Göttingen, Universiẗat, Diss., 2003. / Beitr. teilw. dt., teilw. engl.

Köln, Universiẗat, Diss., 2001.

University, Diss., 2003--München.

Flowering plants or angiosperms have developed a fertilization mechanism that involves a female egg and central cell, as well as two male sperm cells. A male gametophyte carries the two non-mobile sperm cells, as they need to be delivered to the female gametophyte, the embryo sac. This transport is initiated by a pollen grain that is transmitted onto the stigma of the angiosperm flower. Here it hydrates, germinates, and forms a pollen tube, which navigates through the female plant tissue towards the ovary. The pollen tube grows into an ovule through the funiculus and into one of the two synergid cells. There, growth arrests and the pollen tube bursts, releasing the two sperm cells. One of the sperm cells fuses with the egg cell, giving rise to the embryo, the other one fuses with the central cell, developing into the endosperm, which nourishes the embryo during its development. After a successful fertilization, each ovule develops into a seed and a fruit is formed. This usually consists of several fertilized ovules. The directional growth of the pollen tube through the maternal tissues towards the ovule, as well as sperm cell release, requires a complex communication between the male and the female gametophyte to achieve reproductive success. Over the last years many studies have been performed, contributing to the understanding of cell-cell communication events between the two gametophytes, nevertheless still many aspects remain to be elucidated. This work focused on two topics: i.) Analysis of biological processes affected by pollination and fertilization in the Nicotiana tabacum flower and identification of cysteine rich proteins (CRPs) expressed via isolating and sequencing RNA from the tissue and analyzing the resulting data. ii.) Identification of the defensin-like protein (DEFL) responsible for pollen tube attraction towards the ovule in tobacco. First, tissue samples of pollen tubes and mature ovules were taken at different stages of the fertilization process (unpollinated ovules, after pollination, and after fertilization of the flower). RNA was then isolated and a transcriptome was created. The resulting reads were assembled and transcriptome data analysis was performed. Results showed that pollen tubes and mature ovules differ severely from each other, only sharing about 23 % of the transcripts, indicating that different biological processes are dominant in the two gametophytes. A MapMan analysis revealed that in the pollen tube the most relevant biological processes are related to the cell wall, signaling, and transport, which supports the fact that the pollen tube grows fast to reach the ovule. On the other hand, in the ovule the values of highest significance were obtained for processes related to protein synthesis and regulation. Upon comparing the transcripts in the ovule before and after pollination, as well as after fertilization, it showed that pollination of the flower causes a bigger alteration in the ovule on the transcriptomic level compared to the step from pollination to fertilization. A total of 953 CRPs were identified in Nicotiana tabacum, including 116 DEFLs. Among those, the peptide responsible for pollen tube attraction towards the ovule should be found. Based on in-silico analysis four candidate peptides were chosen for further analysis, two of which had increased expression levels upon pollination and fertilization and the other two displayed an opposite expression. Quantitative real time PCR experiments were performed for the candidates, confirming the in-silico data in vivo. The candidate transcripts were then expressed in a cell free system and applied to pollen tubes in order to test their effect on the growing cells. Positive controls were used, where pollen tubes grew towards freshly dissected ovules. The four candidates did not provoke a pollen tube attraction towards the peptide, leaving open the chance to work on the 112 remaining DEFLs in the future. / Für den Befruchtungsvorgang von Blütenpflanzen, bzw. Angiospermen werden je eine weibliche Eizelle und Zentralzelle, sowie zwei männliche Spermazellen benötigt. Da diese Spermazellen immobil sind, werden diese zum