Als nicht-invasive Methode bietet die magnetische Kernspinresonanztomographie durch ihre Vielzahl an messbaren Größen wie Wassergehalt und Flussgeschwindigkeiten gute Voraussetzungen, um funktionelle Abläufe in Pflanzen und insbesondere Pflanzenwurzeln zu untersuchen. Für funktionelle NMR-Mikroskopie notwendige Hardware und Methoden wurden in dieser Arbeit entwickelt und angewendet. Aufgrund der starken Suszeptibilitätsunterschiede in den Proben und der notwendigen Zeitauflösung für funktionelle Studien, lag das Hauptaugenmerk dabei auf Turbospinechomethoden (auch als RARE bekannt). Im Rahmen des Hardwareaufbaus wurde ein neuartiges, modulares Probenkopfkonzept entwickelt. Außerdem war es notwendig geeignete Probengefäße und Pflanzenhandlingsysteme zu entwerfen, die die Anbringung einer HF-Spule im Wurzelbereich erlauben. Für die Auswertung gemessener Parameterkarten wurde eine Software geschrieben, mit der interaktiv Mittelwerte entlang geschlossener Pfade berechnet werden können, angepasst an den grob radialsymmetrische Aufbau der Pflanzenwurzeln. Als Grundlage für biologische Aussagen anhand von T1-, T2- und Spindichtekarten wurden aus einer umfangreichen Literaturrecherche die bekannten Zusammenhänge zwischen diesen Parametern und physiologischen Größen zusammengestellt. Ergänzend wurde das Verhalten einer monoexponentiellen Beschreibung der Relaxation von mehr-Kompartimentsystemen und von deren Durchmischung untersucht. Eine Computersimulation der Diffusion zwischen Volumenschichten mit unterschiedlichen Relaxationszeiten wurde implementiert. Damit konnte gezeigt werden, dass die Reichweite der Durchmischung der messbaren Relaxationszeiten bei freier Diffusion abhängig ist von der Diffusionsweite, die nach der Einstein-Smoluchowski-Gleichung aus der jeweils lokalen Relaxationszeit resultiert. Damit ergibt sich eine grundsätzliche Limitierung der räumlichen Auflösung von Relaxationszeitkarten und auch des jeweiligen Relaxationszeitkontrastes in NMR-Bildern. Daneben erklärt der Effekt der durch Diffusion vermittelten Relaxation auch den hellen Ring, der in NMR-Bildern die Wurzeln in Nährlösung umgibt. Die hauptsächliche Anwendung der entwickelten Methodik auf biologische Fragestellungen bestand in der Untersuchung der Reaktion von Maiswurzeln auf Trockenstress. Erstmals konnten dabei im Rahmen dieser Arbeit Kavitationen der Wassersäule im Xylem von Wurzeln sowie deren Wiederbefüllung nach Wiederbewässerung der Pflanzen direkt beobachtet werden. Bei der weiteren systematischen Untersuchung zu Kavitationen gelang es auch, die bislang unbekannte Geschwindigkeit zu bestimmen (Größenordnung 1mm/min) mit der die kavitierten Bereiche von unten mit einer neuen Wassersäule gefüllt werden. Außerdem konnte mit Hilfe von Flussgeschwindigkeitskarten nachgewiesen werden, dass Gefäße mit Kavitationen nach der Wiederbefüllung ihre volle Funktionalität wiedererlangen können. Aus solchen Flusskarten konnte auch der Volumenfluss berechnet und z.B. mit der Transpirationsrate verglichen werden. Die gemessenen T1- und Spindichtekarten bieten viele Hinweise auf die Funktion der unterschiedlichen Gewebetypen der Wurzel während des Trockenstresses und bei der Wiederbefüllung. Insbesondere T1 erwies sich als aussagekräftiger Parameter für die Beurteilung von aufgetretenen Gewebeschäden. Als Grundlage für zukünftige Studien wurden verschiedene Messungen mit Kontrastmittel im Umgebungsmedium der Wurzeln durchgeführt, sowie eine 3D-Turbospinechosequenz implementiert, mit der auch die interne Struktur der Wurzeln und ihrer Verzweigungen dargestellt werden konnte. / MR imaging methods allow the non-invasive determination of values such as flow velocity and water content. Therefore, these methods provide a perfect means for the in-vivo examination of plants together with their surrounding medium. It was the aim of this PhD thesis to develop necessary hardware and software methods for functional studies on plant roots. Because of the large susceptibility differences of these samples and to provide a sufficient time resolution for functional studies especially RARE sequences were used and optimized for the