Prozess der Ausbildung der Wurzelknöllchen
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Herzlich willkommen zur Vorlesung Pflanzenphysiologie 1 Umweltreize für Pflanzen Photosynthetisch aktives Licht (Stärke, Richtung etc.) CO2 Wind als mechanische Kraft Photomorphogenetisch aktives Licht (z.B. Tageslänge) Temperatur Flüchtige Botenstoffe Herbivoren Pathogene Mikroorganismen Luftfeuchtigkeit Schwerkraft Osmotische Bedingungen Bodenfauna Wassersättigung Symbiotische Mikroorganismen Bodenqualität Nährstoffangebot 2 Biotische Interaktionen (Allelophysiologie) Symbiotische Interaktionen Parasitische Interaktionen Foto: Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung/ Kalda, Panstruga Gemeinsame Nenner von Symbiose und Parasitismus: - Spezifität der Interaktion - Kommunikation, d.h. Austausch und Erkennung von Signalen 3 Biotische Interaktionen (Allelophysiologie) Symbiotische Interaktionen Pflanzen leben häufig in Symbiosen mit anderen Organismen: Bsp. Mycorrhiza, d.h. die Assoziierung der Wurzeln mit Pilzen. 80-90 % aller Pflanzen – und 100 % aller Pflanzen im Tropischen Regenwald - leben offenbar in Symbiose mit Pilzen. Ca. 6000 Pilzarten leben in Symbiose mit Pflanzen. 4 Es kann heute davon ausgegangen werden, dass Landpflanzen vom Anbeginn ihrer Evolution an in engem Kontakt mit Mikroorganismen gelebt haben. Vermutlich hat die Mycorrhiza überhaupt erst den Gang ans Land ermöglicht. Auch heute noch ist es ein Kennzeichen vieler Pionierpflanzen, dass sie in enger Symbiose mit Pilzen leben. Die Interaktion mit Mikroorganismen ist damit ein integraler Bestandteil der pflanzlichen Biologie. 5 Weiler/Nover, Allgemeine und Molekulare Botanik (20.1) Die Mycorrhiza ist phylogenetisch sehr alt. Sie ist nachweisbar in Gametophyten, Sporophyten, in fossilen Überresten der ersten Gefäßpflanzen (Rhyniophyta). 6 Bonfante & Genre (2008) Mycorrhiza eines Lebermooses. Pilzliche Strukturen sind hellrot. Hyphen wachsen über die Rhizoide ein. 7 Formen der Mycorrhiza Ectomycorrhiza: der Pilz bildet einen dicken Mantel aus Mycel um die Wurzel. Einige Mycelfäden wachsen zwischen die Cortex-Zellen. Die Wurzelzellen selbst werden nicht durchdrungen, sondern sind umgeben vom Hartigschen Netz aus Mycelfäden. Ca. 3 % aller Samenpflanzen sind Teil einer Ectomycorrhiza, unter ihnen viele unserer Waldbäume. Taiz/Zeiger, Plant Physiology Vertreter vieler verschiedener Pilzgattungen treten als symbiotische Partner auf, überwiegend aus den Ascound Basidiomyceten. Oft sind sie obligat symbiotisch, bilden dann nur in Assoziation mit Wurzeln Fruchtkörper 8 (zum Beispiel Steinpilz, Pfifferling). Formen der Mycorrhiza Endomycorrhiza (=Vesiculär-arbusculäre Mycorrhiza, VA-Mycorrhiza): hier wachsen die Hyphen weniger kompakt. Sie dringen jedoch in die Cortex-Zellen ein und formen Vesikel sowie verzweigte Strukturen (=Arbuskeln). Der Anteil des Mycels an der Gesamtmasse ist sehr viel geringer als bei der Ektomycorrhiza. Pilzsymbionten der Endomycorrhiza gehören einer eigenen phylogenetischen Gruppe an, den Glomeromycota. Glomeromycota sind ca. 600 Mio. Jahre alt. Sie sind obligat biotroph. Sexuelle Formen sind nicht bekannt. Glomeromycota haben symbiotische Partner aus fast allen Familien der Angiospermen (eine wichtige Ausnahme sind Brassicaceae). Gymnospermen sind als Partner dagegen kaum bekannt. 