weiblichen Gametophyten, dem Embryosack, transportiert. Dieser Vorgang wird eingeleitet, indem ein Pollenkorn auf die Narbe des Blütenstempels gelangt. Dort hydriert es, keimt aus und bildet einen Pollenschlauch aus, welcher sich mittels Richtungswachstum durch den Griffel zum Fruchtknoten der Pflanze hin ausdehnt. Der Pollenschlauch wächst daraufhin durch den Funikulus zu den Samenanlagen hin, in eine der beiden Synergiden hinein, wo das Zellwachstum eingestellt wird. Der Pollenschlauch platzt und die zwei Spermazellen werden freigegeben. Eine dieser Spermazellen verschmilzt mit der Eizelle, woraus ein Embryo entsteht, während die andere Spermazelle mit der Zentralzelle verschmilzt, die sich zum Endosperm entwickelt und den Embryo während seiner Entwicklung mit Nährstoffen versorgt. Nach einer erfolgreichen Befruchtung bildet sich aus jeder Eizelle ein Samen aus, in der Regel bilden mehrere befruchtete Eizellen dann einen Fruchtkörper. Eine erfolgreiche Fortpflanzung erfordert eine hochkomplexe Kommunikation zwischen männlichem und weiblichem Gametophyten, die sowohl beim Richtungswachstum des Pollenschlauchs durch das weibliche Pflanzengewebe hin zu den Samenanlagen eine essentielle Rolle spielt, als auch bei der Freisetzung der Spermazellen. Während der letzten Jahre wurden viele Studien durchgeführt, die zum Verstehen dieser Zell-Zell Kommunikation beigetragen haben, dennoch gibt es einige unbekannte Aspekte, die noch zu untersuchen sind. Diese Arbeit konzentriert sich auf zwei Themen: i.) Die Analyse der biologischen Prozesse, die von der Bestäubung und Befruchtung der Blüte in Nicotiana tabacum beeinflusst werden, sowie die Identifizierung von cysteinreichen Proteinen (CRPs), die während dieses Prozesses exprimiert werden. Hierfür wurde RNA aus dem Gewebe isoliert, sequenziert und die resultierenden Daten analysiert. ii.) Die Identifizierung des Defensin-ähnliche Proteins (DEFL), welches für das Anlocken des Pollenschlauchs zu den Samenanlagen hin in Tabak verantwortlich ist. Zunächst wurden Gewebeproben von Pollenschläuchen, sowie von reifen Samenanlagen in verschiedenen Stadien der Befruchtung entnommen (unbestäubte Samenanlagen, nach der Bestäubung und nach Befruchtung der Blüte). Von diesen Geweben wurde im Anschluss die RNA isoliert und ein Transkriptom erstellt. Die erhaltenen Sequenzfragmente wurden zusammengesetzt und die resultierenden Daten analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass sich Pollenschläuche und Samenanlagen stark voneinander unterscheiden; nur 23 % der Transkripte wurden in beiden Geweben gefunden. Eine Untersuchung mit MapMan hat gezeigt, dass die relevantesten biologischen Prozesse im Pollenschlauch mit Zellwand, Signalwegen und Transportvorgängen assoziiert sind. Diese Ergebnisse unterstützen die These, dass der Pollenschlauch schnell wachsen muss, um die Spermazellen zu den Samenanlagen zu transportieren. In den Samenanlagen haben hingegen die Prozesse den höchsten Signifikanzwert, welche mit Proteinsynthese und –regulation zusammenhängen. Wenn man die Transkripte in den Samenanlagen vor der Bestäubung, nach der Bestäubung, sowie nach der Befruchtung betrachtet, stellt man fest, dass die Bestäubung mit einer größeren Veränderung auf Transkriptomlevel einhergeht als der Schritt zwischen Bestäubung und Befruchtung. Es konnten insgesamt 953 CRPs in Nicotiana tabacum identifiziert werden, wovon 116 DEFLs sind. Es sollte herausgefunden werden, welches dieser DEFLs für das Anlocken des Pollenschlauchs zu den Samenanlagen hin verantwortlich ist. Auf Basis von in-silico Analysen wurden vier Kandidatentranskripte ausgewählt, die näher untersucht wurden; bei zweien davon wurde ein ansteigendes Expressionsniveau bei Bestäubung und Befruchtung festgestellt; die anderen beiden Kandidaten zeigten ein gegensätzliches Expressionsmuster. Mittels quantitativer real-time PCR konnten die in-silico Daten in-vivo bestätigt werden. In einem zell-freien System wurden die Kandidatentranskripte exprimiert und auf Pollenschläuche gegeben, um ihren Effekt auf die wachsenden Zellen zu beobachten. Als Positivkontrollen wurden frisch präparierte Samenanlagen verwendet. Keines der vier Kandidatenproteine hat ein Anlocken der Pollenschläuche bewirkt, sodass noch die 112 verbleibenden DEFLs zur weiteren Untersuchung bereitstehen.

