Diss. Naturwiss. Bern. / Literaturverz.

Diss. Nr. 18299 Wiss. ETH Zürich. / Literaturverz.

Hohenheim, Univ., Diss., 2002.

Universiẗat, Diss., 2003--Bonn.

Universiẗat, Diss., 2004--Bonn.

Oxylipine sind Signalmoleküle, welche durch die enzymatische oder nicht-enzymatische Oxidation von Fettsäuren gebildet werden. Eine bedeutende Gruppe von Oxylipinen in Pflanzen sind die Jasmonate. Dazu zählen Jasmonsäure (JA), deren Vorstufe 12-Oxophytodiensäure (OPDA) sowie deren Metabolite. Ein bedeutender Metabolit von JA ist das Aminosäure-Konjugat JA-Isoleucin (JA-Ile), welches hohe biologische Aktivität besitzt. Besonders für die oberirdischen Organe von Pflanzen wurden bisher vielfältige Funktionen von Jasmonaten beschrieben. Sie sind beteiligt an verschiedenen Entwicklungsprozessen wie der Fertilität von Blüten, aber auch an der Abwehr von Pathogenen und Herbivoren und bei der Reaktion von Pflanzen auf abiotische Stressoren wie hohe Salzkonzentrationen oder Trockenheit. Über die Bildung und Funktion von Oxylipinen in Wurzeln ist bisher jedoch nur wenig bekannt. Aus diesem Grund wurden in der vorliegenden Arbeit die Gehalte von Galaktolipiden und Jasmonaten in Spross und Wurzel von Arabidopsis thaliana Pflanzen verglichen. Mit Hilfe verschiedener JA Biosynthese-Mutanten konnte zudem die Bildung von Jasmonaten in der Wurzel und deren biologische Funktion in diesem Pflanzenorgan untersucht werden. Um die Wurzeln der Arabidopsis Pflanzen einfach behandeln zu können und um schnell und stressfrei größere Mengen von Wurzelmaterial ernten zu können, wurde ein hydroponisches Anzuchtsystem etabliert. Die Analyse von Galaktolipiden zeigte, dass in der Wurzel deutlich geringere Galaktolipid Gehalte als im Spross vorhanden sind. Da Galaktolipide den Hauptbestandteil plastidärer Membranen ausmachen, in den Wurzeln insgesamt jedoch weniger Plastiden vorkommen als in Blättern, wäre dies ein möglicher Grund für den beobachteten Unterschied. Das Vorkommen von mit OPDA oder dnOPDA veresterten Galaktolipiden (Arabidopsiden) wird in der Literatur für die Thylakoidmembranen der Chloroplasten beschrieben. Die Analyse der Arabidopsid Gehalte von Wurzeln konnte diese Aussage stützen, da in Wurzeln, welche normalerweise keine Chloroplasten besitzen, nahezu keine Arabidopside detektiert werden konnten. Die Analyse der Jasmonate zeigte anhand von Pfropfungsexperimenten mit der Jasmonat-freien dde2 Mutante, dass die Wurzeln unabhängig vom Spross in der Lage sind Jasmonate zu bilden, obwohl die Expression vieler JA-Biosynthese-Gene in den Wurzeln sehr gering ist. Zudem zeigten diese Experimente, dass es keinen direkten Transport von Jasmonaten zwischen Spross und Wurzel gibt. Die Bildung von Jasmonaten in der Wurzel konnte durch verschiedene Stresse wie Verwundung, osmotischen Stress oder Trockenheit induziert werden. Kälte und Salzstress hatten hingegen keinen Jasmonat-Anstieg in den Wurzeln zur Folge. Anders als bei osmotischem Stress und Trockenheit, wo sowohl die Gehalte von OPDA als auch von JA und JA-Ile anstiegen, konnte bei Verwundung keine Zunahme der OPDA-Spiegel detektiert werden. Hier kam es zu einer deutlichen Abnahme, wohingegen die JA und JA-Ile Spiegel sehr stark anstiegen. Dies deutet darauf hin, dass es sehr komplexe und vielfältige Regulationsmechanismen hinsichtlich der Bildung von Jasmonaten gibt. Der erste Schritt der JA-Biosynthese, die Bildung von 13-Hydroperoxyfettsäuren (HPOTE), wird durch 13-Lipoxygenase (LOX) Enzyme katalysiert. In Arabidopsis sind vier unterschiedliche 13-LOX Isoformen bekannt. Die