examination of roots. Corn plants were grown in specially designed glass tubes which provided a narrow part for the inclusion of an RF Helmholtz coil. A new, patented concept for modular MR probes was designed. It allows the construction of probes that are adapted to the needs of certain samples like climate chamber probes for plants, without the limitation caused by fixed frequencies for the RF channels. A method to average values of tissues that are composed of concentric layers, like corn roots, or exhibit radial value gradients was implemented. An intense literature research about the known dependency of T1 and T2 on physiologic aspects of plant tissue was performed, resulting in a compilation of relaxation influencing effects. This compilation serves as a basis for the interpretation of the biological experiments. Further theoretical considerations dealt with the effect of a mono exponential description of the relaxation within multi compartment systems and after mixing the contents of these compartments. A computer algorithm was implemented to simulate the free diffusion between volumes that exhibit different relaxation values. It could be shown that transition regions of "mixed" relaxation values occur on the edges of those volume regions. The width of these transition regions can be determined by the Einstein-Smoluchowski-Equation for the diffusion displacement, using the underlying relaxation values as the diffusion time. This effect is a fundamental limitation to the spatial resolution of relaxation maps and to the contrast that those relaxation values create in MR images. Based on this finding, the cause for the bright ring that surrounds roots within nutrient solution in MR images could be explained. It results from the diffusion driven in-flow of quickly relaxing magnetisation from the outer part of the roots into the free solution. The most important biological results of this PhD thesis concern the reaction of plant roots to drought stress and rewatering. In the context of these drought stress experiments, cavitations of the sap in the xylem vessels on the roots could be observed for the first time using MR. In addition, the refilling of these cavitated vessels was monitored systematically. It was possible to measure the velocity of the newly ascending sap level, which was calculated to be in the order of 1mm/min. Using flow imaging, it was also possible to confirm the regained functionality of the refilled vessels for the first time. Based on flow maps, also the volume flow could be calculated and e.g. could be compared to the transpiration rate of the plants. The T1 and spin density maps acquired during the stress experiments give information about the function of the different tissues during desiccation and rewatering. Especially a strong decrease in T1 in the cortex of certain roots could be correlated with an irreversible damage to the tissue. To provide a further basis for future studies, experiments on the uptake of the MR contrast agent Gd-DTPA by the roots were performed. Also a 3D RARE microscopy sequence was implemented and used to follow the inner structure of the branching of a side root.

Mit den Experimenten dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass ein Phytohormon wie Abscisinsäure mit dem "Solvent-drag" des Wasserflusses apoplastisch durch den Wurzelzellwandbereich in die Xylemgefäße transportiert werden kann. Es konnte ein Bypass-Fluss für ABA durch den gesamten Zellwandapoplasten, auch durch lipophile Barrieren wie Exo- und Endodermis nachgewiesen werden. Dies ist durch die speziellen Moleküleigenschaften von Abscisinsäure möglich: (i) der geringe Durchmesser des Moleküls (8 - 11 nm) und (ii) die hohe Lipophilie von ABA bei schwach sauren pH-Werte. Mit einer Penetration apoplastischer Barrieren ist demnach zu rechnen. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Ausbildung solcher lipophilen Zellwandnetze einen signifikanten Einfluss auf den apoplastischen ABA-Transport besitzt. Die Ausbildung einer Exodermis in Mais, wie sie unter natürlichen Bedingungen zu beobachten ist, konnte den ABA-Fluss in das Xylem um die Faktoren 2 bis 4 reduzieren. Da gleichzeitig eine Verminderung der hydraulischen Wurzelleitfähigkeit um denselben Betrag auftrat, blieb das Wurzel-Spross-ABA-Signal, die Phytohormonkonzentration, im Xylem gleich. Die zu den Stomata geleitete Information über den Wasserzustand der Wurzel änderte sich also nicht. Im natürlichen System ist sogar eine Verstärkung des Signals zu erwarten, da eine Exodermis nicht als Aufnahme-Barriere für gewebeproduzierte ABA wirkt. Gleichzeitig verringert sie den Verlust von apoplastischer ABA an die Rhizosphäre. Außerdem wird der Wasserverlust aus dem Gewebe durch eine Exodermis signifikant reduziert wird. Somit sind solche Wurzeln gut an die Bedingungen eines eintrocknenden Bodens angepasst. Apoplastische Barrieren sind demnach, neben membran-lokalisierten Tranportern, wichtige Parameter für die Beurteilung von Wurzeltransporteigenschaften für Wasser und darin gelöste Substanzen. Der Beitrag der apoplastischen Komponente zum Gesamt-ABA-Transport ist abhängig von der untersuchten Pflanzenart, der aktuellen Transpirations- oder Wasserflussrate und von Umwelteinflüssen wie erhöhter ABA-Konzentration im Wurzelgewebe (z.B. durch Trockenstress), pH-Wert der Rhizosphäre und den Ernährungsbedingungen der Pflanze. Erhöhter radialer Wasserfluss, erhöhte ABA-Wurzelgewebegehalte und niedriger pH-Wert der Rhizosphäre verstärken den apoplastischen Bypass-Fluss unter physiologischen Bedingungen. Geringe Wassertransportraten, niedrige ABA-Konzentrationen im Gewebe, alkalische pH-Werte der Rhizosphäre und Ammoniumernährung verstärken dagegen den symplastischen Beitrag zum ABA-Transport. In der vorliegenden Arbeit konnten die sich widersprechenden Theorien bezüglich des ABA-Effektes auf die hydraulische Leitfähigkeit von Wurzeln erklärt werden. ABA erhöht über einen Zeitraum von 2 Stunden die Zellleitfähigkeit (Lp) mit einem Maximum 1 Stunde nach ABA-Inkubation. Dies wirkt sich in einem verstärktem Lpr von intakten Wurzelsystemen aus, das einem ähnlichen Zeitmuster folgt. Pflanzen sind demnach in der Lage, mittels ABA den zellulären Wassertransportweg reversibel zu optimieren, um so unter mildem Trockenstress, wie er in einem gerade eintrocknenden Boden auftritt, die Pflanze mit ausreichend Wasser zu versorgen. Tritt ein länger andauernder Wassermangel ein, versperrt die Pflanze diesen Weg wieder. Dieser transiente Effekt erklärt auch die aus der Literatur bekannten stimulierenden und inhibierenden ABA-Wirkungen. Durch den verstärkten Wasserfluss zu Beginn der Stresssituation erzeugt ABA auf diese Weise ein sich selbst verstärkendes, wurzelbürtiges Hormonsignal in den Spross. Das Blatt erreicht in effektiver Weise eine ABA-Menge, die ausreichend ist, um die Stomata zu schließen. Es folgt eine Reduktion der Transpiration. Eine weiter andauernde Erhöhung des symplastischen Wassertransportweges wäre ohne physiologische Bedeutung. Regulierende Membranstrukturen für diesen Vorgang könnten ABA-sensitive Wasserkanäle (Aquaporine) der Plasmamembran sein. Es wurde gezeigt, dass der Rezeptor für diesen Vorgang innerhalb von corticalen Maiswurzelzellen lokalisiert und hochspezifisch für (+)-cis-trans-ABA ist. Die Signaltransduktion für diesen Kurzzeiteffekt erfolgt nicht mittels verstärkter Aquaporintranskription, könnte aber über ABA-induzierte Aktivierung (Phosphorylierung), oder Einbau von Aquaporinen in die Zellmembran ablaufen. Der Abscisinsäure-Transport ist ein komplexer Vorgang. Er wird beeinflusst durch Umwelteinflüsse, Wurzelanatomie, ist gekoppelt mit dem Wasserfluss und durch sich selbst variierbar. Herkömmliche Vorstellungen einer simplen Hormondiffusion können diesen regulierbaren Vorgang nicht mehr beschreiben. Pflanzen besitzen ein ABA-Transportsystem, das schnell, effektiv und an sich verändernde Umweltbedingungen adaptierbar ist. / The experimental work of the presented study has been able to show, for the first time, that a phytohormone like ABA can be transported apoplastically into xylem vessels by solvent-drag of the water flow. For ABA, a bypass-flow throughout the whole cell wall apoplast, including lipophilic barriers like exo-and endodermis, could