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Malattransport am Tonoplasten der halophytischen und C3 – CAM-intermediären Pflanze Mesembryanthemum crystallinum

Epimashko, Svetlana :
Malattransport am Tonoplasten der halophytischen und C3 – CAM-intermediären Pflanze Mesembryanthemum crystallinum.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2004)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Malattransport am Tonoplasten der halophytischen und C3 – CAM-intermediären Pflanze Mesembryanthemum crystallinum
Language: German
Abstract:

In photosynthetisch aktivem Blattgewebe der halophytischen und C3-CAM-intermediären Pflanze Mesembryanthemum crystallinum L. konnten erstmals Vakuolen unterschiedlicher Charakteristika, vor allem bezüglich der Azidität (saure und neutrale Vakuolen), identifiziert werden. Der Vergleich der Anteile beider Vakuolentypen in Pflanzen, in denen der CAM-Photosynthesemodus durch Salz- oder Hochlichtstress induziert wurde, zeigte, dass die CAM-bedingte Malatakkumulation in sauren Vakuolen und die NaCl-Speicherung unter Bedingungen hoher Salinität in neutralen Vakuolen stattfindet. Auch die Analyse der vakuolären Inhaltsstoffe wies auf separate Vakuolen für Speicherung von organischen Säuren und Haliten hin. Die malatakkumulierenden und salzspeichernden Vakuolen in einer Zelle zeigen im Laufe des Tages ein dynamisches Verhalten, das durch antiparallele Volumenänderungen dieser Vakuolentypen charakterisiert ist. Während der Oszillation des Malatgehalts sorgen diese Volumenfluktuationen für eine osmotische Balance zwischen den beiden Vakuolentypen. In Patch-clamp-Studien konnte in der Membran beider Vakuolentypen aus CAM-Pflanzen, wie auch in Vakuolen aus C3-Planzen ein malatselektiver, einwärts gleichrichtender Anionenkanal detektiert werden, der bezüglich seiner Eigenschaften dem Malatkanal der CAM-Pflanze Kalanchoë daigremontiana ähnelt. Es wurde nachgewiesen, dass die Aktivität des Malatkanals durch den Redoxzustand des Vakuolenlumens reguliert wird, mit dem Ergebnis, dass der Kanal nur in sauren malatakkumulierenden Vakuolen aktiv ist. Eine partiell angereichte Fraktion neutraler Vakuolen aus salzgestressten CAM-Pflanzen zeigte eine höhere Abundanz des Na+-H+-Antiporterproteins im Vergleich zu der Fraktion saurer Vakuolen. Dies bestätigte die Rolle neutraler Vakuolen in der NaCl-Akkumulation. Weiterhin wurden im Blattgewebe zwei Populationen von Tonoplastenvesikeln unterschiedlicher isopycnischer Dichte nachgewiesen. Anhand vergleichender immunologischer Studien der tonoplastidären Markerproteine Na+-H+-Antiporter, gamma-TIP, V-ATPase und V-PPase, sowie Aktivitätsmessungen der tonoplastidären Protonenpumpen in mit Salz- und Hochlicht gestressten CAM-Pflanzen, wurden Hinweise dafür erhalten, dass die Tonoplastenpopulation mit hoher Dichte von salzspeichernden Vakuolen stammt. Die Ergebnisse weisen auf eine funktionelle Kopplung der primär aktiven (V-ATPase und V-PPase) und sekundär aktiven (Malatkanal und Na+-H+-Antiporter) Transportsysteme am Tonoplasten hin. Dabei spielen der Redoxpotential und Azidität des vakuolären Lumens und des Cytosols eine wichtige Rolle bei Regulation und Koordination tonoplastidärer Transportsysteme.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In photosynthetically active leaf tissue of the halophytic and C3 / CAM intermediate plant Mesembryanthemum crystallinum L. vacuoles of contrasting acidity (acidic and neutral vacuoles) were identified. Acidic vacuoles are thought to contain malate and the neutral ones NaCl. This view is supported by the finding that neutral vacuoles were most abundant in plants in which the CAM-mode of photosynthesis was induced by salinity but not in plants in which CAM was induced by a high intensity of light. Also analysis of vacuolar content identified separate vacuoles for the storage of organic acids and halides. The malate accumulating and NaCl-storing vacuoles, which can coexist in one individual cell, undergo a dynamic change at day-time. This was characterised by an antiparallel change of volumes of neutral and acidic vacuoles. This suggests that these volume fluctuations provide an osmotic balance between both types of vacuoles during the oscillation of malate levels. Electrophysiological studies using the patch-clamp technique revealed that a malate selective inward rectifying anion channel, similar to the one described in the CAM species Kalanchoë daigremontiana, is present in both types of vacuoles from CAM-plants, as well as in C3-plants of M. crystallinum. It was demonstrated that the activity of this channel was regulated by the redox state of the vacuolar lumen with the result that the channel was only active in the acidic malate storing vacuoles. A partially enriched fraction of neutral vacuoles from NaCl-stressed plants showed a higher abundance of the Na+-H+-antiporter compared to the fraction of the acidic vacuoles. This is consistent with the view that the neutral vacuoles accumulate NaCl. Furthermore, two populations of tonoplast vesicles, which differ in their isopycnic density, were detected in the leaf tissue. Comparative immunoassays of the tonoplast marker proteins Na+-H+-antiporter, gamma-TIP, V-ATPase and V-PPase, as well as measurements of the tonoplast proton pump activity in NaCl- and high-light stressed CAM-plants suggested that the tonoplasts of higher density were derived from the NaCl-storing vacuoles. Altogether the data suggest that the regulation of malate transport and accumulation of NaCl in cells with NaCl-induced CAM is based on a functional coupling of the primary active H+-transporters (V-ATPase and V-PPase) and secondary active transportes (malate channel and Na+-H+-antiporter). Furthermore, the redox- and acidification states of the vacuolar lumen and the cytosol play an important role in the regulation and coordination of tonoplast transport properties.English
Uncontrolled Keywords: Crassulaceen Säurestoffwechsel (CAM), Mesembryanthemum crystallinum, Tonoplast, Malatkanal, Redoxregulation, Salzstress, Vakuolefunktion
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Crassulaceen Säurestoffwechsel (CAM), Mesembryanthemum crystallinum, Tonoplast, Malatkanal, Redoxregulation, Salzstress, VakuolefunktionGerman
crassulacean acid metabolism (CAM), Mesembryanthemum crystallinum, tonoplast, malate channel, redox regulation, salt stress, vacuole functionEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:50
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000481
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-4819
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Hütt, Prof.Dr. Marc-Thorsten and Brickmann, Prof.Dr. Jürgen
Advisors: Lüttge, Prof.Dr. Ulrich and Thiel, Prof.Dr. Gerhard
Refereed: 1 July 2004
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/481
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