Untersuchung verschiedener 13-LOX-Mutanten ergab, dass nur die LOX6 an der Biosynthese von Jasmonaten in der Wurzel beteiligt ist. So konnten in Wurzeln der lox6 Mutante weder basal noch nach verschiedenen Stressen bedeutende Mengen von Jasmonaten gemessen werden. Im Spross dieser Mutante war basal kein OPDA vorhanden, nach Stresseinwirkung wurden jedoch ähnliche Jasmonat Gehalte wie im Wildtyp detektiert. Um Hinweise auf die biologische Funktion von Jasmonaten in Wurzeln zu erhalten, wurden Untersuchungen mit einer lox6 KO Mutante durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass abgeschnittene lox6 Wurzeln, welche keine Jasmonate bilden, im Vergleich zum Wildtyp von saprobiont lebenden Kellerasseln (Porcellio scaber) bevorzugt als Futter genutzt werden. Blätter dieser Mutante, welche nach Stress annähernd gleiche Jasmonat Gehalte wie der Wildtyp aufweisen, wurden nicht bevorzugt gefressen. Von der Jasmonat-freien dde2 Mutante wurden hingegen sowohl die Wurzeln als auch die Blätter bevorzugt gefressen. Neben den Experimenten mit Kellerasseln wurden auch Welke-Versuche mit lox6 und dde2 Pflanzen durchgeführt. Hierbei wiesen die lox6 Pflanzen, nicht aber die dde2 Pflanzen, eine erhöhte Suszeptibilität gegenüber Trockenheit auf. dde2 Pflanzen haben im Gegensatz zu LOX Mutanten unveränderte 13-HPOTE Gehalte, aus denen auch andere Oxylipine als Jasmonate gebildet werden können. Dies zeigt, dass durch LOX6 gebildete Oxylipine, im Falle von Trockenheit aber nicht Jasmonate, an der Reaktion von Arabidopsis Pflanzen auf biotische und abiotische Stresse beteiligt sind. / Oxylipins are signaling molecules derived by enzymatic or non-enzymatic oxidation of fatty acids. Jasmonates are one important group of oxylipins in plant. This group includes jasmonic acid (JA), its precursor 12-oxophytodienoic acid, and all JA metabolites. The amino acid conjugate JA-isoleucine (JA-Ile) is one relevant metabolite of JA which shows high biological activity. For the aerial parts of plants, many different functions of jasmonates have been described. Jasmonates are involved in developmental processes like the flower fertility. Furthermore, these compounds function as signals in defense reactions against pathogens and herbivores and in the response to abiotic stress like high salt concentrations or drought. For roots, much less is known about the formation and function of jasmonates. Therefore, in this work the levels of galactolipids and jasmonates in roots of Arabidopsis thaliana in comparison to leaves were analyzed. Using mutants in different steps of jasmonate biosynthesis the formation and biological function of jasmonates in roots were investigated. For easy handling, treatment, and harvest of root material a hydroponic system was established. The analysis of galactolipids showed reduced contents of these compounds in roots in comparison to the shoots. These differences might occur due to the fact that galactolipids are the main compounds of plastid membranes and that roots in general contain less plastids than the leaves. In the literature it is described, that galactolipids esterified with OPDA or dnOPDA (arabidopsides) only occur in the thylakoid membranes of chloroplasts. The analysis of arabidopsid contents in roots supports this statement since nearly no arabidopsides were detectable in roots, which do normally not have chloroplasts. The analysis of jasmonates with different grafting experiments using the jasmonate free dde2 mutant showed that roots were able to synthesize jasmonates independently