be demonstrated. This may be due to the particular properties of the 264 Da ABA-molecule: (i) the small diameter of the molecule (8 to 11 nm) and (ii) the high lipophily of the uncharged ABA under physiological conditions. Conclusively, a penetration of apoplastic barriers is supposed to be possible. Furthermore, this study shows the development of such lipophilic cell wall-nets should have significant influence on apoplastic ABA-transport-properties. The formation of an exodermis in maize, as it occurs under natural conditions, was able to reduce the ABA-flow into the xylem by factors of 2 up to 4. As, simultaneously, the root-hydraulic conductivity was decreased by the same rate, the root-to-shoot ABA-signal, the phytohormone concentration in the xylem, remained constant. The information about the root-water-status addressed to the guard cells has not changed, therefore. In the natural environment even an increase of this signal is to be expected, as exodermal layers are no uptake-barriers for the tissue-produced ABA. On the contrary, an exodermis will retard the leakage of ABA to the rhizosphere. At the same time, roots are more effectively adapted to drought because water loss from exodermal roots is also reduced significantly. Apoplastic barriers are, therefore, beside membrane-located transport-proteins, the important parameters for determining root-transport-properties for water and solutes. The contribution of the apoplastic component to the entire ABA-transport depends on the plant species investigated, the actual transpiration- or water-flow rate and on external conditions like high ABA-concentrations in the root tissue (e.g. after drought), pH of the rhizosphere, and the nutrient status of the plant. Increased radial water-flow, raised ABA-contents of the root tissue, and a low pH of the rhizosphere intensified the apoplastic bypass-flow under physiological conditions. Low water-transport rates, low ABA tissue-contents, alkaline pH-values in the rhizosphere and ammonium as the only N-source, on the other hand, increased the symplastic contribution to the ABA-transport. In the presented study, the controversal dispute concerning the ABA-effect on root hydraulic conductivity could be settled. ABA raises cell hydraulic conductivity (Lp) for 2 h with a maximum after 1 h of ABA-application. This results in an increased Lpr (hydraulic conductivity of intact root systems), directed by a similar time-pattern. So, by ABA plants are able to reversibly optimise the cellular transport path of water to support the plant under mild drought stress with sufficient water. However, if water deficiency continues, plants again close this additional symplastic pathway. This transient ABA-effect explains both stimulating and inhibiting ABA-actions, as known from literature. At the beginning of a stress situation ABA induces by an increased water flow a self-intensifying root-to-shoot-signal. Thus, in an effective way the leaf achieves a sufficient amount of ABA in order to close the stomata. A reduction in transpiration follows. Further continuous stimulation of the symplastic water transport path would be without any physiological meaning. Membrane structures, responsible for regulating this mechanism may be ABA-responsive water channels (aquaporins) in the plasma membrane. It has been shown that the receptor for regulating these channels is localised inside the cortical cells of maize roots and highly specific for (+)-cis-trans-ABA. Signal transduction for this short-time effect is not mediated by intensified aquaporin-transcription, but there may be evidence of ABA-induced regulation by channel activation (phosphorylation) or by incorporation of aquaporins into cell membranes. The transport of abscisic acid is a complex process modified by environmental conditions, root anatomy, coupled with the water flow, and variable by itself. Customary ideas about a simple hormone diffusion are not apt to describe this complex process anymore. Plants possess an ABA-transport system, which is fast, effective, and adaptable to changing environmental conditions.

Universiẗat, Diss., 2005--Giessen.