Untersuchungen zum Wasserferntransport wurden mit Hife der Druckmeßsonden- und NMR-Bildgebungstechnik durchgeführt. Dabei wurden Experimente zum Einfluß der Schwerkraft auf den Wasserferntransport an einer Liane bei unterschiedlicher Orientierung der Pflanze durchgeführt. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Korrelation von Flußgeschwindigkeiten und Xylemdruck in den Wasserleitungsbahnen gut gewässerter und trockengestreßter Pflanzen. Der dritte Teil befasste sich mit der Wiederbefüllung von kavitierten oder leeren Xylemgefäßen anhand der Auferstehungspflanze Myrothamnus flabellifolia. / Investigations on the water transport were done by means of the pressure probe and NMR-imaging-techniques. Measurements were performed on a liana to determine the influence of gravity on water transport while the plant was placed into different orientations. The second part of this dissertation dealed with the correlation of flow velocity and xylem pressure in well-hydrated and drought-stressed plants. The third part investigated the refilling of cavitated or empty xylem conduits by means of the resurrection plant Myrothamnus flabellifolia.

Zugl. Zürich, Univ., Diss.

Univ., Diss.--Regensburg, 1998.

Universiẗat, Diss., 2004--München.

Universiẗat, Diss., 2002--Würzburg.

