Techn. Hochsch., Diss., 2002--Aachen.

Universiẗat, Diss., 2003--Giessen.

Universiẗat, Diss., 2003--Giessen.

University, Diss., 2005--Köln.

Der Klimawandel geht einher mit einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur und einem dadurch induzierten Wassermangel. Diese beiden abiotischen Stressfaktoren führen zu einer Reduzierung der landwirtschaftlichen Erträge und Biomassen von Kulturpflanzen. Daher ist eine Anpassung der betroffenen Pflanzenarten an das sich ändernde Klima erforderlich, um die landwirtschaftliche Produktivität in Zukunft aufrechtzuerhalten. Gegenwärtig ist unser Wissen über Strategien zur Toleranz gegenüber abiotischem Stress sowie über Genom- und Transkriptionsinformationen auf wenige Modellorganismen von Angiospermen beschränkt, so dass diese Informationen die Basis für die Forschung an Trockenheit und Hitzestress darstellen. Die Untersuchung der Stressadaption innerhalb und zwischen verschiedenen Pflanzengattungen ist von besonderer Relevanz. Vor diesem Hintergrund habe ich im Rahmen meiner Doktorarbeit die Überlebensstrategie der extremophilen Wüstenpflanze Phoenix dactylifera (Dattelpalme) im Vergleich zu zwei Mesophilen, der Kulturpflanze Hordeum vulgare (Gerste) und der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, untersucht. Dattelpalmen sind nicht sukkulente Wüstenpflanzen, die auch unter extremen Trocken- und Hitzebedingungen in den Wüsten der Arabischen Halbinsel wachsen und ertragreich Früchte produzieren. In Phoenix dactylifera ist bislang weder die Molekularbiologie und –physiologie der Schließzellen, vor allem der Anionenkanäle, verstanden, noch wurde der Hitzeschutz ihrer Zuckertransportproteine untersucht. Um die stomatäre Reaktion auf das Trockenstresshormon ABA (Abscisinsäure) zu verstehen, klonierten wir die Hauptkomponenten des schnellen ABA-Signalwegs von Schließzellen und analysierten den Öffnungsmechanismus der Anionenkanäle aus der Dattelpalme und der Gerste vergleichend zu dem Anionenkanal aus Arabidopsis im heterologen Expressionssystem der Xenopus Oozyten. Beide monokotyledonen Pflanzenarten (Gerste und Dattelpalme) besitzen stomatäre Komplexe, die aus Schließzellen und Nebenzellen bestehen. Dies unterscheidet die Monokotyledonen von den Dikotyledonen, die normalerweise Stomakomplexe aufweisen, die nur aus einem Paar Schließzellen gebildet werden. Interessanterweise schlossen sich Dattelpalmen- und Gerstenstomata als Reaktion auf das Trockenstresshormon ABA nur in Gegenwart von extrazellulärem Nitrat. Der heterolog-exprimierte Anionenkanal PdSLAC1 wird durch die ABA-Kinase PdOST1 aktiviert und diese Aktivierung wird durch die Koexpression der PP2C-Phosphatase ABI1 gehemmt. Daher wird PdSLAC1 wie seine Orthologen aus Gerste und Arabidopsis durch ein ABA-abhängiges Phosphorylierungs-/Dephosphorylierungsnetzwerk gesteuert. PdOST1 aktivierte den Anionenkanal PdSLAC1 jedoch nur in Gegenwart von extrazellulärem Nitrat - eine elektrische Eigenschaft, die PdSLAC1 mit HvSLAC1 der Gerste gemein hat, sich jedoch von AtSLAC1 unterscheidet. Angesichts der Tatsache, dass in Gegenwart von Nitrat ABA den Stomaschluss verstärkt und beschleunigt, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass bei Dattelpalmen und Gerste Nitrat als Ligand zum Öffnen von SLAC1 benötigt wird. Dies initiiert die Depolarisation der Schließzellen und leitet schließlich den Stomaschluss ein, um den Wasserverlust der Pflanzen unter Trockenstressbedingungen zu minimieren. Um die monokotyledone spezifische Nitratabhängigkeit von SLAC1 zu verstehen, führten wir ortsgerichtete Mutagenesestudien auf Basis eines 3D-Modells durch, welche zudem vergleichende Studien an Chimären von Monokotylen- und Dikotylen-SLAC1 Anionenkanälen umfassten. Unsere Struktur-Funktions-Forschung identifizierte zwei Aminosäurenreste auf der Transmembrandomäne 3 (TMD3), die eine wesentliche Rolle bei der Nitrat-abhängigen Regulierung von SLAC1 Anionenkanälen monokotyledoner Pflanzen spielen. Die phylogenetische Analyse ergab schließlich, dass während der Evolution die für Monokotlyedonen spezifische Nitrat-abhängige Regulierung erst nach der Trennung in Monokotyledonen und Dikotyledonen auftrat. Durch die Nitrat-sensitive Regulierung von SLAC1 Anionenkanälen beruht der schnelle Stomaschluss von Monokotyledonen auf dem Zusammenspiel des Trockenstresshormons ABA und dem Stickstoffhaushalt der Pflanze. Da der ABA-Signalweg von Arabidopsis umfassend untersucht wurde, könnte die Entdeckung des monokotyledonen spezifischen Nitrat-abhängigen Motivs in TMD3 nun als Stellschraube zur Verbesserung der Züchtungsprogramme dikotyledoner Nutzpflanzen dienen. Wüstenpflanzen leiden nicht nur unter Trockenheit, sondern auch unter extremem Hitzestress. Wir konnten zeigen, dass hitzebelastete Dattelpalmen große Mengen der flüchtigen Kohlenwasserstoffverbindung Isopren (2-Methyl-1,3-Butadien) produzieren und