Obwohl Pflanzenwurzeln mit einer Vielzahl von Pathogenen in Kontakt kommen, sind induzierbare Abwehrreaktionen der Wurzel bisher kaum beschrieben. Aufgrund der konzentrischen Zellschicht-Organisation der Wurzel wird angenommen, dass bei einer Immunantwort in jeder Zellschicht ein spezifisches genetisches Programm aktiviert wird. Eine Überprüfung dieser Hypothese war bisher wegen methodischen Limitierungen nicht möglich. Die zellschichtspezifische Expression Epitop-markierter ribosomaler Proteine erlaubt eine Affinitätsaufreinigung von Ribosomen und der assoziierten mRNA. Diese Methodik, als TRAP (Translating Ribosome Affinity Purification) bezeichnet, ermöglicht die Analyse des Translatoms und wurde dahingehend optimiert, pflanzliche Antworten auf Befall durch bodenbürtige Mikroorganismen in Rhizodermis, Cortex, Endodermis sowie Zentralzylinder spezifisch zu lokalisieren. Die Genexpression in der Arabidopsis-Wurzel nach Inokulation mit drei Bodenorganismen mit unterschiedlichen Lebensweisen wurde vergleichend betrachtet: Piriformospora indica kann als mutualistischer Pilz pflanzliches Wachstum und Erträge positiv beeinflussen, wohingegen der vaskuläre Pilz Verticillium longisporum für erhebliche Verluste im Rapsanbau verantwortlich ist und der hemibiotrophe Oomycet Phytophthora parasitica ein breites Spektrum an Kulturpflanzen befällt und Ernten zerstört. Für die Interaktionsstudien zwischen Arabidopsis und den Mikroorganismen während ihrer biotrophen Lebensphase wurden sterile in vitro-Infektionssysteme etabliert und mittels TRAP und anschließender RNA-Sequenzierung eine zellschichtspezifische, genomweite Translatomanalyse durchgeführt (Inf-TRAP-Seq). Dabei zeigten sich massive Unterschiede in der differentiellen Genexpression zwischen den Zellschichten, was die Hypothese der zellschichtspezifischen Antworten unterstützt. Die Antworten nach Inokulation mit pathogenen bzw. mutualistischen Mikroorganismen unterschieden sich ebenfalls deutlich, was durch die ungleichen Lebensweisen begründbar ist. Durch die Inf-TRAP-Seq Methodik konnte z.B. im Zentralzylinder der Pathogen-infizierten Wurzeln eine expressionelle Repression von positiven Regulatoren des Zellzyklus nachgewiesen werden, dagegen in den mit P. indica besiedelten Wurzeln nicht. Dies korrelierte mit einer Pathogen-induzierten Inhibition des Wurzelwachstums, welche nicht nach Inokulation mit P. indica zu beobachten war. Obwohl keines der drei Mikroorganismen in der Lage ist, den Zentralzylinder direkt zu penetrieren, konnte hier eine differentielle Genexpression detektiert werden. Demzufolge ist ein Signalaustausch zu postulieren, über den äußere und innere Zellschichten miteinander kommunizieren. In der Endodermis konnten Genexpressionsmuster identifiziert werden, die zu einer Verstärkung der Barriere-Funktionen dieser Zellschicht führen. So könnte etwa durch Lignifizierungsprozesse die Ausbreitung der Mikroorganismen begrenzt werden. Alle drei Mikroorganismen lösten besonders im Cortex die Induktion von Genen für die Biosynthese Trp-abhängiger, antimikrobieller Sekundärmetaboliten aus. Die biologische Relevanz dieser Verteilungen kann nun geklärt werden. Zusammenfassend konnten in dieser Dissertation erstmals die durch Mikroorganismen hervorgerufenen zellschichtspezifischen Antworten der pflanzlichen Wurzel aufgelöst werden. Vergleichende bioinformatische Analyse dieses umfangreichen Datensatzes ermöglicht nun, gezielt testbare Hypothesen zu generieren. Ein Verständnis der zellschichtspezifischen Abwehrmaßnahmen der Wurzel ist essentiell für die Entwicklung neuer Strategien zur Ertragssteigerung und zum Schutz von Nutzpflanzen gegen Pathogene in der Landwirtschaft. / Although plant roots are surrounded by a plethora of microorganisms, their interactions are poorly characterized on a molecular level. Due to the concentric organization of the root cell-layers, it is anticipated that these layers contribute to pathogen defense by providing specific genetically defined programs, which build up barriers to restrict infection. Because of methodical limitations, this theory was not confirmed, yet. Immunoprecipitation of cell-layer specific expressed epitope-tagged ribosomes allows an isolation of ribosome/mRNA complexes that subsequently can be analyzed. This approach is called “Translating Ribosome Affinity Purification” (TRAP). It