Experimental and theoretical studies of phloem transport with the inclusion of lateral solute exchange and apoplastic conditions

Abstract

It has been shown that long-distance transport of solutes through the phloem within plants is driven by an osmotically generated pressure gradient, with associated radial exchange of water in the source and sink regions. However, there is also water and solute exchanges along the long-distance pathway, but their magnitudes are poorly known and their physiological role has rarely been investigated, especially in mathematical models of phloem transport. Therefore, this study investigated the magnitude of these fluxes in stems, and what can regulate them, by both theory and experiment. A steady state model of phloem transport developed using Navier-Stokes and convection-diffusion equations with allowance for water and solute exchange along the pathway showed that radial water exchange affects the pressure gradient. Solute exchange, dependent on the phloem cells permeability, also affects the pressure gradient by modifying water exchange. This result is significantly different from Hagen-Poiseuille flow which has been used so far in most mechanistic descriptions of phloem transport, not considering solute radial exchange. The experimental approach to investigate the importance of radial exchange of water and solutes on phloem transport made use of 11C to non-invasively trace sugars, and transfer-function analysis to calculate tracer transport and unloading in squash and wheat plants, in response to treatments of the stem apoplast by perfusion with test solutions. In squash, effects of treatments with sucrose or mannitol on tracer unloading were similar at concentrations up to 300 mM. At 500 mM mannitol caused a transient stoppage of phloem transport, unlike sucrose. Application of mannitol may have caused a more abrupt osmotic shock than sucrose because of a higher permeability into the tissue, corresponding to its lower molecular size. In squash, the loss of tracer increased in the presence of PCMBS, which inhibits membrane transport, suggesting that there was phloem reloading of sugar via membrane transport from the apoplast. The observed response to apoplastic treatments was interpreted with a simple compartmental model: changes in the apoplast water potential and solute exchange greatly affected phloem transport, in agreement with the experimental work. Both the theoretical and experimental approaches showed that radial solute and water exchange in pathway regions between sources and sinks have to be recognised for a better understanding of phloem transport to be possible. Seit langem ist bekannt, dass der Langstreckentransport gelöster Stoffe im Phloem der Pflanzen durch einen osmotisch getriebenen Druckgradienten bewirkt wird, der mit dem radialen Austausch von Wasser in den Belade- und Speicherorganen verknüpft ist. Allerdings gibt es auch Austauschvorgänge von Wasser und gelösten Stoffen entlang der Transportstrecke, über deren Größenordnung aber wenig bekannt ist und deren physiologische Rolle selten untersucht wurde, insbesondere in mathematischen Modellen des Phloemtransports. In der vorliegenden Studie wurden daher die Größe dieser Flüsse in Sprossachsen und ihre Regulation sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Auf der Grundlage der Navier-Stokes-Gleichungen und Konvektions-Diffusionsgleichungen wurde ein stationäres Modell für den Phloemtransport entwickelt, das radialen Austausch von Wasser und gelösten Stoffen entlang des Transportweges zulässt und zeigte, dass lateraler Wasseraustausch den Druckgradienten beeinflusst. Auch der Austausch gelöster Stoffe, der von der Permeabilität der Phloemzellen abhängt, beeinflusst den Druckgradienten durch Änderung des Wasseraustauschs. Dieses Ergebnis unterscheidet sich deutlich vom Hagen-Poiseuille-Fluss, der bisher für die meisten mechanistischen Beschreibungen des Phloemtransportes benutzt wurde, aber keinen radialen Austausch gelöster Stoffe berücksichtigt. Experimentall wurde in Weizen und Kürbispflanzen der Einfluss des radialen Austausches von gelösten Stoffen und Wasser auf den Phloemtransport untersucht durch nicht-invasive Messung von 11C als Tracer für Zucker, wobei der Apoplast der Sprossachsen mittels Perfusion mit verschiedenen Testlösungen behandelt wurde. Zur Bestimmung des Transportes und Austauschs des Tracers wurde eine Transfer-Funktions-Analyse verwendet. Bei Kürbispflanzen gab es zwischen Behandlungen mit Saccharose und Mannit bei Konzentrationen bis zu 300 mM keine signifikant unterschiedlichen Auswirkungen auf die Tracerentladung. Bei 500 mM Mannit kam es jedoch, anders als bei Saccharose, zu einem vorübergehenden Stoppen des Phloemtransportes. Dies ist möglicherweise auf einen im Vergleich zu Saccharose abrupteren osmotischen Schock zurückzuführen, da Mannit aufgrund seiner geringeren Molekülgröße eine höhere Permeabilität in das Gewebe hat. Bei Kürbispflanzen erhöhte sich der Tracerverlust in der Gegenwart des von PCMBS, was damit erklärt werden kann, dass die Phloemrückbeladung gelöster Teilchen aus dem Apoplasten durch diesen Membrantransporthemmstoff blockiert wurde. Die beobachteten Reaktionen auf die Behandlung des Apoplasten wurden mit Hilfe eines einfachen Kompartimentmodells interpretiert: in Übereinstimmung mit den experimentellen Resultaten ergab sich, dass Änderungen im apoplastischen Wasserpotential und Austausch der gelösten Stoffe einen großen Einfluss auf den Phloemtransport haben. Sowohl die theoretischen als auch experimentellen Ansätze zeigen, dass der radiale Austausch von gelösten Stoffen und Wasser auf der Transportstrecke zwischen Quellen und Senken für ein besseres Verständnis des Phloemtransportes berücksichtigt werden muss.