emittieren. Durch die vorübergehende Freisetzung von Isopren kann die Pflanze die Photosynthese auch bei extremen Temperaturen betreiben. Es ist jedoch nicht bekannt, ob und wie Isopren in Hitzeperioden auch Transportprozesse durch biologische Membranen schützt. Um den Einfluss von Isopren auf den Transmembrantransport zu untersuchen, identifizierten und klonierten wir den Protonen-gekoppelten Saccharosetransporter 1 (PdSUT1) der Dattelpalme und verglichen seine elektrischen Eigenschaften mit ZmSUT1 (Zea mays Sucrose Transporter 1) im heterologen Expressionssystem der Xenopus Oozyten. Interessanterweise waren das elektrische Verhalten, die kinetischen Eigenschaften und die Temperaturabhängigkeit beider Transporter ähnlich. Die Anwendung von Isopren veränderte jedoch massiv die Affinität von ZmSUT1 zu seinem Substrat Saccharose, während die Affinität des Transporters der Dattelpalme nur schwach beeinflusst wurde. Es wird angenommen, dass die Membranfluidität unter Hitzestress erniedrigt ist, welches durch Interkalierung von Isopren mit den Fettsäureketten biologischer Membrane einhergeht. Dies und die Unempfindlichkeit von PdSUT1 gegenüber Isopren deuten darauf hin, dass der Saccharosetransporter PdSUT1 aus der Wüstenpflanze auch bei hohen Temperaturen Saccharose mit hoher Affinität transportiert. Zukünftige Studien müssen nun klären, ob der flüchtige Kohlenwasserstoff Isopren einen direkten Einfluss auf den Transporter selbst hat oder Isopren in die Membran integriert und damit indirekt die Eigenschaften von Transportproteinen beeinflusst. Unabhängig von der Wirkungsweise von Isopren sollte nicht unerwähnt bleiben, dass PdSUT1 gegenüber Isopren weniger empfindlich ist als sein Ortholog ZmSUT1 aus Mais. Dies kann auf eine Anpassung des Saccharosetransporters an die extremen Hitzeperioden und die damit einhergehende Isoprenemission von Dattelpalmen zurückzuführen sein. / Low water availability and heat stress present major barriers to achievíng high biomass and full yield potential in crops. Global climate change is accompanied by a subtle increase in the severity of these abiotic stresses. Thus, the adaptation of crop species to the changing climate is required in order to sustain agricultural productivity in the future. Currently, our knowledge of plant strategies for abiotic stress tolerance as well as genomic and transcriptional information is limited to a few model angiosperms, providing a starting point for the understanding of responses to drought and/or heat stress, within and across species. In the framework of my PhD thesis, we followed a different strategy to learn about abiotic stress tolerance: we studied the survival strategy of the extremophilic desert plant Phoenix dactylifera (date palm) in comparison to the crop Hordeum vulgare (barley) and the model plant Arabidopsis thaliana, both from temperate zones. Date palms grow and produce fruits even under extreme drought and heat conditions in the deserts of the Arabian Peninsula. Neither the molecular biology and physiology of guard cells nor the heat protection of transport protein mediated sugar and ion transport processes have been studied so far in this non-succulent desert plant, Phoenix dactylifera. To understand the stomatal response to the water stress phytohormone ABA (abscisic acid), we cloned the major components for guard cell fast abscisic acid signaling and analysed the anion channel opening mechanism of the date palm side by side with barley and Arabidopsis in Xenopus oocytes. Both monocot plant species (barley and date palm) possess stomatal complexes consisting of guard cells and subsidiary cells. This distinguishes monocot species from dicots, which usually exhibit stomatal complexes formed by a pair of guard cells only. Interestingly, date palm and barley stomata closed in response to the drought stress hormone ABA only in the presence of extracellular nitrate. Heterologously expressed Phoenix SLAC1-type anion channel PdSLAC1 is activated by the ABA kinase PdOST1 and this activation is inhibited by the coexpression of PP2C phosphatase ABI1 – thus like its counterparts from barley and Arabidopsis, PdSLAC1 is controlled by an ABA-dependent phosphorylation/dephosphorylation network. However, PdOST1 did activate the desert plant anion channel PdSLAC1 only in the presence of extracellular nitrate – an electrical property that PdSLAC1 shares with the barley SLAC1 but distinguishes both monocot SLAC1 channels from AtSLAC1. Given that, in the presence of nitrate, ABA enhanced and accelerated stomatal closure, our findings indicate that the guard cell osmotic motor driving stomatal closure in date palm and barley uses nitrate as the signal to open the major anion channel SLAC1. This initiates guard cell depolarization and finally stomatal closure to prevent plant wilting under drought stress conditions. To understand the