of the shoot although the expression of several JA biosynthesis genes is very low. These experiments also pointed out that there is no transport of jasmonates between the shoot and the root. Jasmonates accumulated in roots upon different stresses such as wounding, osmotic stress, or drought. Cold and salt stress did not lead to increased jasmonate levels in the roots. Osmotic and drought stress resulted in an increase of all three analyzed jasmonates whereas after wounding only JA and JA-Ile showed higher concentrations. OPDA levels strongly decreased after this type of stress. This suggests the existence of diverse and complex regulatory mechanisms of stress-induced jasmonate synthesis. 13-lipoxygenase (13-LOX) enzymes are involved in the first step of the JA biosynthesis, the formation of 13-hydroperoxy fatty acids (HPOTE), and four 13-LOX isoforms exist in Arabidopsis. Investigation of different 13-LOX mutants revealed that only the LOX6 enzyme is involved in the biosynthesis of jasmonates in roots. In roots of the lox6 mutant no jasmonate levels were detectable, neither basal nor after different stress treatments. In the shoot of this mutant no basal OPDA was measurable. However, after stress treatment nearly the same amounts of jasmonates were detected. To investigate the function of jasmonates in roots a lox6 KO mutant was used. The experiments showed that detached roots of the lox6 mutant which do not produce jasmonates were the preferred food of the detritivorous crustacean Porcellio scaber in comparison to roots of the wild type. Detached leaves of this mutant which show nearly the same amount of jasmonates after stress like the wild type were not eaten faster. However, detached roots and leaves of the jasmonate free dde2 mutant were both preferred in comparison to the wild type. Besides the investigations with P. scaber also drought experiments were carried out. The lox6 mutant but not dde2 was more susceptible to drought. In contrast to LOX mutants, dde2 plants show unaltered levels of 13-HPOTE which can also be converted to other oxylipins than jasmonates. This indicates that LOX6 derived oxylipins are important for the response to biotic and abiotic factors. However, concerning to drought this is not the case for jasmonates.

Der Bericht informiert über die Erfassung und Abschätzung von atmosphärischen Bedingungen, die den Aufbau bzw. die Ausprägung von Trockenheit begünstigen. Mit der Erwärmung wird es zunehmend wichtiger, neben dem Niederschlag auch die Verdunstung zu berücksichtigen. Im Klimafolgen-Bereich sind die Aussagen als “atmosphärisches Trockenheitsrisiko” zu interpretieren. Das erarbeitete Konzept lässt sich auch mit Vorhersagen bzw. Projektionen umsetzen. Die Veröffentlichung richtet sich an die mit dem Thema befassten. Redaktionsschluss: 28.02.2020

In dieser Broschüre werden die wesentlichen Merkmale (Definition, Ursachen, Folgen etc.) einer hydrologischen Trockenheit erklärt sowie die beiden Trockenjahre 2018 und 2019 an ausgewählten Pegeln im Gebiet der Lausitzer Neiße näher betrachtet. Die Broschüre informiert zudem über institutionelle Maßnahmen (EU-, nationale und regionale Ebene) im Umgang mit Niedrigwasser und gibt praktische Tipps für einen sorgsamen Umgang mit der Ressource. Die Broschüre ist in Kooperation mit dem polnischen Institut für Meteorologie und Wasserwirtschaft (IMGW-PIB), im Rahmen des NEYMO-NW Projektes entstanden und richtet sich an die allgemeine Bevölkerung, insbesondere an die Einwohner des Einzugsgebiets der Lausitzer Neiße. Redaktionsschluss: 09.11.2020