was optimized to identify cell-layer specific induced defenses and to be combined with a system to inoculate plant roots directly with soil-born microorganisms. Hence, this method enables molecular dissection of infected Arabidopsis-roots to unravel expression patterns found in rhizodermis, cortex, endodermis and central cylinder, respectively. Comparative studies were performed with three species of microorganisms having different life-styles: On the one hand the beneficial fungus Piriformospora indica, that can promote plant growth and crop yield and on the other hand two pathogens with the vascular fungus Verticillium longisporum, causing damage in oilseed rape production and the hemibiotrophic Oomycet Phytophthora parasitica, which causes plant damage on many crop plants. After performing TRAP with infected roots, the cell-type specific mRNA was analyzed via RNA-Sequencing resulting in a genome-wide impression of differentially expressed genes (Inf-TRAP-Seq). Massive differences occurred among the cell-layers approving the theory of cell-type specific immune responses. Moreover the defense responses varied according to inoculation with pathogenic or beneficial microorganisms probably due to their life-style. For example by using the newly established Inf-TRAP-Seq approach it was shown that positive regulators of cell proliferation were expressionally repressed in central cylinder of pathogen-infected roots but not in P. indica colonized roots. This correlates with the observation that root growth is suppressed after inoculation with pathogens but not after inoculation with P. indica. Although none of the three microorganisms is able to penetrate the central cylinder, differentially expressed genes were detected in this layer suggesting an exchange of signals to enable communication between inner and outer layers. Expression patterns were identified in the endodermis, that could lead to reinforcement of barrier functions of this cell-layer for example by lignification-processes. By this means the propagation of the microorganisms is restricted. All three microorganisms elicited induction of genes involved in biosynthesis of Trp-derived secondary metabolites, especially in the cortex. Now the biological relevance of these distributions can be investigated additionally. Hence, within this thesis for the first time a cell-type specific resolution was obtained regarding defense responses in the Arabidopsis-root triggered by microorganisms. A huge dataset was generated. This can be analyzed extensively by bioinformatics and its applications to set up new hypotheses, which can be tested by further approaches. An understanding of cell-type defined root defense responses is essential to facilitate new strategies for protecting crop plants against pathogens and to increase crop yield in agriculture.

About 2,000 of the more than 27,000 genes of the genetic model plant Arabidopsis thaliana encode for transcription factors (TFs), proteins that bind DNA in the promoter region of their target genes and thus act as transcriptional activators and repressors. Since TFs play essential roles in nearly all biological processes, they are of great scientific and biotechnological interest. This thesis concentrated on the functional characterisation of four selected members of the Arabidopsis DOF-family, namely DOF1.2, DOF3.1, DOF3.5 and DOF5.2, which were selected because of their specific expression pattern in the root tip, a region that comprises the stem cell niche and cells for the perception of environmental stimuli. DOF1.2, DOF3.1 and DOF3.5 are previously uncharacterized members of the Arabidopsis DOF-family, while DOF5.2 has been shown to be involved in the phototrophic flowering response. However, its role in root development has not been described so far. To identify biological processes regulated by the four DOF proteins in detail, molecular and physiological characterization of transgenic plants with modified levels of DOF1.2, DOF3.1, DOF3.5 and DOF5.2 expression (constitutive and inducible over-expression, artificial microRNA) was performed. Additionally expression patterns of the TFs and their target genes were analyzed using promoter-GUS lines and publicly available microarray data. Finally putative protein-protein interaction partners and upstream regulating TFs were identified