monocot-specific SLAC1 nitrate dependency, we performed a 3D-model- based site-directed mutagenesis study including chimeric channels between monocot and dicot SLAC1 anion channels. Our structure-function research identified two residues on transmembrane domain 3 (TMD3) that play an essential role in nitrate-dependent gating of monocot SLAC1-type anion channels. Phylogenetic analysis finally revealed that during evolution the monocot specific nitrate-dependent gating was established after the split between monocots and dicots. Thus, the success of monocot species may in part rely on the integration of drought signals (ABA) and the nitrogen nutrition status of the plant via nitrate-sensitive gating of SLAC1 anion channels. Since the Arabidopsis ABA-signaling pathway has been extensively studied, the discovery of the monocot-specific nitrate dependent motif on TMD3 could now serve as a set screw to improve the breeding programs of dicot agricultural crops. Desert plants not only suffer from drought but also from extreme heat stress. We could show that heat-stressed date palms produce and emit high amounts of the volatile hydrocarbon compound isoprene (2-Methyl-1,3-Butadien). The temporary release of isoprene allows the plant to perform photosynthesis even under extreme temperatures. However, it is not known whether and how isoprene also protects transport processes across biological membranes in periods of heat. To study the influence of isoprene on transmembrane transport, we identified and cloned the date palm proton-coupled sucrose transporter 1 (PdSUT1) and compared its electrical properties with ZmSUT1 (Zea mays Sucrose Transporter 1) in the heterologous expression system of Xenopus oocytes. Interestingly, the electrical behavior, the kinetic properties and the temperature dependence of both carriers were similar. However, the response to isoprene application massively altered the affinity of ZmSUT1 to its substrate sucrose while the affinity of the date palm transporter was only weakly affected. The intercalation of isoprene with the fatty acid chains of biological membranes is believed to decrease the membrane fluidity under heat stress. This and the insensitivity of PdSUT1 towards isoprene may indicate that the desert plant sucrose transporter PdSUT1 transports sucrose with high affinity even at high temperatures. Future studies must now clarify whether the volatile hydrocarbon isoprene has a direct influence on the carrier itself or isoprene integrates into the membrane and thus indirectly influences the properties of transport proteins. Regardless of the mode of action of isoprene, it remains to be noted that PdSUT1 is less sensitive to isoprene than its orthologue from maize. This may be an adaptation of the sucrose carrier to the extreme heat periods and the accompanying isoprene emission from date palms.

Summary Using the facultative root hemiparasite Rhinanthus minor and Hordeum vulgare as a host, several aspects of water relations, the flows and partitioning of mineral nutrients, the flows, depositions and metabolism of abscisic acid (ABA) and zeatin type cytokinins (zeatin Z, zeatin riboside ZR, zeatin nucleotide ZN) within the host, the parasite and between host and parasite and the flows and partitioning of the transport metabolites mannitol in the parasite, and of sucrose in the host, have been studied during the study period 41 to 54 days after planting, i.e about 30 to 43 days after successful attachment of the parasite to the host. Water relations Extraction of xylem sap by the parasite from the host’s roots is facilitated by considerably higher transpiration per leaf area in the parasite than in the host and by the fact that stomata of attached Rhinanthus were wide open all day and night despite extremely high ABA concentrations in the leaves. By comparison, another related root hemiparasite, Melampyrum arvense, parasitising on various grasses in the field (botanic garden), showed normal diurnal stomatal behaviour. The abnormal behaviour of Rhinanthus stomata was not due to anatomical reasons as closure could be induced by applying high external ABA concentrations. Remarkable differences have been detected between the hydraulic conductance of barley seminal roots showing relatively low values, and that of Rhinanthus the seminal root showing very high values. The latter could be related to the observed high ABA concentrations in these roots. Whole plant water uptake, transpirational losses, growth-dependent deposition and the flows of water within the plants have been measured in singly growing Rhinanthus and Hordeum plants and in the parasitic association between the two. Water uptake, deposition and transpiration in Rhinanthus were dramatically increased after attachment to the barley host; most of the water used by the parasite was extracted as xylem sap from the host, thereby