Effects of the substitution of potassium by sodium on physiological processes and their responsible key enzymes in sugar beet

Abstract

It is well known that potassium (K+) can be replaced by sodium (Na+) to a great extent in sugar beet (Beta vulgaris). However, the possible extent of substitution is limited also in sugar beet. It was not clear which process limits the substitution of K+ by Na+ in young sugar beet. It is known that K+ is required for the processes of transpiration, growth, and protein synthesis. The aim was to find out which process is most sensitive due to the substitution of K+ by Na+.Therefore, sugar beets were grown at various substitution levels (0.25%, 25.00%, 50.00%, 75.00%, 97.50%, 98.75%, and 99.75% substitution). The sum of supplied K+ and Na+ concentrations was kept constantly equal at the level of adequate K+ nutrition of 4 mM. The approach excluded chloride or osmotic effects.The process of transpiration was not affected by the substitution. The transpiration rate was not increased even when 99.75% of K+ were substituted by Na+. The growth of young sugar beet plants was inhibited under the substitution of 99.75% K+ by Na+. The supply of sugars was inhibited when 98.75% of K+ were substituted by Na+. Protein content per shoot was chosen as a parameter for the quantification of the effect of the substitution on net protein synthesis. Protein contents were reduced when 97.50% of K+ were substituted by Na+. Since transpiration, growth, and the supply of sugars were not inhibited by this substitution level, net protein synthesis was the most sensitive process during substitution of K+ by Na+ in young sugar beet.The inhibition of net protein synthesis due to a substitution-induced magnesium (Mg2+) deficiency or due to a shortage of proteinogenic amino acids was excluded. Free amino acids even accumulated with increasing the extent of the substitution. Therefore, it was hypothesized that the process of translation itself is inhibited due to the substitution of K+ by Na+.In order to test this hypothesis, ribosomes were isolated from growing leaves of sugar beet and maize which were grown under control conditions. In an in vitro approach the translation of the ribosomes from both plant species was quantified via the incorporation of 35S-methionine in peptides and proteins. In order to avoid the translation by ribosomes of plastids and mitochondria, organellar ribosomes were inhibited by means of the addition of chloramphenicol to both in vitro systems. Magnesium and K+ concentrations were identified which meet the requirements of both in vitro systems. Potassium was substituted by Na+ at different levels (0%, 20%, 40%, 60%, and 80% substitution). The effect of different substitution levels on the 35S-methionine incorporation of both in vitro systems was determined.The substitution of K+ by Na+ inhibited the in vitro translation of both plant species. This shows that the process of translation itself is inhibited by the substitution and explains the observed inhibition of net protein synthesis in vivo under substitution conditions. However, the ribosomes of sugar beet exhibited higher level of tolerance than the ribosomes of maize.Besides the plasma membrane H+-ATPase, the ribosomes represent the second example for increased tolerance of high Na+/K+ ratios in the metabolism of sugar beet. This indicates that the salt resistance of sugar beet is not only based on the successful compartmentation of ions in vacuoles, but also on the Na+ tolerance of key enzymes. Es ist schon lange bekannt, dass die Zuckerrübe (Beta vulgaris) gut mit Natrium (Na+) zurechtkommt. Allerdings ist auch bei der Zuckerrübe keine vollständige Substitution von Kalium (K+) durch Na+ möglich. Bisher war nicht klar, welcher Prozess