9 Taiz/Zeiger, Plant Physiology Vorteile der Mycorrhiza-Symbiose für die Pflanze Nährstoffkonzentration in der Bodenlösung - bessere Versorgung mit Makro- und Mikronährstoffen (P, N, Zn) Die Pilzhyphen erschließen sehr viel effektiver die Nährstoffe im Boden. Sie sind feiner als Wurzeln und überbrücken die Depletierungszone um die Wurzeln. Hoher Nährstoffgehalt Depletierungszonen Niedriger Nährstoffgehalt Wurzeln müssen ständig in frischen Boden wachsen, um Nährstoffe aufnehmen zu können! 10 Abstand von der Wurzeloberfläche Vorteile der Mycorrhiza-Symbiose für die Pflanze - bessere Versorgung mit Makro- und Mikronährstoffen (P, N, Zn) - Die Pilzhyphen sorgen wahrscheinlich auch für einen besseren HumusAufschluss und damit für größere Nährstoffverfügbarkeit Mycorrhizierte Pflanzen zeigen deshalb Wachstums- und Ertragssteigerung. Außerdem wird Pflanzen die Besiedlung auch sehr karger Habitate ermöglicht. 11 Campbell, Biologie Vorteile der Mycorrhiza-Symbiose für die Pflanze - bessere Versorgung mit Makro- und Mikronährstoffen (P, N, Zn) - Die Pilzhyphen sorgen wahrscheinlich auch für einen besseren HumusAufschluß und damit für größerer Nährstoffverfügbarkeit - dokumentiert ist auch eine erhöhte Resistenz gegenüber Nematoden und anderen Wurzelpathogenen. Wahrscheinlich versetzt Mycorrhizierung Wurzeln in einen leichten Alarmzustand. Ectomycorrhiza besetzt außerdem das Habitat für Pathogene durch die Ummantelung der Wurzel. - diskutiert wird auch ein Nährstoffaustausch von Pflanzen untereinander über eine Mycorrhiza 12 Ausnutzung der Mycorrhiza durch parasitische Pflanzen Eine Ectomycorrhiza kann auch von Dritten (= weiteren Pflanzen) ausgebeutet werden. Dies ist für einige Hundert Pflanzenarten weltweit bekannt. Der Fichtenspargel kann selbst keine Photosynthese betreiben. Vielmehr parasitiert er Bäume über eine gemeinsame Mycorrhiza. Bei Orchideen vor allem spricht man von Myco-Heterotrophie: Transfer von Kohlenstoff aus dem Pilz in eine Pflanze. Dies erlaubt die Besiedlung auch extrem schattiger Standorte in Wäldern. Wikipedia 13 „Wood-wide web“ Ausmaß, Natur und Mechanismen des Stoffaustausches zwischen Pflanzen mit Hilfe der Mycorrhiza-Verbindung sind noch lange nicht klar: Gibt es z.B. eine Förderung der eigenen Keimlinge durch Bäume? Isotopenfütterungsexperimente legen dies nahe. Die geringe Wirtsspezifität mancher Mycorrhiza-Pilze würde sogar einen zwischenartlichen Stoffaustausch zulassen. Whitfield, Nature (2007) 14 Vorteile für den Pilz - Versorgung mit reduziertem Kohlenstoff (vor allem als Hexosen, bis zu 20 % des fixierten Kohlenstoffs der Pflanze) Wie kommt eine (arbuskuläre) Mycorrhiza zustande? 15 Ausbildung einer Endomycorrhiza-Symbiose Weiler/Nover, Allgemeine und Molekulare Botanik (20.6) 16 Symbiont oder Pathogen? 17 Kogel et al., Current Opinion Plant Biology (2006) Ausbildung einer Endomycorrhiza-Symbiose Erkennung der Pflanze durch den Pilz Weiler/Nover, Allgemeine und Molekulare Botanik (20.6) 18 Parniske (2008) Ausbildung einer Endomycorrhiza-Symbiose Der Pilz erkennt Substanzen, die von der Pflanze als Bestandteil des Wurzelexudats abgegeben werden. Als wichtige Signale sind die Strigolactone identifiziert worden. Bouwmeester et al., Trends Plant Science (2007) Auch parasitische Pflanzen wie Orobanche und Striga nutzen diese Verbindungen als Signale zur Auslösung der Keimung. 