630 Landwirtschaft und verwandte Bereiche
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Winterroggen (Secale cereale L.) erwirbt durch längerfristiges Wachsen bei tiefen Temperaturen eine Anpassung an Kälte und Frost und entwickelt eine erhöhte Toleranz gegenüber kälte-induzierter Photoinhibierung. Diese Anpassung wird als Kältehärtung bezeichnet. Die erworbene Toleranz gegenüber kälteinduzierter Photoinhibierung geht nach drei Tagen Enthärtung bei einer Temperatur von 220C wieder verloren. Die Zielsetzung der Promotion war es, nach differentiell exprimierten Genen zu suchen, die nicht als Antwort auf kurzzeitigen Kältestreß hochreguliert werden, sondern Gene zu isolieren die im Zuge länger einwirkender Kälte in Winterroggenblättern verstärkt exprimiert werden. Werden die mRNAs aus kältegehärteten (CHL) mit den mRNAs aus enthärteten Roggenblättern (DHL) verglichen, so können Gene isoliert werden, die in CHL stärker exprimiert werden. Diese differentiell exprimierten Gene können, da sie nach Enthärtung deutlich seltener exprimiert werden, eine limitierende Funktion bei Kältehärtung einnehmen. Um diese Gene isolieren zu können wurden zwei molekularbiologische Methoden, "Suppression Subtractive Hybridisation"-PCR und "Differential Display"-PCR angewendet. Mit diesen Methoden konnten insgesamt zwölf verschiedene cDNA-Fragmente differentiell exprimierter Gene isoliert werden. Im Vergleich mit DHL sind in CHL die Transkriptmengen für neun cDNA-Fragmente isolierter Gene erhöht. Auch die Transkriptmenge des Chloroplasten-kodierte Gens für LSU ist in CHL bei einem Vergleich mit DHL gesteigert. Die isolierten cDNA-Fragmente von differentiell exprimierten Genen kodieren für Proteine aus den verschiedensten Teilbereichen des pflanzlichen Stoffwechsels und sind nachfolgend aufgelistet. Photosynthesestoffwechsel: SSU und LSU (kleine und große Untereinheit von RubisCO), LHCIIb (Lichtsammelkomplex IIb), Fructose-1,6-bisphosphatase, Transketolase, Genexpression: RNA-bindendes Protein, Transkriptionselongationsfaktor, Nucleotidstoffwechsel: UMP Synthase, Antioxidativ wirkendes Enzym: PMSR (Peptid-Methioninsulfoxidreduktase) Es konnten cDNA-Fragmente dreier bekannter Gene und eines unbekannten Gens (Klon 5C, zeigte Homologie zu einer Sequenz aus Oryza sativa) isoliert werden, deren Expression in DHL spezifisch erhöht ist. Energiestoffwechsel: H+ATPase, Pathogenabwehr/ programmierter Zelltod: Llsl Gen (lethal leaf spot Gen 1), Proteinstoffwechsel: Disulfidisomerase Neben der Analyse der Expression auf RNA-Ebene wurden Untersuchungen zur Expression auf Proteinebene vorgenommen. Western Blut Analysen zeigten, daß die geringeren Transkriptmengen von rbcS und rbcL in DHL und NHL nicht mit einem parallelen Rückgang der Proteinmengen von SSU und LSU korrelieren. Die Proteinmengen an SSU und LSU in CHL, DHL und NHL weisen keine allzu großen Unterschiede auf Sowohl die Transkiptmenge des Gens Lhcb als auch die Menge des LHCIIb-Proteins war in enthärteten Winterrogenblättern in Vergleich zu gehärteten Winterroggenblättern vermindert. Auch für das antioxidativ wirkende Enzym PMSR (Peptid-Methionin-Sulfoxid-Reduktase) konnten in CHL höhere Transkriptmengen als in DHL und in NHL nachgewiesen werden. PMSR ist ein ubiquitär verbreitetes Enzym, das eine nachgewiesene wichtige Funktion bei der Abwehr von reaktiven Sauerstoffformen (ROS) ausübt. Den bislang untersuchten antioxidativen Schutz-Systemen konnte bei der Kältehärtung keine begrenzende Funktion zugeschrieben werden. Ein Schwerpunkt der Promotion lag deshalb auf der Untersuchung vom ScPMSR als antioxidativ wirkendes Enzym im Zusammenhang mit Kältehärtung. Die Transkriptmenge an ScPMSR erhöht sich nach dem längerfristigen Einwirken von Kälte. Zur Durchführung von Immunoblot Analysen mußte zunächst ein Antikörper gegen ScPMSR hergestellt werden. Mittels eines aus einer cDNA-Bank isolierten cDNA-Klons von ScPMSR wurde rekombinantes ScPMSR-Protein in E. coli Zellen produziert und nach der Reinigung zur Herstellung spezifischer Antiseren eingesetzt. Bei dem in dieser Arbeit isolierten ScPMSR handelt es sich um ein cytoplasmatisches Isoenzym. In Western Blot Analysen mit dem ScPMSR-Antikörper konnte in Gesamtproteinextrakten aus CI-IL, DHL und NHL die ScPMSR-Proteinbande (23kDa) nachgewiesen werden. In CHL und in NHL die in niedrige Temperaturen umgesetzt wurden liegt noch eine zusätzliche Proteinbande einer Größe von 68kDa vor. Werden CHL in 220C umgesetzt wird diese Bande