TU Darmstadt / ULB / tuprints

Plant-microbe interactions alter the allocation of carbon in barley (Hordeum vulgare)

Henkes, Gunnar / J. :
Plant-microbe interactions alter the allocation of carbon in barley (Hordeum vulgare).
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

This is the latest version of this item.

[img]
Preview
PDF
Dissertation_online_Publikation_17.09.08.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives.

Download (3429Kb) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Plant-microbe interactions alter the allocation of carbon in barley (Hordeum vulgare)
Language: English
Abstract:

Plants fix atmospheric carbon via the photosynthetic pathway in above-ground plant parts and translocate the synthesized photoassimilates from places of carbon fixation (source) through the vascular system to organs with carbon demand like roots or fruits (sink). Besides the plants own carbon demand for growth and metabolism plant derived carbon also represents the primary source for microorganisms in soil. This PhD Thesis was performed to investigate how interactions between plants and soil borne microorganisms alter the carbon partitioning within the plant system. Effects of particular signal compounds as well as effects of pathogenic and mutualistic microorganisms on carbon allocation were investigated. In the first experiment (Chapter 2) a sterile hydroponic split root system allowing 11C measurement was established using barley (Hordeum vulgare) as model plant. Experiments with gfp and DSred labelled Pseudomonas fluorescens strains ensured that the established split root system was appropriate to restrict the inoculated bacteria to the inoculated root fraction throughout the experiment. Pulse labelling of plant leaves with 11CO2 demonstrated that the system allowed to follow the labelled carbon from the leave into the root system in vivo. The plants allocated about 50 % of the mobilized carbon fraction into the root system. From the carbon translocated into roots 2-4% were respired by roots 150 min after labelling. The soluble carbohydrates could be detected, however, the amount of exudates was too low for quantification. In the second experiment (Chapter 3) the effect of exogenous applied jasmonic acid (JA) to the roots of barley grown in the split root system on the partitioning of recently fixed carbon were investigated. JA applied to one root half inhibited root growth locally and reduced carbon partitioning to the JA-treated tissue within minutes, whereas the untreated side showed a delayed increase in carbon partitioning. In contrast, the reduction of the carbon sink strength of one root half by cooling did not cause an enhanced carbon partitioning to the other root half. The different effects of JA and cooling suggest that JA triggers a specific signal transduction from root to shoot and further induces an enhanced carbon export to the non-treated root with carbon sink capacity. This was also supported by results of the JA shoot treatment which resulted in a fast increase in carbon partitioning to the root system. In the third experiment (Chapter 4) the effect of the root pathogen Fusarium graminearum on carbon partitioning towards and within the root system of barley was investigated. It was hypothesized that the preincoluation with the plant growth promoing rhizobacterial wild type strain Pseudomonas fluorescens CHA0 attenuates the effect of the pathogen on carbon partitioning. To investigate the involvement of bacterial secondary metabolites the P. fluorescens mutant CHA19 lacking the ability to produce secondary metabolites was used. The application of F. graminearum to barley roots caused a reduction of the carbon allocation towards infected roots and an increase in carbon allocation towards the non-infected root part. Local or systemic preinoculation with the wild type P. fluorescence annihilated the effect of F. graminearum on carbon allocation, whereas the mutant CHA19 did not repress the pathogen effect. The results suggest that secondary metabolites of P. fluorescens induce a systemic resistance against F. graminearum in barley plants. Overall, the results indicate that plants are able to sense the emergence of particular soil microorganisms and to respond to these microorganisms by immediate changes in carbon partitioning to optimize carbon allocation and investment.