Zusammenfassung Die europäische Buche (Fagus sylvatica, L.) ist eine dominante Waldbaumart von hohem ökonomischen und ökologischem Wert in Zentraleuropa. Die natürliche Verbreitung der Spezies in Zentraleuropa ist abhängig von der Wasserverfügbarkeit. In der Zukunft wird vermehrt von extremen Wetterbedingungen wie Hitzewellen und extreme Trockenheit ausgegangen. In ausgedehnten Bereichen des Waldes wird die Wasserversorgung wahrscheinlich ein limitierender Faktor. Daher ist es notwendig, die potentielle Fähigkeit der Buchen, sich bei Wasserlimitierung zu akklimatisieren oder anzupassen, zu bewerten. Die Reaktionen der Buche auf Wasserknappheit könnten in anatomischen Eigenschaften des Holzes abgespeichert sein und durch die Analyse dieser Eigenschaften bewertet werden. Darüber hinaus könnte die Wasserlimitierung die Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte im Buchenholz negativ beeinflussen. Die Bodenfeuchte ist ein wichtiger Faktor, der den 13C-Gehalt in den Baumringen beeinflußt. Da Wasserknappheit den Verschluß der Stomata induzieren kann, wird das δ13C des eingebauten Kohlenstoffes erhöht. Daher wurden C- und N-Gehalte und δ13C Signaturen in Buchenholzproben analysiert, um die Auswirkungen von Wasserknappheit auf Buchenholzeigenschaften zu untersuchen. Eine Schlüsselrolle für die Akklimatisierung an Trockenheit spielt Abscisinsäure (ABA), wodurch Abwehrreaktionen hervorgerufen werden, die zum Verschluß der Stomata führen und somit den Wasserverbrauch der Pflanzen regulieren. Ein weiteres Merkmal von Trockenstress ist eine erhöhte Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies. Daher ist die Aktivierung von Schutzenzymen, insbesondere der antioxidativen Abwehr, wichtig bei der Bekämpfung des oxidativen Abbaus anfälliger Strukturen wie etwa der Zellmembranen. Um die Plastizität und Anpassung der Buche in Reaktion auf Trockenheit zu untersuchen, wurde die Expression von ABA- und stressverwandten Genen für die Analyse ausgewählt. Darüber hinaus wurden die Blattflächen und die Membranintegrität als Indikatoren für Reaktionen der Buche auf Trockenstress bestimmt. Pflanzen haben unterschiedliche Strategien, um Trockenstress zu bewältigen: Vermeidung oder Toleranz. Der Grundmechanismus beider Strategien beinhaltet die isohydrische oder anisohydrische Regulation der Stomata. Isohydrische Pflanzen schließen ihre Stomata noch bevor sich der Wasserstatus in der Pflanze verändert, wohingegen anisohydrische Spezies eine langsame stomatale Reaktion als Antwort auf ein geringeres Wasserpotential zeigen. Der Wassergehalt des Bodens, in den Blättern vor Sonnenaufgang (Predawn Water Potential), der relative Wassergehalt, Chlorophyllfluoreszenz und stomatäre Leitfähigkeit wurden als gute Merkmale charakterisiert, um diese Strategien zu testen. Des Weiteren wurde die Expression von OST1 (open stomata 1), einer Proteinkinase, die zur Schließzellenreaktion des ABA-Signalnetzwerkes führt, untersucht. In dieser Studie wurden die Reaktionen von Sämlingen und jungen, sowie ausgewachsenen europäischen Buchen auf Trockenheit untersucht. Die folgenden Hypothesen wurden getestet: • Buchenpopulationen aus trockeneren Lebensräumen weisen Veränderungen in der Anatomie des Xylems auf, um mit geringem Niederschlag umzugehen. • Trockenes Klima wirkt sich negativ auf den Kohlenstoff und den Stickstoffgehalt in Buchenholz aus. • Buchennachkommen von trockenen Standorten zeigen eine konstitutiv erhöhte Expression von ABA-und stressinduzierten Genen und reagieren somit weniger auf Trockenheit