scavenging 20% of the total water taken up by the host’s roots. This water uptake by the parasitised host, however, due to a parasite induced reduction in the hosts growth, was decreased by 22% as compared to non- parasitised barley. The overall changes in growth-related water deposition in host and parasite pointed to decreased shoot and relatively favoured root growth in the host and to strongly favoured shoot growth and less strongly increased root growth only in the parasite. These changes in the host became more severe, when more than one Rhinanthus was parasitising one barley plant. Mineral nutrients relations 5 mM NO3- supply In parasitising Rhinanthus shoot growth was 12-fold, but root growth only twofold increased compared to the non-parasitising (very small) plants. On the other hand, in the Hordeum host, shoot dry matter growth was clearly reduced, by 33% in leaf laminae and by 52% in leaf sheaths, whereas root growth was only slightly reduced as a consequence of parasitism. Growth-dependent increments of total N and P and of K, Ca and Mg in parasitising Rhinanthus shoot were strongly increased, particularly increments of total N and P, which were 18 and 42 times, respectively, higher than in the small solitary Rhinanthus. On the other hand, increments of the above mineral nutrients in leaf sheaths of parasitised Hordeum vulgare were more strongly decreased than in leaf laminae in response to parasitic attack. Estimation of the flows of nutrients revealed that Rhinanthus withdrew from the host xylem sap about the same percentage of each nutrients: 18% of total N, 22% of P and 20% of K. Within the host almost all net flows of nutrient ions were decreased due to parasitism, but retranslocation from shoot to root-as related to xylem flow-was somewhat increased for all nutrients. Quantitative information is provided to show that the substantially increased growth in the shoot of attached Rhinanthus and the observed decrease in Hordeum shoot growth after infection were related to strongly elevated supply of nitrogen and phosphorus in the parasite and to incipient deficiency of these nutrients in the parasitised host. The flows of nutrients between host and parasite are discussed in terms of low selectivity of nutrient abstraction from the host xylem by the hemiparasite Rhinanthus minor. 1 mM NO3- or 1 mM NH4+ supply Rhinanthus shoot growth as measured by dry matter increase, was 19-fold (1 mM NO3-) and 15-fold (1 mM NH4+), but root growth only twofold (1 mM NO3-) and 2.9-fold (1 mM NH4+) increased-relative to singly growing Rhinanthus-when parasitising on host barley. In the Hordeum host, shoot dry matter growth was clearly reduced, whereas root growth was only slightly affected. Growth-dependent increments of total N and P and of K, Ca and Mg in parasitising Rhinanthus shoot were strongly increased, particularly increments of total N or of P, which were 20 or 53 times (1 mM NO3-) and 18 or 51 times (1 mM NH4+) , respectively, higher than those in solitary Rhinanthus. Within the host almost all net flows of nutrient ions were decreased due to parasitism. Flows of mannitol in parasite and sucrose flows in host barley When the plants were supplied with 5 mM NO3-, the biosynthesis of mannitol in Rhinanthus shoots increased 16-fold by parasitism, resulting in a 15-fold higher mannitol flow in the phloem and a 10-fold higher deposition in the shoot. Also the backward transport of mannitol in the xylem were increased 10-fold after attachment. Lower level nitrogen supply increased the deposition of mannitol in both single and attached Rhinanthus shoot and root. No mannitol was found in barley roots even in the direct vicinity of the haustoria. This indicates there are no backward transport of xylem sap from parasite to host. Compared to unparasitised barley, the net biosynthesis and deposition of sucrose in the shoot and the phloem flow was decreased substantially when plants were supplied with 5 mM NO3- or 1 mM NO3-. No sucrose has been detected in barley xylem sap and consequently there was no indication of a sucrose transfer from the host to the parasite. A possible involvement of mannitol in the abscisic acid relations of the parasite is discussed. ABA relations When the plants were supplied with 5 mM NO3-, there were weak or no effects of parasitism on ABA flows, biosynthesis and ABA degradation in barley. However, ABA growth-dependent deposition was significantly increased in the leaf laminae (3 fold) and in leaf sheath (2.4 fold), but not in roots. Dramatic changes in ABA flows, metabolism and deposition on a per plant basis, however, have been observed in Rhinanthus. Biosynthesis in the roots was 12-fold higher after attachment resulting in 14-fold higher ABA flows in the xylem. A large portion of this ABA was metabolised, a small portion was deposited. Phloem flows of ABA were increased 13-fold