innerhalb von 48h deutlich schwächer. Im Gegensatz dazu verstärkt sich die 68kDa-Proteinbande kontinuierlich, wenn NHL bis zu 48h in tiefe Temperaturen gestellt werden. Die Gesamtmengen an PMSR-Protein (23 kDa + 68kDa) zeigen nicht allzu große Unterschiede bei CHL, DHL und NHL und korrelieren damit nicht mit der geringeren Transkriptmenge an PMSR in DHL und NHL. Rechnerisch könnte es sich bei dem bei Kälte gebildeten 68kDa großen Proteinaggregat um ein PMSR-Trimer handeln. Dieses Aggregat konnte allerdings in vitro durch die stark denaturierend wirkenden Stoffe Guanidinhydrochlorid und SDS nicht in nachweisbare Untereinheiten aufgelöst werden. Bei dem bei Kälte gebildeten Proteinaggregat könnte es sich um die enzymatisch aktive Form eines PMSR-Trimers handeln, das bei Kälte der Abwehr von ROS dient. Insgesamt deuten die Resultate darauf hin, daß ScPMSR bei der Kältehärtung von S. cereale von Bedeutung ist. Aufgrund der geringer Substratspezifität kann PMSR bei Kälte als weitgefächertes Reparaturenzym fungieren. Nicht zuletzt wird der zyklische Oxidations- und Reduktionsprozeß von Methionin und Methioninseitenketten auch als "sink" für ROS angesehen. Es bedarf jedoch zusätzlicher Untersuchungen, um die Rolle von ScPMSR bei Kältehärtung von Secale cereale als antioxidativ wirkendes Enzym weiter definieren zu können.
Erstes Ziel dieser Arbeit war die Etablierung eines Anzuchtsystems, mit dem ein reproduzierbarer Trockenstreß induziert werden konnte. Mittels dieses Systems erfolgte die Selektion von zwei unterschiedlich trockentoleranten Sorghum bicolor-Kultivaren, die im weiteren Verlauf dieser Arbeit näher charakterisiert wurden. Dabei wurden zunächst Photosynthese, stomatärer Widerstand, Chlorophyll- und Carotinoidgehalt, Fv/Fm-Verhältnis, Blattdruckpotential und Blattschädigungen an allen Blättern von Kontrollpflanzen und gestreßten Pflanzen untersucht. Das jüngste, voll entwickelte Blatt wies die größten Unterschiede zwischen beiden Kultivaren auf, weshalb die weiterführende Untersuchungen nur noch an diesem Blatt durchgeführt wurden. Im Rahmen dieser Untersuchungen erfolgten Gaswechsel- und Chlorophyllfluoreszenz-Messungen unter unterschiedlicher CO2-Versorgung, sowie Messungen der blattflächenbezogenen Aktivität der C4-Enzyme (PEPCase, MDH, NADP-ME, PPDK) und zweier Enzyme des Calvin-Zyklus (Rubisco, FBPase). Darüber hinaus wurde der Gehalt der C4-Metabolite bestimmt und mittels Pigmentanalyse die Kinetik der Xanthophyll-Deepoxidation in Abhängigkeit vom Trockenstreß untersucht. Folgende Ergebnisse wurden erzielt: Das verwendete Modelsystem erlaubt eine reproduzierbare Induktion des Trockenstresses. Aufgrund der relativ schnellen Änderung des Wasserpotentials des Bodens während der Versuchsdauer muß das Blattdruckpotential als Standard für die Trockenstreßbelastung gemessen werden. Es konnten zwei Sorghum-Kultivare mit unterschiedlicher Trockenstreßresistenz selektiert werden. Die äthiopische Landrasse E 36 zeigt dabei trotz größerer Blattschädigung, insbesondere der älteren Blätter, unter vergleichbarem Blattdruckpotential jeweils höhere Photosyntheseraten der ungeschädigten Bereiche als die amerikanische Zuchtsorte B 35. Trotz hoher Korrelation zwischen Photosyntheserate und stomatärem Widerstand scheint die Photosynthese unter Trockenstreß nicht durch verringerte CO2-Konzentrationen im Interzellularraum limitiert zu werden, worauf auch die Daten der Fluoreszenz- und Gaswechselmessungen unter erhöhtem CO2-Gehalt hinweisen. Gaswechselmessungen unter vermindertem CO2-Gehalt bei gestreßten Pflanzen lassen auf eine geringere Aktivität der CO2-Fixierung durch die PEPCase schließen. Unter optimalen Bedingungen ist keine der in vitro gemessenen Umsatzraten der C4-Enzyme limitierend für die Photosynthese. In vivo könnte die Aktivität der PEPCase jedoch durch einen niedrigeren pH-Wert des Cytosols und Malathemmung zum geschwindigkeitsbestimmenden Schritt werden und die Photosyntheserate limitieren. Die starke Übereinstimmung von PPDK-Aktivität und Photosynthese in den Kontrollpflanzen weist auf eine mögliche Limitierung der Photosynthese durch die PPDK unter Kontrollbedingungen hin. Die starken Veränderungen der C4-Metabolit Gehalte deuten auf eine grundlegende Veränderung des C4- Stoffwechsels unter Trockenstreß hin. Höhere Malat Konzentrationen der Sorte B 35 könnten dabei zu einer frühen Inhibierung der PEPCase in den trockengestreßten Pflanzen als in E 36 führen, wodurch die Photosynthese limitiert wird.