In der vorliegenden Arbeit wurden extraflorale Nektarien (EFN) von Populus trichocarpa (Ptr) und Populus tremula x Populus tremuloides (Ptt) hinsichtlich ihrer funktionellen Eigenschaften bei der indirekten Herbivoren-Abwehr untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Nektarien-Funktion und -Regulation:
Beide untersuchten EFN-Arten sind in der Lage, die jeweilige Pappel indirekt vor Schädigung durch Herbivoren zu schützen. Dies zeigte nicht zuletzt der jeweils beobachtete kontinuierliche Besuch verschiedenster Insektenarten. Vor allem Ameisen aber auch Bienen zählten zu Besuchern sowohl von Ptr als auch Ptt. Die Effektivität so angelockter Besucher konnte durch Interaktionsversuche mit Bienen bestätigt werden und belegte, dass allein die Anwesenheit von Bienen zu einer eindeutigen Reduktion des herbivoren Blattschadens führt (Ptr und Ptt).
Obwohl beide Pflanzen derselben Gattung (Populus) angehören, konnte bestätigt werden, dass Ptr und Ptt unterschiedliche Herbivoren-Abwehrstrategien entwickelt haben. Während es sich bei Ptt-EFN um konstitutiv vorhandene Organe handelt, zeigten Ptr-Pflanzen eine gezielte Bildung von Nektarien/Nektar erst nach Herbivorenbefall. Dabei scheinen spezifische, durch Herbivoren erzeugte Signale für die Induktion verantwortlich zu sein. Die Freisetzung der nach Herbivorenbefall typischen, flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) in Ptr konnte zwar als Jasmonsäure-abhängig identifiziert, der Jasmonsäure-Signalweg, der schon als Auslöser für extraflorale Nektar-Produktion bei z.B. Limabohne gezeigt worden war, als alleiniges Steuerelement aber ausgeschlossen werden. Ein Zusammenspiel mehrerer Hormone bei der Regulation der indirekten Herbivoren-Abwehr in Ptr durch Nektarien/Nektar-Induktion ist deshalb sehr wahrscheinlich.
Dies bekräftigten auch die Transkriptomanalysen von Ptt-Nektarien. Hier konnte gezeigt werden, dass sowohl Jasmonsäure als auch Auxin und Salicylsäure eine wichtige Rolle spielen. Darüber hinaus lieferten verschiedene differentiell regulierte Gencluster, die in Zusammenhang mit Nektarien-Funktion, -Entwicklung und biotischem Stress stehen, deutliche Hinweise auf die entscheidende Rolle extrafloraler Nektarien bei der Herbivoren-Abwehr.
Nektar-Produktion:
Die Analyse extrafloraler Nektar-Proteine und zugehöriger Transkripte zeigte nicht nur, dass beide Pappelarten über eine ähnliche, von antimikrobiellen Proteinen dominierte Nektar-Proteinzusammensetzung verfügen, sondern auch, dass bei beiden die Produktion dieser Proteine hauptsächlich direkt in den Drüsenorganen stattfindet.
Es deutete außerdem alles darauf hin, dass der Zucker des Ptt-Nektars direkt im Nektarienparenchym produziert wird, und dass dafür ein apoplastischer Schritt notwendig ist, der gleichzeitig über das „Source und Sink“ Verhältnis den Nachschub von Saccharose ins Nektarienparenchym reguliert.
Nektar-Sekretion:
Die unterschiedlichen Hauptsekretionsarten der beiden Pappeln konnten ebenfalls gezeigt werden. Während Ptt-Nektar eindeutig granulokrin sekretiert wird, konnte dieser Weg für Ptr ausgeschlossen werden. Deshalb scheint Ptr holokrine Sekretion zu bevorzugen.
In Ptt fanden sich außerdem Belege für eine parallel ablaufende ekkrine Sekretion. Hierfür wird die initiale Abgabe osmotisch wirksamer Substanzen und nachfolgend Wasser vorausgesetzt. Der Anionenkanal PttSLAH3 zeigte sich, ausgehend von der Anionenzusammensetzung des Nektars und der Lokalisation des Proteins in den epidermalen Drüsenzellen als optimales Transportprotein für diesen Schritt. Die typischen Eigenschaften eines S-Typ-Anionenkanals vom Typ des Arabidopsis-SLAH3, wie Nitratabhängigkeit und spezifische Anionenpermeabilität wiesen darauf hin, dass PttSLAH3 für die finale „nasse“ Sekretion verantwortlich sein kann.