after attachment. The concentrations of ABA in tissues and xylem sap were higher in attached Rhinanthus by an order of magnitude than in host tissues and xylem sap. Similar dramatic difference existed when comparing the high concentrations in the xylem sap of single Rhinanthus with unparasitised barley. As compared to 5 mM NO3-, lower NO3- or 1 mM NH4+ supply doubled the ABA concentrations in barley leaf laminae, while having only small or no significant effects in the other organs. The possible special functions of ABA for the parasite are discussed. Zeatin type cytokinins relations Parasitism decreased, in the case of zeatin (Z), the synthesis (by 57%) in the root, xylem flows (by 56%) and metabolism (by 71%) in leaf laminae, however, increased the phloem flows of zeatin massively (3-fold) in host barley. The deposition of zeatin in the root of Rhinanthus and the flowing in xylem and phloem were 24, 12, 29-fold, respectively, increased after successfully attaching to the host barley. However, net biosynthesis of zeatin in Rhinanthus roots decreased by 39% after attachment. This indicates that a large portion (70%) of xylem flow of zeatin in attached Rhinanthus was extracted from the host. In singly growing Rhinanthus plants, the balance of zeatin deposition in the shoot was negative, i.e. zeatin was metabolised and exported back to root in the phloem. The xylem flows of zeatin riboside (ZR) in barley decreased by 39% after infected by Rhinanthus; phloem flow, which was 117% relative to xylem flow was less decreased (by 13%) after infection. Deposition of ZR has not been significantly affected in the leaf laminae, in leaf sheaths and roots. After parasitising on the host barley depositions in root, xylem flow and phloem flow increased 12, 18, 88–fold respectively in Rhinanthus. A large portion (57%) of xylem flow of ZR in attached Rhinanthus was extracted from the host. In single Rhinanthus increament of shoot zeatin riboside was negative and a substantial portion was degraded in shoot and the rest was retranslocated back to the root in the phloem. A significant depositions of Z and ZR were detected in the haustoria of the Rhinanthus/barley association. Flows and deposition of zeatin nucleotides also have been investigated. The possible physiological functions of the large quantities of Z and ZR derived from the host barley, for the improved growth and the stomatal opening in the parasitising Rhinanthus are discussed. / Zusammenfassung An dem fakultativen Hemiparasiten Rhinanthus minor, einem Wurzelparasiten, und Gerste (Hordeum vulgare) als Wirtspflanze wurden verschiedene Aspekte des Wasserhaushaltes sowie die Flüsse von mineralischen Nährstoffen in den Leitbahnen von Wirt und Parasit, die Verteilung der Nährstoffe in den ganzen Pflanzen sowie deren Transport vom Wirt zum Parasiten untersucht. Auch für die pflanzlichen Hormone Abszisinsäure (ABA) und die Cytokinine vom Zeatintyp - Zeatin (Z), Zeatinribosid (ZR) und Zeatinnukleotid (ZN) - und die hauptsächlichen Transportmetabolite Mannit (im Parasiten) und Saccharose (in der Wirtspflanze) wurden deren Flüsse in den Leitbahnen der Pflanzen, ihre Verteilung in den Pflanzen, ihre metabolischen Umwandlungen und der mögliche Austausch zwischen Wirt und Parasit untersucht. Der Unersuchungszeitraum lag zwischen 41 und 54 Tagen nach der Aussaat und das war zugleich zwischen ca. 30 und 43 Tage nach dem erfolgreichen Befall des Wirtes durch den Parasiten. Wasserhaushalt. Ein Entzug von Xylemsaft durch die Haustorien des Parasiten aus den Wurzeln des Wirtes wird dadurch bewirkt, dass der Parasit eine wesentlich höhere Transpiration pro Blattfläche aufweist als die Wirtspflanze, sowie im speziellen Fall dadurch, dass bei parasitierenden Rhinanthus-Pflanzen trotz sehr hoher ABA-Konzentration in den Blättern die Stomata Tag und Nacht weit geöffnet sind. Bei einem verwandten Wurzel-Hemiparasiten, Melampyrum arvense, der im botanischen Garten auf verschiedenen Gräsern parasitierte, wurde anders als bei Rhinanthus im Freiland ein normales diurnales Öffnen und Schließen der Stomata beobachtet. Das anomale Spaltöffnungsverhalten bei Rhinanthus beruht freilich nicht auf anatomischen Besonderheiten, denn ein Schließen der Stomata ließ sich durch Applikation extrem hoher ABA – Konzentrationen induzieren. Bemerkenswerte Unterschiede zwischen der Wirtspflanze und dem Parasiten wurden hinsichtlich der hydraulischen Leitfähigkeit der Keimwurzeln von Gerste mit vergleichsweise niedrigen Werten und derjenigen der Keimwurzel von Rhinanthus mit sehr hohen Werten gemessen. Letzteres könnte mit den beobachteten hohen ABA Konzentrationen in den Wurzeln des Parasiten zusammenhängen. Die Wasseraufnahme durch die ganze Pflanze, die Transpiration, die Deposition von Zellwasser in den Organen und die Wasserflüsse in den Leitbahnen innerhalb der Pflanze wurden in unabhängig