19 Ausbildung einer Endomycorrhiza-Symbiose Der Pilz gibt Signale (Myc-Faktoren, ChitinOligomere). Dies löst in der Pflanze Signaltransduktion aus, u.a. Calcium spiking, d.h. Oszillationen im cytosolischen Ca-Spiegel. In der präsymbiotischen Phase spielt sich gegenseitige Erkennung ab. Weiler/Nover, Allgemeine und Molekulare Botanik (20.6) 20 Parniske (2008) Der Pilz bildet ein Hyphopodium aus. Währenddessen durchläuft die darunter liegende epidermale Zelle eine umfassende zelluläre Reorganisation: Cytoskelett und ER formen den „pre-penetration apparatus“ (PPA). Der „pre-penetration apparatus“ legt den Weg der Pilzhyphe durch die epidermale Zelle fest. Die Pflanze macht dem Pilz aktiv den Weg frei. Die Pilzhyphe wächst durch die Zelle durch. Schließlich folgt interzelluläres Wachstum der Hyphen zwischen Cortex-Zellen und Ausbildung der Arbuskeln. Weiler/Nover, Allgemeine und Molekulare Botanik (20.6) 21 Parniske (2008) Ausbildung des symbiotischen „Interface“, der Arbuskel. Diese ist umgeben von der periarbuskulären Membran (PAM, die ein Kontinuum mit der Plasmamembran der Wirtszelle darstellt). Die Wirtszelle durchläuft dramatische Veränderungen: Fragmentierung der Vakuolen, CytoskelettReorientierung, Plastidenmodifikation etc. Über die PAM passiert Stofftransport, z.B. durch eigens exprimierte Phosphat-Transporter. Natürlich verändern sich Genexpressionsmuster massiv sowohl im Pilz als auch in der Pflanze. Zu den frühen Antworten der Wurzelzellen gehört die Induktion von Abwehrgenen. 22 Die Kontrolle über die Ausbildung der Symbiose liegt hauptsächlich bei der Pflanze. Dies gilt auch für die Knöllchen-Symbiose und ergibt sich aus der Tatsache, dass die Symbiose bei ausreichender Mineralstoffversorgung unterdrückt wird. Kontrolle ist unter anderem dadurch möglich, dass die Symbiosen durch Entwicklungsprogramme der Wirtszellen erst ermöglicht werden. 23 Biotische Interaktionen (Allelophysiologie) Symbiotische Interaktionen Biologische Stickstofffixierung: z.B. die Symbiose von Rhizobien mit Vertretern der Fabaceae, Bildung von Wurzelknöllchen. Diese Symbiose ist phylogenetisch deutlich jünger als die Mycorrhiza. Der größte Teil des Stickstoffs (8090 %), der in natürlichen Ökosystemen Pflanzen zur Verfügung steht, stammt aus der N2Fixierung. Buchanan, Gruissem, Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants 3 Typen von Symbiosen: 1. Rhizobien – Fabaceae 2. Actinomyceten (Frankia) – verschiedene Holzgewächse (z.B. Erle) 3. Cyanobakterien – versch. Dicots, Farne, Moose 24 Prozess der Ausbildung der Wurzelknöllchen Schritt 1: Die Pflanze gibt Substanzen Flavonoide) ab, die von den Rhizobien erkannt werden und zur Induktion der nodGene führen. Schritt 2: Die von den Rhizobien gebildeten Nod-Faktoren werden von der Pflanze erkannt. 16.16 25 Weiler/Nover, Allgemeine und Molekulare Botanik (20.8) Prozess der Ausbildung der Wurzelknöllchen Schritt 1: Die Pflanze gibt Substanzen (Flavonoide) ab, die von den Rhizobien erkannt werden und zur Induktion der nod-Gene führen. 