des etablierten Stu-dienmodells Xenopus laevis zur Untersuchung der Wirkung von endocrine disruptors auf die Reproduktionsbiologie von Amphibien. Um einen Einblick in die grundlegenden Mechanismen der sexuellen Differenzierung von Amphibien zu gewinnen, wurden die Konzentrationen bestimmt, mit denen androgene und estrogene Sexualsteroide während der larvalen Entwicklung in verschiedenen Stadien von Xenopus vorliegen. Parallel wurde das Auftreten der korrespondierenden Rezeptoren im Verlauf der Entwicklung untersucht, über welche die hormonelle Wirkung vermittelt wird. Auf der Basis der gewonnenen Erkenntnisse konnte eine neue Hypothese zur sexuellen Differenzierung von Amphibien entwickelt und vorgestellt werden. Sie stellt das Enzym 5alpha-Reduktase, das die Umwandlung von Testosteron in das potentere und nicht weiter aromatisierbare Androgen Dihydrotestosteron (DHT) bewerkstelligt, in den Mittelpunkt des Prozesses der Geschlechtsdifferenzierung. Abhängig von der genetisch bedingten Expression dieses Enzyms kommt es zu einem höheren oder niedrigeren Auftreten des DHT und damit zu Unterschieden im Verhältnis von DHT zu Estradiol (E2). Der Charakter dieses Verhältnisses scheint der entscheidende Auslöser für die Entwicklung eines weiblichen oder männlichen Phänotyps zu sein. In einem zweiten, anwendungsorientierten Teil wurde untersucht, in wie weit die bislang auf Laboruntersuchungen beschränkte Arbeit mit X. laevis auf Feldstudien erweiterbar ist und ob sich auf diese Weise gewonnene Daten auf die Situation heimischer Amphibien übertragen lassen. Parallele Expositionen des Krallenfrosches einerseits und des Grasfrosches (Rana temporaria) andererseits gegenüber realen Medien unter Freilandbedingungen bestätigten die hervorragende Eignung des Studienmodells X.laevis zur Beurteilung endokriner Belastungssituationen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass sich durch die Verwendung von Festphasenextrakten die endokrinen Wirkungen komplexer Matrizes unter standardisierten Laborbedingungen charakterisieren lassen. Rezeptorbindungsstudien sowie Untersuchungen zur Genexpression spezifischer Marker, histologische Betrachtungen von Gonadengewebe und die Bestimmung von Geschlechterverhältnissen ermöglichten Aussagen auf vielfältigen Nachweisebenen. Auf diese Weise konnte das Potenzial, mit dem Proben jeder Art, sowohl durch kurz- als auch durch langfristige Exposition, adverse Effekte auf das amphibische Hormonsystem hervorrufen können, umfassend und differenziert analysiert werden. / The presented work aims to contribute to the various opportunities of studying the effects of endocrine disruption on sexual differentiation in amphibians provided by the well established model Xenopus laevis. In order to gain insight into the basic mechanisms underlying the sexual differentiation in amphibians, the concentrations of androgen and estrogen sexual steroids during several stages of the larval development of Xenopus were determined. In parallel, the ocurrence of the corresponding receptors, which mediate the effects of the respective hormones, was observed. Based on the results of the studies described, a new hypothesis regarding sexual differentiation in amphibians is presented, which assignes the enzyme 5alpha-reductase as the central element of sexual development. This enzyme converts the androgen testosterone into dihydrotestosterone, which can not be aromatized into estradiol. Depending on the genetic sex of the indivual, genexpression of 5a-reductase may differ and therefore lead to a characteristic ratio of androgens and estrogens. We suggest, that this ratio might be the essential trigger for amphibians to develop into a male or a female. A second part aimed to enlarge the Xenopus model to the use in field studies and to proof the transferability of such data to the situation of endemic amphibians. Exposure in parallel of Xenopus on one hand and the green frog Rana temporaria on the other to the effluent of a bavarian wastewater treatment plant revealed the exceeding suitability of the model to asess the endocrine charge of the environment. Furthermore, the use of solid phase extracts derived from natural samples allowed the characterization of the respective endocrine potential under standardized laboratory conditions. Rezeptor binding studies, detection of genexpression of specific biomarkers, histological examination of gonadal tissue and the determination of sex ratios provided the evaluation of effects on several levels of investigation. By this means the Xenopus model offers the opportunity to assess the ability of any kind of sample to cause endocrine impacts on amphibians after short time as well as after long time exposure in a broad and at the same time differentiated way.