wachsenden Rhinanthus- und in Hordeum- Pflanzen sowie innerhalb der parasitischen Assoziation zwischen beiden gemessen. Die Aufnahme von Wasser, seine Einlagerung und die Transpiration waren bei Rhinanthus nach erfolgreichem Befall einer Gersten – Wirtspflanze drastisch erhöht, wobei der Hauptanteil des vom Parasiten genutzten Wassers vom Wirt stammte und wodurch 20% der gesamten Wasseraufnahme der Gerstenwurzel entzogen wurde. In der vom Parasiten befallenen Gerste wurde dadurch jedoch die Wasseraufnahme im Vergleich zu einer unbefallenen Pflanze um 22% erniedrigt und zugleich auch das Wachstum behindert. Insgesamt kam es in der Wirtspflanze Gerste zu vermindertem Spross- und relativ gefördertem Wurzelwachstum, während im Parasiten Rhinanthus besonders das Sprosswachstum und weniger das Wurzelwachstum gesteigert wurde. Diese Veränderungen in der Wirtspflanze wurden deutlich intensiviert, wenn die Gerste von mehr als einem Rhinanthus-Parasiten befallen wurde. Mineralstoffwechsel. Düngung mit 5 mM NO3- In parasitierenden Rhinanthus-Pflanzen war das Sprosswachstum 12 – fach, das der Wurzel aber nur zweifach im Vergleich zu selbstständig wachsenden (sehr kleinen) Pflanzen erhöht. Andererseits war in der vom Parasiten befallenen Gerste das Sprosswachstum – gemessen als Trockenmassezunahme – deutlich erniedrigt, und zwar um 33% in Blattspreiten und um 52% in Blattscheiden, während das Wurzelwachstum nur geringfügig im Vergleich zur unbefallenen Kontrolle vermindert war. Die mit dem Wachstum verbundenen Inkorporationen von N, von P, von K sowie von Ca und Mg waren im Spross von parasitisch ernährtem Rhinanthus beträchtlich erhöht, besonders die von N und von P, die 18- oder sogar 42-fach im Vergleich zu den selbständig wachsenden Pflänzchen erhöht waren. Andererseits waren in der Wirtspflanze infolge des Parasitenbefalles die Inkorporationen der genannten Mineralstoffe in den Blattscheiden stärker als in den Blattspreiten erniedrigt. Eine Berechnung der Nährstoffflüsse zeigte, dass Rhinanthus dem Xylemsaft des Wirtes jeweils ähnliche Anteile der Nährstoffe entzog: 18% des insgesamt aufgenommenen N, 22% des P und 20% des K. Innerhalb der Wirtspflanze Gerste waren die Nettoflüsse fast aller mineralischen Nährstoff-Ionen in den Leitbahnen infolge des Parasitenbefalles erniedrigt, aber die Retranslokation im Phloem vom Spross zur Wurzel war für alle Nährstoffe – in Bezug auf den Xylemtransport - geringfügig erhöht. Quantitative Daten deuten an, dass das drastisch gesteigerte Sprosswachstum in parasitisch ernährtem Rhinanthus sowie das vermindere Sprosswachstum bei der Gerste nach dem Parasitenbefall kausal einerseits mit der beträchtlich erhöhten Zufuhr von gebundenem Stickstoff und Phosphor an den Parasiten und andererseits mit einem einsetzenden Mangel an diesen Nährstoffen in der befallenen Wirtspflanze verbunden ist. Insgesamt werden die Nährstoff-Flüsse von der Wirtspflanze zum Parasiten im Lichte einer nur geringfügigen Selektivität des Entzuges von Nährstoff-Ionen zusammen mit dem Xylemsaft aus dem Xylem des Wirtes durch die Haustorien des Wurzelparasiten Rhinanthus minor diskutiert. Düngung mit 1 mM NO3- oder 1 mM NH4+ Das als Trockenmassezunahme gemessene Sprosswachstum von parasitisch ernährtem Rhinanthus war 19-fach (1 mM NO3-) bzw. 15-fach (1 mM NH4+) , das Wurzelwachstum aber nur 2-fach (1 mM NO3-) bzw. 2.9-fach (1 mM NH4+) im Vergleich zur selbständig wachsenden Kontrolle erhöht. In der Wirtspflanze Gerste war das Sprosswachstum deutlich vermindert, während das Wurzelwachstum nur wenig beeinflusst war. Die mit dem Wachstum verbunden Zunahme an gebundenem N und P sowie an K, Ca und Mg waren im Spross von parasitisch ernährtem Rhinanthus stark vermehrt, und zwar besonders die Zunahme an gebundenem N bzw. P, die 20- bzw. 53-fach (bei 1 mM NO3-) und 18- bzw. 51-fach (bei 1 mM NH4+) im Vergleich zu selbständig wachsenden Rhinanthus- Pflänzchen erhöht waren. Innerhalb der Wirtspflanze Gerste waren fast alle Nettoflüsse der verschiedenen Nährstoff-Ionen infolge des Parasitenbefalles erniedrigt. Flüsse von Mannit im Parasiten Rhinanthus und von Saccharose in der Wirtspflanze Gerste. Im Falle einer Stickstoffernährung mit 5 mM NO3- war die Biosynthese von Mannit in den Blättern von parasitisch ernährtem Rhinanthus 16-fach im Vergleich zum selbständig wachsenden Pflänzchen erhöht und das führte zu einem 15-fach gesteigerten Phloemtransport zur Wurzel und einer 10-fach erhöhten Einlagerung von Mannit im Spross. Auch der Rücktransport von Mannit im Xylem von der Wurzel zum Spross war 10-fach erhöht. Im Falle einer Stickstoffernährung mit geringerer Konzentration war die Einlagerung von Mannit im Spross und in der Wurzel sowohl bei selbständig wachsendem als auch bei parasitisch ernährtem Rhinanthus im Vergleich zu 5 mM NO3- erhöht. In der Wirtspflanze Gerste konnte kein Mannit detektiert werden, auch nicht in