als Nachkommen von feuchteren Standorten. • Buchen, die aus niederschlagsarmen klimatischen Bedingungen stammen, zeigen eine stärkere Trockenheitsvermeidung. Buchen aus mesischen Habitaten bilden eine stärkere Toleranz gegenüber Trockenheit aus, als solche aus trockenen Habitaten, wenn sie einer abnehmenden Wasserverfügbarkeit in der Erde ausgesetzt sind. Um diese Hypothesen zu testen, wurden drei Experimente durchgeführt. Einerseits mit adulten Buchen entlang eines Niederschlagsgradienten, andererseits mit Buchensetzlingen, die experimentell veränderten Bodenwassergehalten ausgesetzt waren. Ein Freilandexperiment wurde in drei verschiedenen Gebieten durchgeführt, die ähnliche Bodeneigenschaften aufwiesen, sich aber hinsichtlich der jährlichen Niederschlagsrate unterschieden. Holzzuwachs, die anatomischen Eigenschaften des Xylems, sowie C- und N- Gehalt und die δ13C Signaturen wurden untersucht. Es wurde eine starke Reduzierung des jährlichen Zuwachses bei Buchen von feuchten hin zu trockenen Standorten gefunden. So könnte die Verfügbarkeit von Wasser in den Untersuchungsgebieten einer der begrenzenden Faktoren des Holzzuwachses bei Buchen sein. Buchen auf trockenen Standorten zeigten Veränderungen anatomischer Merkmale, die ihnen ermöglichten, besser mit geringen Niederschlägen umzugehen. Um schmale Gefäßlumen auszugleichen, zeigten Buchen an trockenen Standorten mehr Gefäße. Diese anatomischen Veränderungen ermöglichen Buchen wahrscheinlich die Balance zwischen Wasseraufnahmeeffizienz und der Vermeidung von Embolien im Buchenstamm zu halten. Darüber hinaus trägt dieser Mechanismus wahrscheinlich dazu bei, das Wasserpotential und den C- und N-Gehalt im Holz der Buchen unter trockenen Bedingungen zu erhalten. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass Buchen von trockenen Standorten eine Vermeidungsstrategie gegen Trockenheit haben, um mit geringer Wasserverfügbarkeit in der Natur umgehen zu können. Anatomische Merkmale variierten während der Vegetationsperiode signifikant. Zwischen den Standorten wiesen die anatomischen Parameter im Frühholz keine bemerkenswerten Veränderungen auf. Im Spät- und Übergangsholz war die Fläche der Gefäßlumen stark vermindert und die Anzahl der Gefäße signifikant erhöht. Im Spätholz der Buchen auf trockenen Standorten wurden dickere Wände und schmalere Faserlumina gefunden. Darüber hinaus zeigten verringerte δ13C Werte bei den Buchen auf den trockensten Standorten eine höhere Wassernutzungseffizienz am Ende der Wachstumsperiode. Der Vergleich der Bäume von feuchten und von trockenen Standorten wies darauf hin, dass die Verfügbarkeit von Wasser anatomische Veränderungen beeinflußte. Jedoch können auch andere Faktoren als die genetischen zu einer besseren Anpassung der Buchen auf den trockenen Standorten an geringe Niederschläge beitragen. Um die Expression von Genen im Zusammenhang mit ABA und Stress als Reaktion auf Trockenstress zu untersuchen, wurde ein Gartenexperiment durchgeführt. Für dieses Experiment wurden die Nachkommenschaften von fünf Buchenbeständen entlang eines Niederschlagsgradienten verwendet. Die Reaktionen von gut bewässerten und trockengestressten Keimlingen gegenüber Trockenstress wurden während des Sommers zu einem frühen, mittleren und späten Zeitpunkt gemessen. Die Expressionsniveaus von ABA- und stressbezogenen Genen wurde ermittelt. Um die Genexpression mit der Leistungsfähigkeit der Pflanzen vergleichen zu können, wurden herkunfts- und dürrebedingte Auswirkungen auf die Blattfläche und Membranintegrität in Abwesenheit und