In der vorliegenden Arbeit wurden die für den radialen Stofftransport durch die Wurzel Höherer Pflanzen wichtigen apoplastischen Barrieren der Wurzeln von sieben Pflanzenarten (Vicia faba L.; Typha glauca Godr.; Ricinus communis L.; Quercus petraea (Matt.) Liebl.; Fagus sylvatica L.; Picea abies (L.) Karst.; Zea mays L.) mikroskopisch charakterisiert und chemisch analysiert. Nach enyzmatischer Isolation der Gewebe wurde die Biopolymerzusammensetzung von Suberin und Lignin der isolierten Zellwände nach Depolymerisierung durch Umesterungsreaktion (Abbau von Suberin) oder Thioacidolyse (Abbau von Lignin) mittels Gaschromatographie und Massenspektroskopie aufgeklärt. Außerdem wurde Sprossknollenperiderm der Kartoffel (Solanum tuberosum L.) verschiedener post harvest Luftfeuchtebedingungen, sowie neugeformtes Wundperiderm chemisch-analytisch und auf die Permeabilität für Wasser hin untersucht. Zusätzlich zu den mikroskopischen und chemischen Analysen wurden die hydraulischen Leitfähigkeiten von Maiswurzeln verschiedener Kulturbedingungen und die Aufnahme von Rubidium-Ionen über die Maiswurzeln untersucht. Dabei wurde die Auswirkung von Salzstress (100mM NaCl), und eine Applikation des Phytohormons Abscisinsäure (10µM ABA) bei der Aufzucht der Pflanzen auf apoplastische Barrieren untersucht. Auch die Rubidiumaufnahme von bei Nitratmangel (0.00 M NO3-) aufgewachsenen Rizinuspflanzen wurde ermittelt und mit der chemischen Zusammensetzung der apoplastischen Barrieren korreliert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass: -monocotyle Pflanzen wesentlich höhere Aromatenanteile im Suberin apoplastischer Barrieren besitzen als dicotyle Pflanzen; -bei der Bewertung des Suberingehaltes apoplastischer Barrieren histochemische Methoden unzureichend sind; -die Flächenbelegung mit Suberin auch innerhalb gleicher Entwicklungsstadien bei verschiedenen Pflanzen stark unterschiedlich sein kann; -der Verknüpfungsgrad der Monomeren im Suberin stark unterschiedlich sein kann; -Suberin keine 100%ige Barriere für Wasser und Ionen darstellt; -Suberin auch eine Barriere gegen unkontrollierte Gasdiffusion darstellen kann; -der Stofftransport (z.B. Rb-Ionen) durch zusätzliche Suberinmengen verlangsamt werden kann, geringere Suberinmengen den Stofffluss aber nicht signifikant erhöhen wie bei Nitratmangelpflanzen gezeigt wurde; -eine direkte Ableitung der Funktion für den Wasser und Stofftransport aus dem Suberingehalt nicht ohne eine Extraktanalyse der Gewebe möglich ist, und in jedem Fall die Notwendigkeit besteht eine Flächenbelegung mit Suberin oder Wachsen zu ermitteln; -die Variabilität von Pflanzen verschiedenen Genotyps und die Entwicklung vieler verschiedener Anpassungsstrategien zum Schutz vor Stress eine Abschätzung funktioneller Aspekte aus monokausaler Sichtweise (z.B.: Suberingehalt) unmöglich macht. Um der Vielfältigkeit pflanzlicher Strategien gerecht zu werden, ist daher die Integration vieler unterschiedlicher Untersuchungsmethoden in interdisziplinärer Arbeitsweise notwendig. / The aim of this thesis was to examine the chemical composition of suberised apoplastic barriers in roots of higher plants and to relate the obtained results to the function of these barrier tissues for the diffusive transport of ions and water. For the analysis of the chemical composition (mainly suberin and also lignin), the roots were digested enzymatically, and the remaining material was separated in two fractions: one fraction consisting of rhizodermal and hypodermal cell walls (RHCW) and the second one of endodermal cell walls (ECW). Xylem vessels were not analised. Suberin content of the isolated cell walls was determined after transesterification and GC/FID and GC/MS analysis of the monomers. Prior to the chemical analysis, the anatomical structures of the roots were thoroughly examined with light microscopy using histochemical dyes and UV-light as well as scanning electron microscopy. Analysis were performed on the roots of several species: Vicia faba L., Typha glauca Godr., Quercus petraea (Matt.) Liebl., Fagus sylvatica L., Picea abies (L.) Karst., Rhicinus communis L. and Zea mays L. To reveal functional aspects for the transport of water through suberised barriers, potato tuber (Solanum tuberosum L.) skin was used as a model system because it is easy to obtain and consists to more than 20% of suberin. Additionally it is impregnated with aliphatic wax like materials. Experiments with freshly harvested potatoes showed, that suberin and wax content increased in the first days after cutting the tubers from the stele, but no additional cell layers were build. As the content of aliphatic components increased in the peridermal cell walls, the water permeability decreased. Removal of the waxes increased the water permeability of potato periderm to more than a 100 fold from 5.4∙10-11 m s-1 to 8.0∙10-9 m s-1 for the extracted ones. Surprisingly, there was no significant difference in the water permeability of periderms with different suberin content. 28 day old periderms had approx. twice as much as the suberin from freshly harvested ones, but the difference in permeability was smaller than 0.4 units. These results are showing, that suberin is not a water tight barrier as it is discussed in common text books, but to a certain extend it controls the water flux. Suberin amounts and permeabilities where used to estimate hypothetical transport data for root tissues, but the calculated values were only roughly in the range of measured root hydraulic permeabilities obtained from pressure probe experiments. Pressure probe experiments with roots of 8 day old maize seedlings showed, that a higher suberin content in the exodermis significantly reduces the radial water flow through the roots. Even the ion flux in maize roots is reduced, when barrier tissues contained more suberin. These results were obtained in experiments with rubidium-ions as a tracer for potassium-ions in maize seedlings. Apoplastic root barrier tissues, especially the endodermis were strongly enhanced, when the plants were grown under 100 mM NaCl or with 10 µM of the stress-hormone abscisic acid in the hydroponic growth-solution. On the other hand, it was shown that plants of the same species but with different genotypes responded each in a different way to stress situations. For example, whilest maize genotype Pioneer 3906 was able to cope with high salt concentrations, without altering apoplastic barriers, the genotype Across 8023 showed strong enhancement with high suberin amounts of the endodermal cell walls at the same salt concentrations. Lack of nutrients (e.g.: nitrate) in castor bean hydroponic culture leads to low suberin content in the endodermis but the uptake ability for rubidium-ions was not affected at all. Analysis of broad bean root nodules showed the relevance of high suberin amounts as a barrier for water and solutes as well as for gases. Suberin content in nodules were much higher than in the root apoplastic barriers, for that it would concluded, that the uncontrolled diffusion of oxygen into the infected zone of the nodule was inhibited by large amounts of suberin in the nodule endodermis. Another hint to this idea was the analysis of Typha glauca roots and rhizomes, which had more suberin in the exodermis than in the endodermis (in maize it was vice versa), because the submerged tissues are full of air-filled intercellular spaces and the function of higher suberin amounts in the exodermis may be to prevent oxygen loss. The results of this thesis are showing that suberin is a variable material with several functions, not only as a transport barrier for water, ions and gases which controls to a certain extend the fluxes in and out of the apoplast, but also as a barrier against pathogens with high contents of aromatic materials.