den Wurzeln von Rhinanthus-befallenen Pflanzen, selbst nicht in direkter Nachbarschaft zu den Haustorien des Parasiten; das bedeutet, es erfolgte kein Rücktransport von Xylemsaft vom Parasiten zur Wirtspflanze. In den Gerstenpflanzen – bei Ernährung mit 5 mM oder mit 1 mM NO3- – wurde die Nettosynthese von Saccharose sowie ihre Einlagerung im Spross und ihr Transport im Phloem zur Wurzel erheblich infolge eines Befalles mit Rhinanthus erniedrigt. Im Xylemsaft von Gerste war die Konzentration von Saccharose unterhalb der Nachweisgrenze und folglich gab es keinen Hinweis auf einen Transfer von Saccharose aus dem Wirt in den Parasiten. Eine mögliche Bedeutung von Mannit für die hohen ABA-Konzentrationen in Rhinanthus wird diskutiert. Konzentrationen und Flüsse von ABA. Bei einer Stickstoffernährung mit 5 mM NO3- hatte ein parasitischer Befall mit Rhinanthus nur geringen oder keinen Einfluss auf die Flüsse, die Biosynthese oder den metabolischen Abbau von ABA in der Gerstenpflanze. Wohl aber wurde die wachstumsbedingte Einlagerung von ABA in den Blattspreiten (3-fach) und den Blattscheiden (2.4-fach) vermehrt, diejenige in der Wurzel blieb aber unverändert. In Rhinanthus dagegen führte der erfolgreiche Befall einer Wirtspflanze zu drastischen Veränderungen der Flüsse, des Metabolismus und der Einlagerung von ABA in die Gewebe, jeweils gemessen im Bezug auf eine ganze Pflanze. Auf dieser Basis war die ABA-Biosynthese in den Wurzeln nach erfolgreichem Befall eines Wirtes 12-fach höher und dies führte zu 14-fach höherem ABA-Transport im Xylem. Ein großer Anteil dieser ABA wurde im Spross metabolisiert, ein kleiner Anteil wurde in die Gewebe eingelagert. Auch die ABA-Flüsse im Phloem wurden 13-fach erhöht. Gleichzeitig waren die ABA-Konzentrationen in den Geweben und im Xylemsaft der parasitierenden Rhinanthus-Pflanze um eine Größenordnung höher als in den Geweben und im Xylemsaft der Wirtspflanze. Dasselbe gilt auch für einen Vergleich zwischen den hohen ABA-Konzentrationen im Xylemsaft von selbstständig wachsendem Rhinanthus und den niedrigen in nicht vom Parasiten befallener Gerste. Im Vergleich zur Ernährung mit 5 mM NO3- führte 1 mM NO3- oder auch 1 mM NH4+ zu einer Verdoppelung der ABA-Konzentrationen in den Blattspreiten von Gerste, hatte aber nur geringe oder keine Wirkung in den anderen Organen. Mögliche spezielle Funktionen von ABA für den Parasiten werden diskutiert. Cytokinine vom Zeatin-Typ Ein parasitischer Befall verminderte bei Zeatin (Z) seine Synthese in der Wurzel der Wirtspflanze Gerste (um 57%), den Xylemtransport (um 56%) und den metabolischen Umbau in den Blattspreiten (um 71%), jedoch vergrößerte er zugleich substantiell (3-fach) den Phloemtransport von Zeatin in der Gerste. In Rhinanthus wurde die Einlagerung von Zeatin in der Wurzel und seine auf eine ganze Pflanze bezogenen Flüsse im Xylem und im Phloem 24-, 12- bzw. 29-fach nach erfolgreichem Befall von Gerste erhöht. Jedoch die Netto-Biosynthese von Zeatin in der Wurzel von Rhinanthus verminderte sich um 39% nach erfolgreichem Befall des Wirtes. Das bedeutet, dass ein großer Anteil (70 %) des im Xylem von Rhinanthus transportierten Zeatin zuvor dem Xylem der Wirtspflanze Gerste entzogen wurde. Im Spross selbständig wachsender Rhinanthus-Pflänzchen war die Einlagerung von Zeatin in die Sprossgewebe in der Bilanz negativ, d.h. Zeatin wurde abgebaut bzw. im Phloem abtransportiert. Die Flüsse von Zeatinribosid (ZR) im Xylem von Gerste wurden nach einem Befall durch Rhinanthus um 39% erniedrigt, aber seine Retranslokation vom Spross zur Wurzel im Phloem, die 117% des Xylemtransportes betrug, wurde nur schwach (um 13%) nach dem Befall erniedrigt. Die Einlagerung von ZR in die Gewebe wurde in den Blattspreiten, den Blattscheiden und den Wurzeln nicht signifikant beeinflusst. Andererseits waren nach einem erfolgreichen Befall von Gerste in Rhinanthus die Einlagerung von ZR in Wurzelgewebe und seine Flüsse im Xylem und im Phloem, alle im Bezug auf die ganze Rhinanthus-Pflanze, 12-, 18- bzw. 88-fach erhöht. Ein beträchtlicher Anteil (57%) des im Xylem von Rhinanthus transportierten ZR entstammte freilich wiederum dem Xylem der Wurzel der Wirtspflanze Gerste. Im Spross selbständig wachsender Rhinanthus-Pflänzchen nahm die Menge an ZR (wie die von Zeatin) im Laufe des Untersuchungs-Intervalles ab, wobei ein beträchtlicher Anteil im Spross metabolisiert wurde und der Rest mit dem Phloem in die Wurzel transportiert. In die an den Gerstenwurzeln sitzenden Haustorien des Parasiten Rhinanthus wurden beträchtliche Mengen an Zeatin und an ZR eingelagert. Auch die Flüsse und die Einlagerung der Zeatinnukleotide in die Gewebe sind untersucht worden. Eine mögliche physiologische Funktion der aus dem Wirt stammenden großen Mengen an Zeatin und an ZR für das gesteigerte Wachstum und die Stomata-Öffnung im parasitierenden Rhinanthus wird diskutiert.