16.16 Schritt 2: Die von den Rhizobien gebildeten Nod-Faktoren werden von der Pflanze erkannt. Schritt 3: In der Pflanze läuft nach Erkennung und Signaltransduktion die Morphogenese der Knöllchen ab. 26 Das Entwicklungsprogramm der Knöllchen-Symbiose Taiz/Zeiger, Plant Physiology 27 Die Pflanze als Wirt durchläuft ein Entwicklungsprogramm, um die Besiedlung zu ermöglichen. Prozess der Ausbildung der Wurzelknöllchen Ausbildung von intrazellulären Symbiosomen, in denen die N2-Fixierung abläuft. Die Symbiosomen enthalten die zu Bacteroiden umgeformten Rhizobien. Begrenzt werden die Symbiosomen durch die Peribacteroidmembran, welche von Plasmamembran oder ER der Wirtszelle gebildet wird. 28 Zusammenwirken der symbiontischen Partner Essentiell ist eine O2-arme Umgebung für die Nitrogenase-Reaktion. Nitrogenase-Expression ist reprimiert durch O2. 29 Biologische N2-Fixierung 1. Die Pflanze bildet eine zusätzliche O2-Permeabilitätsbarriere 2. Die Pflanze synthetisiert Knöllchen-spezifische Proteinen (=Noduline): z.B. Leghämoglobin, ein O2-bindendes Protein 3. Die Bakterien besitzen eine Cytochrom-Oxidase mit besonders hoher Affinität für O2: KM von 8 nM statt normal ca. 50 nM 30 Umweltreize für Pflanzen Photosynthetisch aktives Licht (Stärke, Richtung etc.) CO2 Wind als mechanische Kraft Photomorphogenetisch aktives Licht (z.B. Tageslänge) Temperatur Flüchtige Botenstoffe Herbivoren Pathogene Mikroorganismen Luftfeuchtigkeit Schwerkraft Osmotische Bedingungen Bodenfauna Wassersättigung Symbiotische Mikroorganismen Bodenqualität Nährstoffangebot 31 Biotische Interaktionen (Allelophysiologie) Herbivorie Die Betrachtung wird beschränkt auf die kauenden Herbivoren. 32 Angesichts der Masse potentieller Herbivore ist auch der Anteil fraßgeschädigter Pflanzen vergleichsweise klein. Alle Pflanzen sind jeweils für die meisten Herbivore ungenießbar. Präformierte und induzierbare Abwehrmechanismen müssen überwunden werden. Dies gelingt nur Spezialisten. Auch hier liegt eine Co-Evolution vor wie bei den Wirt-Parasit (Pathogen)Beziehungen. 33 Präformierte Abwehr gegen Herbivorie 1. Strukturelle Barrieren Dornen, Stacheln, Cuticula etc. 2. Chemische Barrieren 34 Strasburger, Lehrbuch der Botanik Präformierte Abwehr gegen Herbivorie 2. Chemische Barrieren Toxische niedermolekulare Stoffe, z.B. nichtproteinogene Aminosäuren wie das Arginin-Analogon Canavanin Nicht-toxische Speicherformen toxischer Substanzen Hirse Meerrettich Proteine wie Proteaseinhibitoren, Oxidasen 35 Induzierte Abwehr gegen Herbivorie Reaktion der Pflanze auf Verwundung und auf Moleküle des Insekts (Speichel). Verwundungs- und Herbivor-Antworten der Pflanze sind ähnlich. Pflanzen differenzieren Verwundung und Insektenfraß durch die Erkennung von Elicitoren des Insekts. Insekten-Elicitoren lösen neben den lokalen auch systemische Antworten aus. Ca2+-Einstrom sichtbar gemacht durch einen spezifischen FluoreszenzIndikator. Die Pflanze reagiert auf Insektenfraß sehr viel stärker als auf einfache Verwundung. Schulze et al., Chemie in unserer Zeit (2006) Offenbar können Pflanzen auch die für ein Insekt typischen Verwundungen von rein mechanischen Verwundungen unterscheiden. 