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Pflanzen fixierten atmosphärischen Kohlenstoff in ihren oberirdischen Teilen durch Photosynthese und transportieren produzierte Assimilate von aktiven Bereichen (C Quellen) durch ihr Gefäßsystem zu photsynthetisch inaktiven Pflanzenorganen wie Wurzeln und Früchten mit Kohlenstoffbedarf (C-Senken). Neben dem Kohlenstoffbedarf der Pflanze für Wachstum und ihren Metabolismus stellt pflanzenbürtiger Kohlenstoff die primäre Kohlenstoffquelle für Bodenmikroorganismen da. Diese Dissertation untersucht wie Interaktionen zwischen Pflanzen und Bodenmikroorganismen die Verteilung von Kohlenstoff innerhalb der pflanze beeinflussen. Im ersten Experiment (Kapitel 2) wurde ein steriles „Split-Root“ System für 11C Messungen mit Gerste (Hordeum vulgare) als Modelpflanze etabliert. Experimente mit gfp und DSred markierten Pseudomonas fluorescent Stämmen zeigten, dass sich im etablierte „Split-Root“ System die Präsenz von inokulierte Mikroorganismen über die gesamte Dauer eines Experimentes auf den inokulierten Bereich beschränkte. Pulsmarkierungen von Blättern mit 11CO2 demonstrierten, dass mit diesem System die Translokation von Kohlenstoff in die Wurzeln in vivo gemessen werden konnte. Die Pflanzen investierten 50 % des aus den Blättern mobilisierten Kohlenstoff in ihr Wurzelsystem. 150 min nach der Markierung war 2-4% des in die Wurzeln exportierten Kohlenstoffes von den Wurzeln veratmet. Wasserlösliche Kohlenhydrate wurden detektiert werden, allerdings war die festgestellte Menge für eine Quantifizierung zu gering. Im zweiten Experiment (Kapitel 3) wurde im „Split-Root“ Ansatz der Einfluss von extern applizierter Jasmonsäure (JS) auf die Allokation von kurzfristig fixiertem Kohlenstoff untersucht. JS Behandlung einer Wurzelhälfte führte zu einer lokalen Hemmung des Wurzelwachstums und reduzierte (innerhalb von Minuten) den Kohlenstoff Transport in diese Hälfte, wohingegen die unbehandelte Wurzelhälfte einen verzögerten Anstieg des Kohlenstoffimportes zeigte. Im Gegensatz dazu führte ein durch Kühlung reduzierter Kohlenstoffbedarfs einer Wurzelhälfte nicht zu einem erhöhten Kohlenstofftransportes in die andere Wurzelhälfte. Die unterschiedlichen Effekte von JS und Kühlung lässt einen durch JS spezifische ausgelöste Signaltransduktion von der Wurzeln in den Spross vermuten welche folgend zu einer erhöhte Allokation von Kohlenstoff der nicht wachstumsinhibierten Wurzeln führt. In dritten Experiment (Kapitel 4) wurde der Einfluss des Wurzelpathogens Fusarium graminearum auf die Kohlenstoffallokation in Richtung und innerhalb des Wurzelsystems von Gerste untersucht. Es wurde die Hypothese überprüft, dass die Vorinokulation mit dem pflanzenwachstumsförderden Bodenbakterium Pseudomonas fluorescens CHA0 den Effekt vom Pathogenes abschwächen kann. Um zu testen ob die Fähigkeit Sekundärmetabolite zu produzieren involviert ist, wurde ein Stamm (P. fluorescens CHA19) genutzt, welcher nicht in der Lage ist Sekundärmetabolite zu produzieren. Behandlung von Gerstenwurzeln mit F. graminearum führte zu einer Reduzierung des Kohlenstofftransportes in die infizierte Wurzelhälfte und zu einem Anstieg der Allokation in die unbehandelte. Lokale oder systemische Vorinokulation der Wurzelhälften mit dem Wildtyp P. fluorescens führte zu einer Reduktion des F. graminearum-Effektes auf die Kohlenstoffallokation, wohin gegen die Mutante CHA19 nicht in der Lage war den Effekt von dem Pathogen abzumildern. Die Ergebnisse legen Nahe, dass die Produktion von Sekundärmetaboliten durch P. fluorescens zu einer systemische Resistenz gegen F. graminearum in Gerste führt. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass Pflanzen in der Lage sind die Präsenz von spezifischen Bodenmikroorganismen zu detektieren, um mir einer direkten Änderung ihres Kohlenstofftransportes die Allokation und Investition von Kohlenstoff zu optimieren.German
Uncontrolled Keywords: Carbon-11, carbon partitioning, plant-microbe-interaction, Hordeum vulgare, Fusarium graminearum, Pseudomonas fluorescens
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Carbon-11, carbon partitioning, plant-microbe-interaction, Hordeum vulgare, Fusarium graminearum, Pseudomonas fluorescensEnglish
Kohlenstoff-11, Kohlenstoff Partitionierung, Pflanze-Mikroben-Interaktionen, Hordeum vulgare, Fusarium graminearum, Pseudomonas fluorescensGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 580 Pflanzen (Botanik)
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:23
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-11211
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Scheu, Prof. Dr. Stefan and Bonkowski, Prof. Dr. Michael
Refereed: 20 June 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1121
Export:

Available Versions of this Item

  • Plant-microbe interactions alter the allocation of carbon in barley (Hordeum vulgare). (deposited 17 Oct 2008 09:23) [Currently Displayed]

Actions (login required)

View Item View Item