Anwesenheit von akutem oxidativen Stress untersucht. Trockenstress führte zu einer verringerten Blattfläche verglichen mit gut gewässerten Setzlingen. Die Nachkommen von feuchteren Standorten zeigten allgemein größere Blattflächen als die von trockenen Standorten. Der relative Verlust von Elektrolyten wurde durch Trockenstress verändert und erhöhte sich gegen Ende der Vegetationsperiode. Die Expressionsniveaus von ABA- und stressverwandten Genen wurden stark von Trockenstress beeinflußt. Eine Ausnahme bildet die Glutamin Amidotransferase (GAT). Zusätzlich waren die Expressionsniveaus der Gene Nine cis-Epoxy Dioxygenase (NCED), Proteinphosphatase 2C (PP2C), Early Responsive to Dehydration (ERD), Ascorbat-Peroxidase (APX), Superoxid Dismutase (Cu / Zn-SOD), Aldehyde Dehydrogenase (ALDH), Glutamin Amido-Transferase (GAT) höher in den Nachkommen von feuchten Standorten verglichen mit trockeneren Standorten. Saisonale Analysen der transkriptomalen Regulation von Genen für die Signalisierung und Abwehr von Trockenheit zeigten intraspezifische Unterschiede in der konstitutiven Expression und Reaktionsfähigkeit bei Trockenheit. Die herkunftsbedingten Unterschiede waren größer als die Stressreaktionen, was darauf hindeutet, dass die Selektion für eine Anpassung an Trockeheit bereits in lokalen Buchenpopulationen stattfindet. Um zu untersuchen, ob es intraspezifische Unterschiede bei den Resistenzmechanismen gegen Trockenheit gibt, wurden drei Buchenherkünfte, aus einem niedrigen, einem mittleren und einem hohen Niederschlagsklima (als LP, IP und HP bezeichnet), zunehmender Trockenheit ausgesetzt. Der Wassergehalt in Boden und Pflanzen, die maximale Quantenausbeute des Photosystems II und die stomatäre Leitfähigkeit der Kontrollen und der trockenheitsbehandelten Setzlinge wurden regelmäßig gemessen. Außerdem wurden die Transkriptionsniveaus von OST1 bestimmt. Die Daten weisen darauf hin, dass die innerartlichen Reaktionen auf Trockenheit bei Buchen auch zwischen isohydrischem und anisohydrischem Verhalten der Stomata variieren können. Die Buchenherkunft LP zeigte einen isohydrischen Phänotyp, da die Pflanzen einen schnelleren Verschluß der Stomata, einen höheren relativen Wassergehalt, sowie einen höheren Wassergehalt in den Blättern vor Sonnenaufgang (Predawn Water Potential) zeigten als Buchennachkommen aus mesischen Bedingungen. Dadurch wies die Population aus dem trockenen Habitat eine deutliche Vermeidungsstrategie bei Trockenheit auf. Im Gegensatz dazu zeigten die HP Nachkommen bei Wasserlimitierung einen langsamen Abfall der stomatären Leitfähigkeit, jedoch eine stärkere Abnahme des Predawn Water Potential. Es gab keinen Einfluss durch Trockenheit auf das Pflanzenwachstum oder die Biomasseallokation während der Trockenheitsbehandlung. Buchen zeigten intraspezifische Unterschiede bei den Resistenzstrategien gegen Trockenheit, gekennzeichnet durch anisohydrisches oder isohydrisches Verhalten. Das legt nahe, dass der anisohydrische Funktionstyp bei Buchen besser geeignet ist, um mit den vorhergesagten Klimaextremen umzugehen, als die isohydrische Typ, da er eine Trockentoleranz-Strategie aufweist. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigen, dass Klimate mit geringen Niederschlägen und Trockenheit die Anatomie, Physiologie und molekulare Reaktionen von Buchen beeinflussen. Buchen zeigten recht hohe intraspezifische Unterschiede bei den Strategien zur Trockenheitsresistenz, mit Strategien zur Trockenheitsvermeidung und Trockentoleranz.

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