Zusammenfassung Transgene Tabakpflanzen, in denen wegen der Expression von Antisense-RNA für zwei Enzyme der Tetrapyrrolbiosynthese die Aktivität der Uroporphyrinogen-Decarboxylase bzw. Coproporphyrinogen-Oxidase vermindert ist, akkumulieren in starkem Ausmaß die Substrate der betroffenen Enzyme. Diese Porphyrinogene werden bei Anwesenheit von Sauerstoff autoxidativ oder durch unspezifische Peroxidasen in ihre photosensibilisierenden Derivate (Porphyrine) umgewandelt, welche die Ursache für zelluläre Schäden darstellen, die sich makroskopisch in Form von Blattläsionen zeigen. Im Verlauf der durch die angehäuften Porphyrine ausgelösten Reaktionen, die u.a. den Folgen der Behandlung von Pflanzen mit photodynamisch wirksamen Herbiziden und auch den Symptomen von Porphyria-Erkrankungen des Menschen ähneln, werden Membranlipide durch Peroxidation geschädigt und alle lichtexponierten Zellen massivem oxidativem Streß ausgesetzt. Dieser läßt sich anhand der kompartiment-übergreifenden und alle Ebenen der Expression umfassenden Aktivierung des antioxidativen Schutzsystems belegen. So können die Transkriptakkumulation und verstärkte Anhäufung der Proteine sowie der damit verbundene Anstieg der Aktivität von Superoxid-Dismutase und Ascorbat-Peroxidase nachgewiesen werden. Die erhöhte Aktivität der Schutzenzyme führt zu beschleunigtem Umsatz und größerem Bedarf an niedermolekularen Antioxidantien wie Ascorbat und Tocopherol. Gleichzeitig kommt es lokal beschränkt auf Blattgewebe in der Umgebung von Nekrosen zur Kreuzinduktion von pathogenese-assoziierten Prozessen, wie der Akkumulation von "pathogenesis related" (PR)-Proteinen, von Salicylsäure und der antimikrobiell wirksamen phenolischen Verbindung Scopolin. Diese Aktivierung der Pathogenabwehr wird durch die verminderte Ausbreitung einer Infektion der Pflanzen mit dem Tabak Mosaikvirus (TMV) widergespiegelt. Der Prozeß der Photosensibilisierung ist stark licht- und sauerstoffabhängig und wird außerdem durch erhöhte Temperaturen beschleunigt. Wird eine bestimmte Lichtdosis überschritten, werden die Porphyrine durch die dann rasch irreversibel geschädigten Plastiden freigesetzt, und es kommt wegen des nachfolgenden Absterbens von Gewebe zur Ausbildung der Blattläsionen. Dieser Effekt wurde ausgenutzt, um die Kinetik von Prozessen der antioxidativen und Pathogenabwehr in den Pflanzen zu untersuchen. Mittels Subtraktiver Suppressions-Hybridisierung (SSH) wurde eine subtrahierte cDNA-Bank angelegt, in der Gene vertreten sind, deren Expression bereits sehr früh als Reaktion auf die Photosensibilisierung induziert wird. Unter diesen Genen sind auch vermutete Komponenten von Signaltransduktionskaskaden einschließlich Transkriptionsfaktoren. Etwas überraschend war die Erkenntnis, daß vor allem pathogenese- und zelltod-assoziierte Prozesse frühzeitig aktiviert werden, die klassischen Enzyme der antioxidativen Streßabwehr aber erst später reagieren. Bei letzteren kommt es vor Veränderungen in der Expression zuerst zu einem Anstieg der Aktivität, der sich in verändertem Gehalt und Redoxstatus der niedermolekularen Antioxidantien niederschlägt. Insgesamt stellt sich die durch Antisense-Expression verursachte Deregulation der Tetrapyrrolbiosynthese und die daraus resultierende Photosensibilisierung als komplexes System dar, in dem antioxidative und Pathogenabwehr kreuzinduziert werden und welches als Modell zur Aufklärung von Mechanismen der Streßabwehr wertvolle Aussagen liefert. / Abstract Transgenic tobacco plants expressing antisense RNA for two enzymes of the tetrapyrrole biosynthetic pathway are characterized by decreased enzyme activity of either uroporphyrinogen decarboxylase or coproporphyrinogen oxidase and accumulate the substrates of these enzymes in large amounts. If oxygen is present the accumulated porphyrinogens are transformed either by autoxidation