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Einfluss von Aquaporinen auf die Blattwachstumsdynamik von Nicotiana tabacum (L.) und Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.

Ernst, Michaela :
Einfluss von Aquaporinen auf die Blattwachstumsdynamik von Nicotiana tabacum (L.) und Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Einfluss von Aquaporinen auf die Blattwachstumsdynamik von Nicotiana tabacum (L.) und Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.
Language: German
Abstract:

Ziel der Doktorarbeit war es den Einfluss von PIP1 und PIP2 auf das Expansionswachstum der Blätter zu untersuchen; zwei Modellpflanzen wurden näher analysiert: zum einen RNAi-Pflanzen von N.tabacum, bei welchen die Expression der PIP1 oder der PIP2-Proteine unterdrückt war, zum anderen zwei T-DNA Insertionsmutanten von A.thaliana, wobei die Intronmutante eine zum WT unveränderte Expression des AtPIP1;2 zeigte und deswegen als Kontrolle benutzt wurde. Die zeitliche Entwicklung des Gesamtblattwachstums wurde dabei mit Hilfe eines automatischen Screeningsystems (Growscreen) ermittelt. Die Analyse der Gesamtblattflächenentwicklung hat sowohl bei den RNAi-Tabakpflanzen als auch den Arabidopsis TEPIP1;2 Pflanzen gezeigt, dass der Haupteffekt beim Wachstum eine um einen halben bis einen Tag verzögerte Keimung der genetisch veränderten Pflanzen gegenüber den Kontrollen war. Der Wachstumsvorsprung der Kontrollen hielt sich bis zum Ende der Gesamtblattflächenentwicklung. Die Wachstumsdynamik der Pflanzen, deren Wachstumsgeschwindigkeiten, unterschieden sich nur minimal voneinander; die Endblattflächen der Arabidopsis TDNA- Insertionsmutanten unterschieden sich nicht voneinander, die des Tabaks nur um 4%. Dies bedeutet das die genetisch veränderten Pflanzen unter optimalen Wachstumsbedingungen ein ähnliches Wachstum zeigen, d.h. unter diesen Bedingungen scheinen PIP1 und PIP2 keine großen Einfluss auf das Expansionswachstum der Blätter auszuüben. Ein Einfluss der PIP1 und PIP2 über eine bloße Erhöhung der Wasserleitfähigkeiten erscheint deswegen unwahrscheinlich. In dieser Arbeit gab es eher Hinweise dafür, dass PIP1 und PIP2 eine wesentliche Funktion bei der Turgordetektion und -regulation (siehe [Hill et al., 2004]) ausüben. Eine verminderte Expression der PIPs beim Tabak bewirken eine veränderte Keimungskinetik, dies zeigte ein Keimungsexperiment auf Filterpapier; vor allem die Kinetik der Testaruptur war verändert, ob dies auch für die Endospermruptur gilt konnte nicht ausgeschlossen werden. Bei den RNAi-PIP1-Samen erfolgte die Keimung auf Filterpapier langsamer, wie auch bei der Erdanzucht; bei den RNAi-PIP2-Samen erfolgte sie dagegen schneller, im Gegensatz zu den Erdanzuchten. Auch hier scheint die Turgorregulation gestört zu sein, fällt diese aus, verändert sich die Keimungskinetik. Die größten Effekte einer reduzierten Expression der PIP1 und PIP2 und eine der deutlichsten Hinweise auf eine Funktion der PIP1 und PIP2 als Turgorsensoren, zeigten sich bei Gaswechseluntersuchungen der Tabakpflanzen; die transgenen Pflanzen konnten ihre Stomata weniger effektiv regulieren, bzw. weniger effektiv Schließen. Dies bedingte unterschiedliche A/Ci-Kurven bei ähnlichen Assimilationskurven. Einzelmessungen von Tabakpflanzen mit der DISP-Methode stützten diese Hypothese ebenfalls; es ergaben sich stärkere Oszillationen der Stomatabewegungen der transgenen Pflanzen bei raschen Lichtwechseln. Unterschiede der transgenen Pflanzen zum Wildtypen traten erst unter dynamischen, sich rasch ändernden Umweltbedingungen deutlich zu Tage. Ziel der Doktorarbeit war es den Einfluss von PIP1 und PIP2 auf das Expansionswachstum der Blätter zu untersuchen; zwei Modellpflanzen wurden näher analysiert: zum einen RNAi-Pflanzen von N.tabacum, bei welchen die Expression der PIP1 oder der PIP2-Proteine unterdrückt war, zum anderen zwei T-DNA Insertionsmutanten von A.thaliana, wobei die Intronmutante eine zum WT unveränderte Expression des AtPIP1;2 zeigte und deswegen als Kontrolle benutzt wurde. Die zeitliche Entwicklung des Gesamtblattwachstums wurde dabei mit Hilfe eines automatischen Screeningsystems (Growscreen) ermittelt. Die Analyse der Gesamtblattflächenentwicklung hat sowohl bei den RNAi-Tabakpflanzen als auch den Arabidopsis TEPIP1;2 Pflanzen gezeigt, dass der Haupteffekt beim Wachstum eine um einen halben bis einen Tag verzögerte Keimung der genetisch veränderten Pflanzen gegenüber den Kontrollen war. Der Wachstumsvorsprung der Kontrollen hielt sich bis zum Ende der Gesamtblattflächenentwicklung. Die Wachstumsdynamik der Pflanzen, deren Wachstumsgeschwindigkeiten, unterschieden sich nur minimal voneinander; die Endblattflächen der Arabidopsis TDNA- Insertionsmutanten unterschieden sich nicht voneinander, die des Tabaks nur um 4%. Dies bedeutet das die genetisch veränderten Pflanzen unter optimalen Wachstumsbedingungen ein ähnliches Wachstum zeigen, d.h. unter diesen Bedingungen scheinen PIP1 und PIP2 keine großen Einfluss auf das Expansionswachstum der Blätter auszuüben. Ein Einfluss der PIP1 und PIP2 über eine bloße Erhöhung der Wasserleitfähigkeiten erscheint deswegen unwahrscheinlich. In dieser Arbeit gab es eher Hinweise dafür, dass PIP1 und PIP2 eine wesentliche Funktion bei der Turgordetektion und -regulation (siehe [Hill et al.,2004]) ausüben. Eine verminderte Expression der PIPs beim Tabak bewirken eine veränderte Keimungskinetik, dies zeigte ein Keimungsexperiment auf Filterpapier; vor allem die Kinetik der Testaruptur war verändert, ob dies auch für die Endospermruptur gilt konnte nicht ausgeschlossen werden. Bei den RNAi-PIP1-Samen erfolgte die Keimung auf Filterpapier langsamer, wie auch bei der Erdanzucht; bei den RNAi-PIP2-Samen erfolgte sie dagegen schneller, im Gegensatz zu den Erdanzuchten. Auch hier scheint die Turgorregulation gestört zu sein, fällt diese aus, verändert sich die Keimungskinetik. Die größten Effekte einer reduzierten Expression der PIP1 und PIP2 und eine der deutlichsten Hinweise auf eine Funktion der PIP1 und PIP2 als Turgorsensoren, zeigten sich bei Gaswechseluntersuchungen der Tabakpflanzen; die transgenen Pflanzen konnten ihre Stomata weniger effektiv regulieren, bzw. weniger effektiv Schließen. Dies bedingte unterschiedliche A/Ci-Kurven bei ähnlichen Assimilationskurven. Einzelmessungen von Tabakpflanzen mit der DISP-Methode stützten diese Hypothese ebenfalls; es ergaben sich stärkere Oszillationen der Stomatabewegungen der transgenen Pflanzen bei raschen Lichtwechseln. Unterschiede der transgenen Pflanzen zum Wildtypen traten erst unter dynamischen, sich rasch ändernden Umweltbedingungen deutlich zu Tage.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The aim of this thesis was to investigate the influence of aquaporins on leaf growth dynamics and photosynthesis in the model plants tobacco and Arabidopsis. RNAi tobacco plants with either reduced PIP1 or PIP2 aquaporin protein amounts and a T-DNA insertion mutants of Arabidopsis with PIP1;2 gene knock-out were used for this study. The development of total leaf area was measured via Growscreen, an automated camera set-up for 2-dimentional leaf area analysis. The main effect of a reduced PIP1 or PIP2 expression on growth was delayed germination of the transgenic and mutant plants, both in tobacco and Arabidopsis, which was manifested as a shift in the growth curves. Absolute growth rates were either similar between the transgenic and wildtype plants or the differences were negligible comparing to the influence of the delayed germination on growth. Based on these results it was concluded that a reduced expression of these aquaporins has no significant influence on total leaf development under optimal growth conditions. To verify the effects of reduced aquaporin expression on germination a separate experiment was conducted with tobacco seeds on moist filter paper. The timing of germination varied between the lines. Particularly, the onset of the testa rupture changed: in RNAi PIP1 seeds it occurred 4.6 and 10.3 hours later than in wildtype seeds and RNAi PIP2 seeds, respectively. In contrast, RNAi PIP2 seeds germinated faster than wildtype and RNAi PIP1 seeds when they were put on filter paper. These time shifts in testa rupture timing were also seen in the subsequent endosperm rupture, which showed a delay by 5.2 and 11.4 hours for the RNAi PIP1 seeds compared to WT seeds and RNAi PIP2 seeds, respectively. The results indicate that aquaporins are functionally involved in early seed imbibition as well as in subsequent endosperm rupture of tobacco plants. CO2 response curves of photosynthesis showed increased net CO2 exchange rates, accompanied by an increase of stomatal conductance, in RNAi tobacco plants. Electron transport rates were not different between the genotypes, but non-photochemical quenching was slightly increased in transgenic plants. Thus, regulation of stomata seemed less effective in transgenic plants, resulting in the increased net CO2 exchange rates. Regulation of stomata influenced the short-term responses of relative leaf growth rates to altering light conditions, as measured with a digital image sequence processing method (DISP). The amplitudes of the relative growth rates of the transgenic tobacco plants were higher than those of the wildtype. The light signal causes the stomata to open, thus transpiration increases and the cell turgor and the growth rate decreases. Hence the changes in the amplitudes of the relative growth rate between the tobacco lines suggest that stomatal opening and closing differ between these plants due to different aquaporin expression. Differences between transgenic and wildtype tobacco plants became more apparent under rapidly changing environmental conditions. A reduced amount of aquaporin protein in transgenic plants led to an altered stomatal regulation, which in turn has an influence on photosynthesis rates and short-term growth reactions.English
Uncontrolled Keywords: Aquaporine, DISP, GROWSCREEN, Keimung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Aquaporine, DISP, GROWSCREEN, KeimungGerman
aquaporin, leaf growth dynamic, germination, DISP, GROWSCREENEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000877
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8771
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Schurr, Prof. Dr. Ulrich and Lüttge, Prof. Dr. Ulrich
Advisors: Kaldenhoff, Prof. Dr. Ralf
Refereed: 23 July 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/877
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