using the yeast two-hybrid and one-hybrid system. This combinatorial approach revealed distinct biological functions of DOF1.2, DOF3.1, DOF3.5 and DOF5.2 in the context of root development. DOF1.2 and DOF3.5 are specifically and exclusively expressed in the root cap, including the central root cap (columella) and the lateral root cap, organs which are essential to direct oriented root growth. It could be demonstrated that both genes work in the plant hormone auxin signaling pathway and have an impact on distal cell differentiation. Altered levels of gene expression lead to changes in auxin distribution, abnormal cell division patterns and altered root growth orientation. DOF3.1 and DOF5.2 share a specific expression pattern in the organizing centre of the root stem cell niche, called the quiescent centre. Both genes redundantly control cell differentiation in the root´s proximal meristem and unravel a novel transcriptional regulation pathway for genes enriched in the QC cells. Furthermore this work revealed a novel bipartite nuclear localisation signal being present in the protein sequence of the DOF TF family from all sequenced plant species. Summing up, this work provides an important input into our knowledge about the role of DOF TFs during root development. Future work will concentrate on revealing the exact regulatory networks of DOF1.2, DOF3.1, DOF3.5 and DOF5.2 and their possible biotechnological applications. / Mehr noch als Tiere, die ihren Lebensraum unter widrigen Umständen verlassen können, sind Pflanzen mit einem festen Standort auf ihre Anpassungsfähigkeit angewiesen. Einen entscheidenden Beitrag dazu leistet die Genregulation, d.h. das gezielte An- und Ausschalten von Erbanlagen, den Genen. Vermittelt wird dieser Regulationsprozess unter anderem durch Transkriptionsfaktoren: Proteine, die die Fähigkeit besitzen, an bestimmte Regionen der Gene zu binden und damit deren Aktivität zu beeinflussen. In der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), die als Modellpflanze in der Genetik verwendet wird, existieren etwa 2000 solcher Transkriptionsfaktoren, eingeteilt in Familien, von denen einige auch in tierischen Organismen auftreten, andere pflanzenspezifisch sind. Auf Grund ihrer Funktion als wichtige Kontrollelemente sind sie von großem wissenschaftlichem und biotechnologischem Interesse. Im Rahmen dieser Doktorarbeit sollte die Funktion von vier pflanzenspezifischen Transkriptionsfaktoren, genannt DOF1.2, DOF3.1, DOF3.5 und DOF5.2, untersucht werden, welche durch ihre spezifische Aktivität in der Wurzelspitze der Ackerschmalwand identifiziert wurden. Um die Funktion dieser vier Regulatoren aufzuklären, wurden an der Modellpflanze gentechnische Veränderungen durchgeführt und die so veränderten, auch als transgen bezeichneten Pflanzen mit molekularbiologischen und physiologischen Methoden untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass DOF1.2 und DOF3.5 eine wesentliche Funktion beim gerichteten Wurzelwachstum spielen und ein seitliches Wachsen der Wurzel aufgrund veränderter Umwelteinflüsse verhindern, bzw. hervorrufen können. Die beiden anderen Proteine DOF3.1 und DOF5.2 erfüllen ihre Funktion in der Stammzellnische der Wurzel. Vergleichbar mit tierischen Stammzellen sind auch pflanzliche Stammzellen nicht zu einem bestimmten Zelltyp herangereift, sondern verbleiben in einem sogenannten undifferenzierten Zustand. Es konnte gezeigt werden, dass DOF3.1 und DOF5.2 zum Erhalt dieses Zustands benötigt werden, da nach Inaktivierung beider Proteine Zellspezialisierungen auftreten, die bei gentechnisch unveränderten Pflanzen nicht auftreten. Desweiteren konnte in dieser Arbeit geklärt werden, welcher Proteinabschnitt der DOF-Proteine für ihren Transport in den Zellkern notwendig ist. Denn da die pflanzlichen Erbanlagen im Zellkern vorliegen, muss für eine Einflussnahme auf deren Aktivität zunächst ein Transport der Regulationsproteine in den Zellkern stattfinden. Zusammengenommen konnte mit dieser Doktorarbeit das Wissen über Transkriptionsfaktoren und Entwicklungsprozesse der Wurzel erheblich erweitert werden. Zudem ist die Grundlage für interessante zukünftige Arbeiten gelegt worden. Dabei wird es von zentraler Bedeutung sein, komplexe Regulationsnetzwerke verstehen zu lernen und durch gezielte Manipulationen biotechnologisch nutzen zu können.