or unspecific peroxidases into their photosensitizing derivatives (porphyrins). They are the molecular basis for cellular damage which eventually becomes visible as leaf lesions. During photosensitization membrane lipids are damaged due to peroxidation reactions and most of the symptoms observed are similar to the effects caused by the treatment of plants with photodynamic herbicides, or resemble the characteristics of porphyria diseases in human. These plants suffer from oxidative stress which is concluded from the general and intercompartimental activation of the antioxidative stress defense system. Transcripts and proteins of superoxide dismutase and ascorbate peroxidase accumulate and the corresponding enzyme activities are increased. This increase leads to accelerated turnover and enhanced demand of low molecular weight antioxidants like ascorbate and tocopherol. Simultaneously, cross induction of pathogenesis-related responses is observed in the plants, like the accumulation of PR proteins, salicylic acid and the antimicrobial phenolic compound scopolin. The activation of the pathogen defense system leads to restricted spread of Tobacco Mosaic Virus (TMV) infection in the transgenic plants. Photosensitization strongly depends on light and oxygen and is enhanced by elevated temperature. Porphyrins are only released from rapidly damaged plastids into other cellular compartments if a certain light dose is exceeded. Then cell death commences and dead tissue becomes visible as leaf lesions. This light dosage effect was exploited to investigate the kinetics of antioxidative and pathogen defense responses upon light shift. By the use of Suppression Subtractive Hybridization (SSH) a subtracted cDNA library was established that contains genes which are early induced in response to photosensitization. The library also contains putative components of signal transduction chains and transcription factors. Unexpectedly, the expression of genes related to pathogenesis and cell death is rather early induced while the cellular antioxidative stress defense system responds later. The activity of antioxidative enzymes is increased before changes in transcript or protein accumulation occur, resulting in changes of content and redox ratio of low molecular weight antioxidants. In summary, photosensitization caused by the expression of antisense RNA and resulting in the deregulation of tetrapyrrole biosynthesis is a complex model system in which antioxidative and pathogen defense responses are induced. The approach can be used to further elucidate mechanisms of stress response.

In der vorliegenden Arbeit wurden Experimente zur pflanzlichen Eisenassimilation durchgeführt. Zwei cDNAs aus Tomatenwurzeln (LeIRT1 und LeIRT2, GenBank Acc-Nr. AF176579 und AF176580) wurden isoliert. Sie komplementierten Fe-aufnahmedefiziente Hefestämme in Bezug auf das Wachstum auf Fe-limitierendem Medium. Die durch die LeIRT-Proteine vermittelte Fe-Aufnahme wurde in Hefezellen charakterisiert. Sie war temperaturabhängig, sättigbar und Fe2+, nicht Fe3+ wurde transportiert. Kompetitions- und Komplementationsexperimente mit metall-aufnahmedefizienten Hefemutanten legten die Vermutung nahe, daß die beiden cDNAs für Kationentransporter codieren, die eine breite Substratspezifität für Übergangsmetalle aufweisen. Die Transkripte der LeIRT-Gene konnten fast ausschließlich in Wurzeln nachgewiesen werden, wobei LeIRT1 durch Fe-Mangel induziert war, während für LeIRT2 keine Regulation durch die Fe-Ernährung der Pflanzen erkennbar war. Die Genstruktur wurde aufgeklärt (GenBank Acc-Nr. AF246266). Schwierigkeiten in der Analyse der Fe-Assimilation höherer Pflanzen machten es notwendig, einen neuen Modellorganismus zu suchen. Dabei wurde die einzellige Alge Chlamydomonas reinhardtii ausgewählt. Physiologische Studien zeigten, daß diese