36 Induzierte Abwehr gegen Herbivorie: Elicitoren Ein auslösender Stoff aus Speichel ist seit etwa 10 Jahren bekannt: Volicitin Rezeptoren für solche Fettsäure-AminosäureKonjugate sind noch nicht identifiziert worden. Ein weiteres Beispiel sind aus dem Abbau von ATPase-Untereinheiten entstehende Peptide (Inceptine). 37 Signaltransduktion Maffei et al., Trends Plant Science (2007) Es gibt Ähnlichkeiten zwischen den Signaltransduktionskaskaden nach Pathogen- und nach Herbivor-Erkennung: Ca2+-Einstrom, Depolarisation, Bildung reaktiver Sauerstoffspezies, MAP-Kinase-Kaskaden. Insgesamt ist jedoch über die Ereignisse der Signaltransduktion nach Herbivor-Erkennung sehr viel weniger bekannt. 38 Signaltransduktion Innerhalb von < 30 min akkumuliert Jasmonat nach Verwundung. Maffei et al., Trends Plant Science (2007) Ca2+-Einstrom sichtbar gemacht durch einen spezifischen FluoreszenzIndikator. Die Pflanze reagiert auf Insektenfraß sehr viel stärker als auf einfache Verwundung. Schulze et al., Chemie in unserer Zeit (2006) 39 Eine zentrale Rolle spielt das Phytohormon Jasmonsäure Jasmonat löst die Bildung von Proteinase-Inhibitoren, Aminosäure-abbauenden Enzymen und andere Antworten aus: Bildung von toxischen Sekundärmetaboliten wie Nikotin, Glucosinolaten etc. Jasmonat-Biosynthese in Plastiden und Peroxisomen geht aus von Membranlipiden. Linolensäure wird frei, wird oxidiert und verkürzt durch βOxidation. Weitere chemisch verwandte Stoffe, die evtl. Signalwirkung besitzen, werden als Oxylipine zusammengefasst. Defekt in der Jasmonat-Akkumulation führt zu größerem Herbivor-Erfolg (DefenselessMutante Tomate). 40 Jasmonate signaling JA-responsive Gene werden durch die Interaktion von JAZ-Proteinen mit Transkriptionsfaktoren wie MYC2 reprimiert. In Antwort auf Gewebe-Beschädigung akkumuliert JA-Isoleucin (JA-Ile). JA-Ile fördert durch Bindung an COI1 die Interaktion eines SCF-Komplexes mit JAZ-Proteinen. Diese werden dadurch für den proteasomalen Abbau markiert. MYC2 kann nun JA-responsive Gene aktivieren (darunter JAZ-Gene, wahrscheinlich, um 41 aufwändige Abwehrreaktionen auch schnell wieder abschalten zu können). Systemische Antworten Systemin–vermittelte Antwort in Tomate ist das bestuntersuchte Beispiel: 1. Verwundete Tomatenpflanzen synthetisieren das Protein Prosystemin in Zellen des PhloemParenchyms 2. Prosystemin wird proteolytisch gespalten: das Peptid Systemin wird frei 3. Systemin bindet an einen Rezeptor in Phloem-Geleitzellen 4. Die aktivierte Signalkaskade führt zur Bildung von Jasmonat 5. Jasmonat aktiviert lokale Antworten 6. Jasmonat wird (als Konjugat) über das Phloem systemisch verteilt und aktiviert Abwehrreaktionen, u.a. die Synthese von Proteinase-Inhibitoren Taiz/Zeiger, Plant Physiology 42 Abgabe von flüchtigen Stoffen nach Verwundung Strasburger, Lehrbuch der Botanik (8-21) 43 Abgabe von Düften nach Herbivoren-Befall, Tritrophische Interaktionen 44 Schulze et al., Chemie in unserer Zeit (2006) Komplexität der Interaktionen: Beispiel Glucosinolate Glucosinolate spielen eine ganze Reihe verschiedener Rollen in der Interaktion von Pflanzen mit Insekten. Unterschieden werden müssen bei den Insekten Generalisten von Spezialisten. Generalisten werden durch Glucosinolate wirksam bekämpft, Spezialisten