In ihrer Evolution mussten Pflanzen Strategien entwickeln um sich sowohl gegen Pathogene aus der Luft als auch solche im Boden zu verteidigen. Diese Resistenzmechanismen der Pflanzen zu verstehen ist von höchster Wichtigkeit für die moderne Gesellschaft. Die Weltbevölkerung wächst schnell, was zu der Notwendigkeit führt, die landwirtschaftlichen Flächen möglichst optimal zu nutzen. Ohne die Weiterentwicklung der landwirtschaftlichen Methoden wird eine ausreichende Versorgung mit Grundnahrungsmitteln nicht möglich sein. Obwohl nicht viele Daten zu diesem Thema vorliegen, ist es sehr wahrscheinlich, dass ein hoher Prozentsatz der jährlichen Ernteverluste auf Pflanzenkrankheiten zurückzuführen ist (Orke et al. 1994, Pinstrup-Andersen; 2001). Der Ernteverlust ist nicht ausschließlich auf den Tod der infizierten Pflanze zurückzuführen, sondern vielmehr auf die sogenannten Resistenzkosten Walters und Heil; 2007). Um sich gegen das Pathogen zu schützen müssen Ressourcen genutzt werden, die sonst für die korrekte Entwicklung der Pflanze, sowie der Samen und Früchte verwendet würden. Die pflanzliche Cuticula, welche die Blattoberfläche bedeckt, ist die erste Verteidigungslinie gegen pathogene Microorganismen, die durch die Luft verbreitet werden. Um diese Barriere zu umgehen nutzen Bakterien und einige Pilze die Stomata als Eingang in den Apoplasten der Blätter. Dies kann durch die Pflanze allerdings verhindert werden, indem diese Poren geschlossen werden. Diese Schließzellantwort wurde zunächst als Teil der Immunantwort auf Bakterien angesehen (Melotto et al. 2006). Nichtsdestotrotz konnte beobachtet werden, dass die Stomata auch während der Infektion des Mehltaupilzes schließen, obwohl dieser nicht durch die Stomata in das Blatt eindringen. Daher haben wir Einzelzellstudien an intakten Gerstenpflanzen vorgenommen um zu klären, wie die Signale erkannt und weitergeleitet werden, die schließlich zum pathogen-induzierten Stomaschluss führen (Koers et al. 2011). Zusammengefasst kann gesagt werden, dass der Stomaschluss ein wichtiger Bestandteil der pflanzlichen Immunantwort ist. Innerhalb dieser Antwort der Stomata auf durch Wind übertragene Pathogene, spielt die Aktivierung der S-Typ Anionenkanäle eine entscheidende Rolle. Es konnte dabei gezeigt werden, dass die Immunantwort die Licht-induzierte Inhibierung dieser Anionenkanäle außer Kraft setzt. S-Typ Anionenkanäle sind aber nicht allein in der Pathogenabwehr von Bedeutung, sondern auch in der Reaktion der Pflanzen auf Trockenstress. Es ist jedoch nicht bekannt, in wie weit sich die beiden Signalwege überschneiden. Zusammen mit den neuen mutierten Gerstenlinien, werden die in dieser Arbeit beschriebenen Techniken zur Messung von Einzelzellen tiefere Einsichten in das Zusammenspiel zwischen Trockenstress und Pathogenabwehr in Pflanzen ermöglichen. Die daraus resultierenden Ergebnisse können zur Optimierung von Getreide für die moderne Landwirtschaft genutzt werden. Dies wird einer der wichtigsten Ansätze sein, um die Menschheit auch in Zukunft mit ausreichend Nahrung versorgen zu können. / During evolution, plants had to evolve potent strategies to defend themselves against airborne pathogens, as well as against those encountered in the soil. Understanding the mechanisms that provide plant immunity is crucial for modern society. The world population is growing at rapid pace, leading to the necessity of using agricultural areas as productive as possible. Without improvement of agricultural practice, a sufficient supply with staple foods will not be possible. It is very likely that an important percentage of crop loss is due to plant diseases, even though precise data on this issue are lacking, (Orke et al. 1994, Pinstrup-Andersen; 2001). Crop loss is not exclusively caused by the death of infected plants, but more often by so called costs of resistance (Walters and Heil; 2007). To gain protection against an attacking pathogen, resources have to be consumed, which otherwise would be used for proper plant, crop and fruit development. Plant cuticles, that cover the leaf surface, are the first line of defence to airborne pathogenic microorganisms. To bypass this barrier, bacteria and some fungi use stomata as an entry site into the apoplastic space of leaves. The entry of pathogens through stomata can be prevented by plants upon closure of these pores. This guard cell response was proposed to contribute to plant innate immunity against bacteria (Melotto et al. 2006). However, stomata were found to close during the infection of powdery mildew fungi, which do not use open stomata to enter the leaf. We therefore pursued single cell studies within intact barley plants to elucidate the signal perception and transduction mechanisms that evoke stomatal closure during a pathogen attack (Koers et al. 2011). All results taken together, stomatal closure is an integral part of plant innate immunity. Within the stomatal response to airborne pathogens, the activation of S-type anion channels is essential. It is shown, that the immunity responses of guard cells bypass light induced inhibition of anion channels. S-type anion channels are not only crucial for responses to pathogens, but they are also involved in the response of guard cells towards drought. However, it is unknown to which extent both signals share mutual components. Together with the, now available, mutant lines of barley, the single cell techniques described in this thesis can provide a further insight into the interplay of drought and pathogen responses in plants. The results are likely to be used for optimizing crops for the future agriculture, which is a pivotal step in providing enough food for mankind in the near future.

University, Diss., 2006--Giessen.

University, Diss., 2004--Würzburg.

Kan., Kansas State Univ., Dep. of Agricultural Economics, Diss.--Manhatten, 2003. / Kopie, ersch. im Verl. UMI, Ann Arbor, Mich.