Alge ähnliche Fe-Mangelreaktionen wie die meisten höheren Pflanzen aufweist. Insbesondere die starke Induktion einer Fe3+-Chelatreduktase und die parallele Induktion der Fe-Transportkapazität unter Fe-Mangel waren deutlich. Mindestens zwei Fe-Transportsysteme wurden postuliert, von denen das höheraffine durch Cu-Ionen gehemmt wurde. / In the present study, experiments were conducted to analyze the iron assimilation in plants. Two cDNAs from tomato roots (LeIRT1 and LeIRT2, GenBank Acc-Nr. AF176579 and AF176580) were isolated that complemented the growth defect of Fe uptake-deficient yeast mutants. The Fe uptake mediated by the LeIRT proteins was characterized in yeast. It was temperature-dependent, saturable and Fe2+ rather than Fe3+ was transported. Competition and complementation experiments with metal uptake-deficient yeast mutants suggested that both cDNAs code for cation transporters exhibiting broad substrate specificity for transition metals. The transcripts of both genes were predominantly detected in roots, LeIRT1 being induced by Fe deficiency whereas LeIRT2 was unaffected by the Fe status of the plants. The gene structure was determined (GenBank Acc-Nr. AF246266). Problems in the analysis of Fe assimilation in higher plants made it necessary to establish a new model organism. The unicellular eucaryotic alga, Chlamydomonas reinhardtii, was chosen. Physiological studies indicated that this alga reacted to Fe deficiency similar to most higher plants. Particularly the strong induction of an Fe3+-chelate reductase paralleled by the induction of Fe transport capacitiy under Fe deficiency were evident. At least two Fe transporters were postulated, one of which was inhibited by Cu ions.

Licht und Pflanzenhormone sind essentiell für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen. Es ist nur wenig darüber bekannt, wie sie die Transkription organellärer Gene beeinflussen. In Arabidopsis thaliana gibt es drei kernkodierte Phagentyp-RNA-Polymerasen (RpoT), welche für die organelläre Transkription verantwortlich sind. Diese werden in die Plastiden (RpoTp), die Mitochondrien (RpoTm) oder zu beiden Organellen (RpoTmp) transportiert. Neben den beiden kernkodierten RNA-Polymerasen (NEP) existiert in den Plastiden eine plastidärkodierte RNA-Polymerase (PEP), welche zusätzliche Sigmafaktoren zur Promotererkennung benötigt. Um die Lichtabhängigkeit der Expression der RpoT Gene sowie NEP-transkribierter Chloroplastengene zu analysieren, wurde die Akkumulation von RpoT- und rpoB-Transkripten in 7-Tage alten Keimlingen unter verschiedenen Lichtbedingungen mittels quantitativer real-time PCR untersucht. Die Änderungen in der Transkriptakkumulation deuten darauf hin, dass rote, blaue und grüne Wellenlängen die Expression der drei RpoT Gene unterschiedlich stark stimulieren. Untersuchungen an verschiedenen Lichtrezeptor-Mutanten zeigten, dass die Lichtinduktion der RpoT Genexpression überaus komplex ist und ein interagierendes Netzwerk aus multiplen Rezeptoren und Transkriptionsfaktoren an der Signalweiterleitung beteiligt ist. Das Phytohormon Cytokinin wird durch Histidin Kinase Rezeptoren (AHK) detektiert. Es gibt drei unterschiedliche Rezeptoren: AHK2, AHK3 und AHK4. Diese sind Teil eines Zwei-Komponenten-Systems, welches Signale mit Hilfe einer Phosphorylierungskette überträgt. Der Einfluss von Cytokinin auf die plastidäre Transkription wurde mit Hilfe von Cytokininrezeptor-Mutanten untersucht, um die Funktion von AHK2, AHK3 und AHK4 zu analysieren. Um weitere Informationen darüber zu erhalten, wie die plastidäre Transkription durch PEP mittels Cytokinin reguliert wird, wurden die Hormoneffekte auf die plastidäre Transkription in Sigmafaktor-Mutanten untersucht. / Light and plant hormones are essential for plant growth and development. Only little information is available about how these signals