jedoch angelockt. Volatile Glucosinolat-Abbauprodukte können auch Parasiten der Fraßfeinde anlocken. Selbst schon vergangene Interaktionen beeinflussen gegenwärtige, da Glucosinolat-Biosynthese auch induziert wird. Daraus folgt, dass je nach HabitatCharakteristika (also z.B. Anteil Generalisten – Spezialisten) unterschiedliche „Bouquets“ vorteilhaft sind. 45 Allelopathie = die chemische Beeinflussung einer Pflanze durch eine andere a. Juglon und Walnussbäume b. Grasvegetation des Chaparral der Sierra Nevada: bei starker Ausbreitung des PurpurSalbeis kommt es zu spontanen Entzündungen des flüchtigen 1,8-Cineol und damit zu Buschfeuern, die einen Neustart der Vegetation ermöglichen. 46 Block 2: Sinnesphysiologie; Interaktionen von Pflanzen mit der belebten und unbelebten Umwelt; Signale und ihre Verarbeitung Biotische Interaktionen: Symbiosen, Pathogenabwehr, Allelopathie Reaktionen auf abiotische Faktoren Die Stresshormone ABA, JA, Ethylen, (SA) Die Sinne der Pflanzen: sehen, schmecken, tasten, riechen 47 Vergleich unserer Sensorik mit der von Pflanzen Stimulus Humaner Sinn Licht Sehsinn Flüchtige Stoffe Geruchssinn Nichtflüchtige Stoffe Geschmackssinn Mechanische Kräfte Tastsinn Beschleunigung Gleichgewichtssinn Klang Hörsinn Nach: Weiler, Angew. Chem. Int. Ed (2003) Pflanzliche Antwort Ja Ja Ja Ja Ja Nein 48 Umweltreize für Pflanzen Photosynthetisch aktives Licht (Stärke, Richtung etc.) CO2 Wind als mechanische Kraft Photomorphogenetisch aktives Licht (z.B. Tageslänge) Temperatur Flüchtige Botenstoffe Herbivoren Pathogene Mikroorganismen Luftfeuchtigkeit Schwerkraft Osmotische Bedingungen Bodenfauna Wassersättigung Symbiotische Mikroorganismen Bodenqualität Nährstoffangebot 49 Anpassungsleistungen von Pflanzen Die Besiedlung sehr unterschiedlicher Regionen setzt eine Vielzahl von Anpassungsleistungen voraus. Zum Beispiel in manchen Fällen die Anpassung an extrem lebensfeindliche Bedingungen. 50 Biome der Welt (University of Michigan) 51 Temperatur Hitze Kälte Frost Für die Ausbreitung, die Wuchsleistung und den Fortpflanzungserfolg von Pflanzen wichtige abiotische Faktoren: Strahlung Defizienz Überschuss UV Wasser Bodentrockenheit Lufttrockenheit Überflutung Gase CO2-Mangel O2-Mangel Ozon Mineralien Defizienz Überschuss Salz Schwermetalle Acidität Alkalinität Mechanische Belastung Wind Schnee Eisdecke 52 Modifiziert nach: Larcher, Physiological Plant Ecology, Fig. 6.9 Temperatur Hitze Kälte Frost Strahlung Defizienz Überschuss UV Wasser Bodentrockenheit Lufttrockenheit Überflutung Diese abiotischen Faktoren stehen meist in einem Zusammenhang. Salzstress und Frost führen zu Wassermangel. Warum sollte uns abiotischer Stress interessieren? Gase CO2-Mangel O2-Mangel Ozon Mineralien Defizienz Überschuss Salz Schwermetalle Acidität Alkalinität Mechanische Belastung Wind Schnee Eisdecke 53 Modifiziert nach: Larcher, Physiological Plant Ecology, Fig. 6.9 Die realen Ernten bleiben immer weit hinter den genetisch möglichen zurück (t/ha) Corn Wheat Soybeans Sorghum Record Average Oats Barley Potatoes Sugar beet 0 20 40 60 80 100 120 140 Wir ernten ca. 20-25 % des Möglichen. Stress ist verantwortlich für die Abweichung vom Optimum. From Boyer, 155 Mtg AAAS, 1989 54 Folie: Jeff Dangl