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Der radiale Wasserfluss durch die feinen Seitenwurzeln von Schilf- und Mais ist vom radialen Teilchenfluss entkoppelt. Der radiale Wasserfluss wird bereits im Kortex der Wurzel durch den Protoplasten kontrolliert, da die Strömung auf dem apoplastischen Zellwandweg um die Protoplasten herum gegenüber der Strömung durch die Protoplasten nicht signifikant ist. Der radiale Reflexionskoeffizient der Wurzeln wird durch den Reflexionskoeffizient der Plasmamembran bestimmt. Die Feinwurzeln von Schilf- und Mais besitzen einen Reflexionskoeffizienten für Salze, Zucker, Zuckeralkohole und Polymere der sich nicht signifikant von eins unterscheidet. An intakten Wurzeln wurde dies durch die Abwesenheit von solvent drag für NaCl und Mannitol bei der Steigerung des Wasserflusses und der gleich großen hydraulischen Wirkung von osmotischen und hydrostatischen Kräften auf die Exsudation nachgewiesen. Die radialen Wände der Endodermis von Schilf- und Maiswurzeln sind keine perfekte Diffusionsbarriere. Liegen die genannten Stoffe in einer signifikanten Konzentration in der Zellwand vor permeieren sie passiv unter Umgehung der Protoplasten durch die Endodermis in die Xylemgefäße. Auch die Epidermis/Hypodermis der untersuchten Wurzeln hat die Eigenschaft einer semipermeablen Membran in der osmotische Druckgradienten einen Volumenfluss erzeugen. Es wurden zwei Methoden etabliert, mit denen sich der osmotische Druck des Xylemsaftes in isolierten Feinwurzeln bestimmen lässt. Die Feinwurzeln unterschieden sich hinsichtlich des osmotischen Druckes ihres Xylemsaftes und ihrer radialen hydraulischen Leitfähigkeit stark. Die bekannte Fähigkeit der Schilfpflanzen Natriumionen an der Sprossbasis aus dem Xylem zu eliminieren muss um Chloridionen erweitert werden. Die hohe Permeabilität der Endodermis für NaCl verringert die osmotische Wirkung des Brackwassers auf die Wasseraufnahme. Die Entkopplung der Salzaufnahme vom Wasserfluss vermeidet eine exzessive Salzbelastung des Sprosses. / Radial Water fluxes are not coupled to the radial solute fluxes in fine lateral roots of mays and reed. The radial water flow is already controlled by the protoplast in the cortical parenchyma as the hydraulic conductivity of the cell wall path circumventing the protoplasts is negligible compared to hydraulic conductivity of the pathway through the protoplast. The radial reflection coefficient of the root is defined by the reflection coefficient of the plasma membrane. Therefore fine laterals of the common reed (Phragmites australis) and maize (Zea mays) therefore exhibit a reflection coefficient for salts, sugars, alditols and polymers that is not significantly different from unity. This conclusion was drawn from the absence of solvent drag for NaCl and mannitol with increasing water flux and by the observation of equality of the hydraulic effect of both osmotic and hydrostatic forces on the exudation flow in intact roots of both plants. The radial walls of the endodermis are no absolute barrier for diffusion of small osmolytes. In the presence of high cell wall concentrations, the abovementioned osmolytes passively permeated into the xylem vessels at high rates circumventing the protoplast. The epidermis/hypodermis exhibits a semipermeable barrier as well wherein osmotic forces can create a radial volume flux. Two methods were established that allow for the determination of the flow direction and the osmotic pressure of the xylem sap in isolated fine laterals. Laterals differed strongly regarding their hydraulic conductivity and the osmotic pressure of their xylem sap. The known ability of the reed plant to remove sodium ions from the ascending sap has to be expanded for chloride. The high permeability of the endodermis for NaCl reduces the osmotic force of the brackish medium on water uptake. Uncoupling of radial water from the solute fluxes avoids the excessive permeation of NaCl and its accumulation in the assimilating leaves at high rates of transpiration.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit drei verschiedenen Temperaturmessmethoden VCE, VGTH sowie über die Messung der thermsichen Impedanz mit 10ms langen Lastimpulsen und vergleicht die Messergebnisse mit zwei Simulatoren. Dabei wird ein Schaltungs- sowie ein Halbleitersimulator verwendet und das bisherige Simulationsmodell angepasst.

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