influence the transcription of organellar genes. Arabidopsis thaliana possesses three nuclear-encoded phage-type RNA polymerases (RpoT) for organellar transcription. They are imported into plastids (RpoTp), mitochondria (RpoTm), or into both organelles (RpoTmp). Besides the two nuclear-encoded plastid polymerases (NEP), plastids contain an additional plastid-encoded RNA polymerase (PEP), which needs additional sigma factors for promoter recognition. Interested in the expression of RpoT genes and NEP-transcribed plastid genes in response to light we analyzed transcript levels of RpoT and rpoB genes in 7-day-old wild-type plants under different light conditions by quantitative real-time-PCR. The observed changes in transcript accumulation indicated that red, blue, and green light differentially stimulated the expression of all three RpoT genes. Further analyses using different photoreceptor mutants showed that light induction of RpoT gene expression is surprisingly complex based on a network of multiple photoreceptors an d downstream pathways. Cytokinin signals are perceived by the histidine kinase (AHK) receptor family. There exist three different membrane-bound receptors: AHK2, AHK3 and AHK4/CRE1. These receptors are part of a two-component signaling system which transfers signals via phosphorelay mechanisms. Interested in the potential role of AHK2, AHK3 and AHK4/CRE1 in the transduction of cytokinin signals into the chloroplast, we analyzed the influence of cytokinin on plastidial transcription in receptor mutants. To gain more information on how plastid transcription by PEP is regulated by cytokinin, the influence of cytokinin in sigma factor mutants was also studied.

In Pflanzen spielen Anpassungsprozesse als Reaktion auf die Umwelt eine zentrale Rolle, so z. B. auf der Ebene der Photosynthese und des Wachstums. Einer der wichtigsten Faktoren, die das Wachstumsverhalten beeinflussen, ist die Lichtverfügbarkeit und -verwertung. In vorliegender Arbeit galt es, die Auswirkung von Licht- und Chlorophyll (Chl)-Mangel auf verschiedene pflanzliche Prozesse zu untersuchen. Dabei standen folgende Fragen im Mittelpunkt: (1) Welche Konsequenzen haben ein reduziertes Anzuchtlichtangebot sowie eine limitierte Chl-Biosynthese für Photosynthese, Wachstum und Entwicklung von Tabakpflanzen? (2) Welche Bedeutung kommt dabei dem Energiestoffwechsel zu? (3) Welche regulativen Prozesse und Mechanismen spielen hierbei eine Rolle? Dazu wurden untransformierte Pflanzen von Tabak (Nicotiana tabacum L.) sowie 3 transgene Linien mit einem antisense-Konstrukt von Glutamat-1-Semialdehyd- Aminotransferase, einem Enzym der Chl-Biosynthese, entweder unter 300 oder 30 µmol Quanten m-2 s-1 photosynthetisch aktiver Strahlung angezogen. Es erfolgten Messungen zur morphometrischen Charakterisierung der Pflanzen, zur Lichtabsorption und zum CO2-/H2O-Gaswechsel der Blätter sowie Bestimmungen der Blattgehalte an Chl, Stärke, Zuckern, Kohlen- und Stickstoff sowie löslichem Protein, desweiteren der Mengen an Adenylaten und Pyridinnucleotiden sowie der NADP+-MDH-Aktivität. Ausserdem wurden licht- und elektronenmikroskopische Untersuchungen von Blättern und Chloroplasten durchgeführt. (1) Lichtmangel während der Anzucht sowie eine eingeschränkte Chl-Bildung hatten ein verringertes Absorptionsvermögen der Blätter zur Folge, was zur Reduzierung von Elektronentransport-, CO2-Aufnahme-, Photorespirations- und Dunkelatmungsraten führte. Dementsprechend zeigten diese Pflanzen eine verringerte Biomassebildung und -akkumulation und letztendlich eine Einschränkung von Wachstums- und Entwicklungsprozessen. (2) Die Ergebnisse zum Energie- und Reduktionsstatus zeigten, dass eine verminderte Bereitstellung von ATP und NADPH+H+ infolge des verringerten Absorptionsvermögens nicht vordergründig für die verringerten Stoffwechsel- und