Im Unterschied zu AtSLAH3 scheint die Aktivierung von PttSLAH3 allerdings auf andere Weise zu erfolgen. Denn im Gegensatz zum Arabidopsis-Ortholog, zeigte PttSLAH3 in Xenopus-Oozyten bereits ohne koexprimierte Kinase Aktivität. Grundsätzlich konnte eine Aktivierung durch Phosphorylierung aber nicht ausgeschlossen werden. Es deutete vielmehr alles darauf hin, dass bereits Oozyten-endogene Kinasen eine entscheidende Rolle bei der Aktivierung von PttSLAH3 spielen. Eine entsprechende Phosphorylierungsstelle konnte jedoch nicht ausgemacht werden. Allerdings deuteten die Ergebnisse im Weiteren darauf hin, dass die unterschiedliche Struktur der AtSLAH3- und PttSLAH3-Termini, im Besonderen die des N-Terminus, für die konstitutive Aktivität des Pappel-Kanals verantwortlich ist. Damit kommt PttSLAH3 eine Sonderstellung innerhalb der SLAC/SLAH-Familie zu, die weiterer Untersuchungen bedarf. / In this study extrafloral nectaries (EFN) of Populus trichocarpa (Ptr) and Populus tremula x Populus tremuloides (Ptt) were analyzed in terms of their functional properties regarding indirect defense against herbivores. The findings can be summarized as follows:
Nectary function and regulation:
Both EFN-types were able to protect poplar leaves from damage by herbivores. This finding was confirmed in Ptr as well as Ptt, by continuous visits of various insect species, particularly ants and bees. Protection mediated by these visitors could be confirmed with interaction studies using bees, in which the presence of bees led to a significant reduction of leaf herbivory (Ptr and Ptt).
Although both plants belong to the same genus (Populus), it turned out that Ptr and Ptt have developed different EFN-based herbivore defense strategies. While Ptt-EFN are constitutively present and secreting, Ptr plants revealed nectary and nectar formation only upon herbivore attack. However, herbivore-specific elicitors, may be responsible for the induction in Ptr. Even though the release of herbivore-induced volatile organic compounds (VOCs) could be identified as jasmonic acid-dependent, the jasmonic acid signaling pathway, in contrast to studies with lima bean, could be excluded for triggering extrafloral nectar secretion in Ptr. Therefore, regulation of Ptr-EFN-based herbivore defense is very likely controlled via an interaction of several hormones.
This finding was confirmed by transcriptome analysis in Ptt-nectaries, where jasmonic acid, auxin and salicylic acid appeared to be involved. In addition, various differentially regulated gene clusters associated with nectary function, development and biotic stress, clearly indicated the crucial role of extrafloral nectaries regarding herbivore defense.
Nectar production:
The analysis of extrafloral nectar proteins and associated transcripts revealed that nectar of both species is composed from a similar blend of antimicrobial proteins. In addition, it seems that in both species these proteins are synthesized predominantly in the nectaries themselves.
Moreover, Ptt-nectar-specific sugar production appears to be executed mainly in the nectary parenchyma. There an apoplastic step is required to process sucrose, provided by the phloem, which as a result regulates the source and sink relationship and thereby maintains sucrose supplies.
Nectar secretion:
For both poplars two different secretion types could be confirmed. While Ptt nectar is secreted clearly granulocrine, this secretion type could be excluded for Ptr. Therefore, Ptr seems to prefer holocrine secretion.
In the case of Ptt evidences of a possible parallel eccrine secretion could be found. Prerequisite is an initial release of osmotically active substances followed by water efflux. Starting with anion composition of the nectar and the localization of the protein in the epidermal nectary cells, one might suggest that the anion channel PttSLAH3 is an optimal transport protein for this initial step. The observed biophysical characteristics, such as nitrate dependency and specific anion permeability, were typical of an S-type anion channel like SLAH3 in Arabidopsis. This indicated that PttSLAH3 may be responsible for such a “wet” secretion in Ptt.
However, in contrast to AtSLAH3, PttSLAH3 seems to be activated differently. Unlike the Arabidopsis-orthologe, PttSLAH3 expressed in Xenopus oocytes revealed channel activity, even in the absence of co-expressed kinases. However, phosphorylation by specific kinases could not be excluded in general. Instead, all of the available evidence suggests that oocyte endogenous kinases play a crucial role in the activation of PttSLAH3, although no corresponding phosphorylation site could be identified. Nevertheless, the results are indicating that structural differences of the AtSLAH3- and PttSLAH3-termini, in particular the N-terminus, are responsible for the constitutive activity of the poplar channel. Therefore PttSLAH3 takes on a special position within the SLAC/SLAH-family, however further investigations are necessary.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:7333 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Jaborsky, Mario |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_ohne_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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