am empfindlichsten gegenüber der Substitution reagiert und somit die Substitution limitiert. Kalium spielt eine bedeutende Rolle bei der Regulation der Transpiration, bei Wachstumsprozessen und bei der Proteinsynthese. Ziel dieser Arbeit war, den Prozess zu identifizieren, der am empfindlichsten gegenüber der Substitution von K+ durch Na+ reagiert.Dazu wurden Zuckerrüben in verschiedenen Substitutionsvarianten (0,25%, 25,00%, 50,00%, 75,00%, 97,50%, 98,75% und 99,75% Substitution) in Wasserkultur angezogen. Die Summe der K+- und Na+-Konzentrationen wurde dabei in jeder Variante konstant bei 4 mM gehalten. Dieser Versuchsansatz wurde gewählt, um zusätzliche Einflüsse einer Akkumulation von Chloridionen oder osmotische Einflüsse auszuschließen.Der Prozess der Transpiration wurde nicht von der Substitution beeinträchtigt. Selbst bei einer nahezu vollständigen Substitution von K+ durch Na+ (99,75% Substitution) konnte kein Anstieg der Transpirationsrate festgestellt werden. Das Wachstum der jungen Zuckerrübenpflanzen wurde erst beeinträchtigt, wenn 99,75% des K+ durch Na+ ersetzt wurden. Die Bereitstellung von Zuckern, eine wichtige Voraussetzung für die Versorgung von jungem, wachsendem Gewebe, wurde durch die Substitution von 98,75% des K+ durch Na+ gestört. Proteingehalte wurden bestimmt als Parameter für die Quantifizierung des Einflusses der Substitution auf die Nettoproteinsynthese. Die Substitution von 97,50% des K+ durch Na+ bewirkte einen signifikanten Rückgang der Proteingehalte. Da die Transpiration, das Wachstum und die Zuckerbereitstellung bei dieser Substitution nicht beeinträchtigt waren, stellte die Nettoproteinsynthese den empfindlichsten Prozess unter Substitutionsbedingungen dar.Es konnte ausgeschlossen werden, dass ein durch die Substitution induzierter Magnesiummangel für die Hemmung der Proteinsynthese verantwortlich war. Auch ein Mangel an proteinogenen Aminosäuren konnte als limitierender Faktor ausgeschlossen werden. Es konnte sogar eine Akkumulation von freien Aminosäuren festgestellt werden. Daher wurde die Hypothese aufgestellt, dass der Prozess der Translation direkt durch die Substitution von K+ durch Na+ gestört wird.Um diese Hypothese zu testen, wurden Ribosomen aus wachsenden Blättern von Zuckerrübe und Mais isoliert. Die Pflanzen wurden unter Kontrollbedingungen kultiviert. Die Translation durch Ribosomen aus Zuckerrübe und Mais wurde in vitro bestimmt über den Einbau von radioaktivem 35S-Methionin in Peptide und Proteine. Um nur die Proteinsynthese cytosolischer Ribosomen zu erfassen, wurden die Ribosomen aus den Plastiden und Mitochondrien mit Chloramphenicol gehemmt. Zunächst wurden die Magnesium (Mg2+)- und K+-Konzentrationen ermittelt, die den Anforderungen der Ribosomen beider Pflanzenarten entsprachen. Kalium wurde durch Na+ substituiert (0%, 20%, 40%, 60%, und 80% Substitution). Der Einfluss der verschiedenen Substitutionsvarianten auf den Einbau von 35S-Methionin wurde für die Ribosomen beider Pflanzenarten bestimmt.Die in vitro-Translation beider Pflanzenarten reagierte empfindlich gegenüber der Substitution von K+ durch Na+. Dies zeigt, dass der Prozess der Translation direkt durch die Substitution gestört wird. Die in vitro beobachtete Störung der Translation erklärt die in vivo beobachtete Hemmung der Nettoproteinsynthese. Im Vergleich zu den Ribosomen aus Mais zeigten sich die Ribosomen der Zückerrübe toleranter gegenüber der Substitution von K+ durch Na+. Neben der H+-ATPase im Plasmalemma, stellen die Ribosomen das zweite Beispiel für eine Anpassung an hohe Na+/K+-Konzentrationsverhältnisse dar. Dies zeigt, dass die Salzresistenz von Halophyten nicht nur auf einer erfolgreichen Kompartimentierung beruht, sondern auch auf einer erhöhten Na+-Toleranz von Schlüsselenzymen.