Wachstumsraten in den Licht- und Chl-Mangelpflanzen verantwortlich war. Vielmehr ergab sich dadurch langfristig via feedforward-Kontrolle eine down-Regulation von Energie-und Reduktionsequivalente-verbrauchenden Prozessen, um letztendlich ein energetisches Gleichgewicht zu sichern. (3) Eine ständige Anpassung an die vorherrschenden Anzuchtbedingungen und damit die langfristige Erhaltung der Homöostase ist grundlegende Überlebensstrategie der Pflanzen. Unter Bedingungen, die einen Energiemangel zur Folge haben - wie z. B. Licht- und Chl-Mangel -, treten regulative und kompensatorische Prozesse in Kraft, die die Wirkung des limitierenden Faktors auf die pflanzlichen Proz esse mit steigender Hierarchieebene abschwächen und somit der Optimierung des Energie- und Substratflusses in Richtung Wachstum, Entwicklung und Reproduktion dienen. Im Zusammenhang damit werden mögliche wirkende Kompensationsmechanismen diskutiert und unter anderem ein sogenanntes overflow-Modell vorgestellt. / In plants acclimation processes occur in response to changes of environmental factors e. g. at the level of photosynthesi s and growth. One of the most important factors affecting growth pattern of plants is the light availability and light utilization. The aim of the present work was to determine the effects of light and chlorophyll (chl) deficiency on several plant processes. The questions were: (1) What are the consequences of a reduced supply of growth light and a limited chl biosynthesis for photosynthesis, growth and development of tobacco plants? (2) What is thereby the significance of the energy and redox equivalents? (3) What kind of regulatory processes and mechanisms can be involved? Untransformed plants of tobacco (Nicotiana tabacum L.) and 3 transgenic lines with an antisense construct for glutamate-1-semialdehyde aminotransferase, an enzyme of the chl biosynthesis pathway, were grown under 300 or 30 µmol quants m-2 s-1 of photosynthetic active radiation. The following methods were applied: morphometry, light microscopy of leaf section and electron microscopy of chloroplasts, measurements of CO2/H2O gas exchange and light absorption, determinations of leaf contents of chl, adenylates, pyridine nucleotides, carbon, nitrogen, sugars, starch, soluble proteins and of NADP+ malate dehydrogenase activity. (1) Light deficiency during the growth and also a limited formation of chl led to a decreased leaf absorptance and further to a reduction of the rates of electron transport, CO2 assimilation, photorespiration and mitochondrial dark respiration. In this context these plants showed a decreased starch content and biomass accumulation and a reduction of growth rates and final growth data. (2) A reduced supply of ATP and NADPH+H+ due to the decreased photon absorption was not only directly responsible for the reduced metabolic and growth rates obtained in the deficient plants. In addition it resulted via feedforward control in a longterm down regulation of pro cesses consuming energy and redox equivalents. This led to the maintenance of the balance of energy and reduction states. (3) The basic survival strategy of plants is a permanent acclimation to the present growth conditions by which the homoeostasis is maintained. Under stress conditions leading to an energy shortage - like light and chl deficiency - regulating and compensating processes occur. These are responsible for the finding that the impact of the reduced energy supply is less pronounced at the level of growth compared to the level of photosynthesis. In general, the extent to which the rates were reduced decreased with increasing level of hierarchy. This resulted in an optimal flow of energy and substrates in direction of growth, development and reproduction. In this context several compensating mechanisms are discussed, e. g. an overflow model is proposed.

Increasing atmospheric CO2 and other greenhouse gasses coupled to the accelerated rate of global warming puts plants and ecosystems under the strain of a rapidly changing abiotic environment. Understanding the impacts of changing global climate is a strong focus of plant science and the establishment of more resilient crop variants is an important goal for breeding programs. Our understanding of plant responses and acclimation to abiotic conditions has improved substantially over the last decades but the combination of a complex abiotic environment and high biological diversity, both on molecular as well as on species level, leaves us still with a lot of uncertainties. The aim of this doctoral thesis was to establish a link between plant thermal responses and the carbon-nitrogen balance of plants. The work in this thesis focused on ecologically significant species of the boreal region: Picea abies, Pinus sylvestris and Betula pendula; and Betula utilis, which is one of the prominent tree species in the high altitudes of the Himalayas. The results presented demonstrate that sub-optimal temperatures combined with other abiotic factors can have additive effects that are not easily deducible from the effect of the two factors separately. Low nitrogen availability enhanced the negative effect of low temperature, while elevated CO2 enhanced plant growth under moderate increases in temperatures but under a more extreme temperature increase it exacerbated the negative effect of heat. I also show evidence that species, despite being grouped into the same functional group or inhabiting the same biome can have different thresholds to temperature and to shifts in the C/N balance of their environment and that these differences can, to some extent, be explained by their differential growth strategies. Furthermore, I demonstrate results supporting the hypothesis that the C-N fluxes between mycorrhizal fungi and tree are strongly dependent on the C and N in the environment, highlighting the significance of the tree-mycorrhiza associations in the C sequestration capacity of the boreal region. In this thesis I also present a generalised empirically based mathematical model that can describe the respiration-temperature response of plant functional types or biomes with high precision, giving a more accurate estimate of NPP when implemented in global climate models, and has the potential to incorporate the thermal acclimation of respiration, further increasing the precision of estimating carbon fluxes under future warming temperatures. My results provide novel insights into the interactive temperature-carbon-nitrogen responses of plants, taking a step towards better understanding the response of plants and forests to future climates. / Ökande atmosfäriskt CO2 och andra växthusgaser kopplade till den accelererande globala uppvärmningen utsätter växter och ekosystem för stressen av en snabbt förändrande abiotisk miljö. Att förstå påverkan av ett globalt klimat i förändring står i fokus inom växtforskning och utvecklandet av mer motståndskraftiga grödor är ett viktigt mål inom programmen för växtförädling. Vår förståelse av växters responser och acklimatisering till abiotiska förhållanden har förbättrats avsevärt under de senaste decennierna, men på grund av kombinationen av en komplex abiotisk miljö och stor biologisk mångfald, både på molekylär nivå såväl som på art-nivå, kvarstår en del frågetecken. Syftet med denna avhandling var att upprätta ett samband mellan växters responser på temperaturförändringar och kol-kvävebalansen hos växter. Arbetet i denna avhandling inriktades på ekologiskt betydande arter i den boreala regionen, Picea abies, Pinus sylvestris and Betula pendula; samt Betula utilis som är en av de framträdande trädarterna på höga höjder i Himalaya. Resultaten som presenteras visar att suboptimala temperaturer i kombination med andra abiotiska faktorer kan ha additiva effekter som inte enkelt kan härledas från effekten av de två faktorerna var för sig. Låg kvävetillgänglighet ökade den negativa effekten av låg temperatur, medan förhöjd CO2-halt förbättrade planttillväxt under måttliga temperaturökningar, men under en mer extrem temperaturökning förvärrades dock den negativa effekten av värme. Jag framför även bevis på att arter, trots att de grupperas i samma funktionella grupp eller finns inom samma biom, kan ha olika tröskelvärden beträffande temperatur och förskjutningar i C/N-balansen i sin miljö och att dessa skillnader, i viss utsträckning, kan förklaras av deras olika tillväxtstrategier. Vidare visar jag resultat som stöder hypotesen att C-N - flöden mellan mykorrhiza och träd är starkt beroende av C och N i miljön. Detta belyser i sin tur betydelsen av samarbetet mellan träd och mykorrhiza gällande kolbindningskapaciteten i den boreala regionen. I denna avhandling presenterar jag även en generaliserad empiriskt baserad matematisk modell som med hög precision kan beskriva respiration-temperatur svar av växtfunktionella typer eller biom, vilken ger en mer exakt uppskattning av NPP i globala klimatmodeller. Mina resultat åstadkommer nya insikter i de interaktiva temperatur-kol-kväve-responserna hos växter, och tar ett steg mot bättre förståelse för växters och skogars reaktion på framtida klimat.

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