Abiotic stress - a challenge for the master enzyme plasma membrane H+ -ATPase : a case study for maize with special consideration of salt stress and Mg deficiency

Abstract

The plasma membrane (PM) H+-ATPase is the powerhouse of the plant. The enzyme establishes an electrochemical proton gradient across the PM. This gradient is responsible for cell-wall acidification which is a requisite for cell-extension growth and it energizes transport processes of symporters and antiporters at the PM. Abiotic stresses often have a negative impact on the functions of enzymes which can disturb major physiological processes and interfere with plant development. Therefore, the effect of abiotic stress on the PM H+-ATPase´s two main functions were investigated in this thesis. The effect of Mg deficiency on apoplastic acidification was studied in developing maize leaves and the effect of salt stress on energization of transport processes was examined in developing maize kernels. Magnesium (Mg) deficiency is often observed in agricultural crops with an insufficient Mg fertilization regime, finally resulting in yield depression. One goal was to identify the process that primarily limits maize (Zea mays L.) growth and yield under insufficient Mg supply. A sufficient (500 µM) and a low (25 µM) Mg concentration were used in time-course hydroponic experiments to investigate parameters which are considered to be important for the characterization of the key processes of growth, namely cell division and cell-extension growth. It was shown that cell division was not susceptible to Mg deficiency, since neither DNA replication nor sugar or protein availability limited this growth process. However, PM H+-ATPase activity was inhibited by a lack of the enzyme´s co-substrate Mg under Mg deficiency. The inhibition of the PM H+-ATPase reduced apoplastic acidification causing a reduced cell-extension growth. This primarily limited maize growth under Mg deficiency.Salt stress affects yield formation of maize at various physiological levels resulting in an overall decrease of grain yield. In this thesis it was investigated how salt stress affects kernel development at and shortly after pollination. Maize kernels grown under control and salt stress were harvested 0 and 2 d after pollination (DAP) and at kernel maturity. Kernel development was not inhibited 0 DAP, but it was inhibited 2 DAP under salt stress. On this day, kernel PM H+-ATPase activity was reduced which caused a lower pH gradient across the plasma membranes of endosperm and embryo tissue. The lower pH gradient supposedly resulted in a decreased energization of transporters responsible for hexose import into the cytoplasm of the kernels. A lack of hexoses reduced the energy status of the cells which impaired cell division. The impaired cell division probably caused the observed growth reduction of kernels 2 DAP, which resulted in an observed lower kernel number and grain yield at maize maturity under salt stress. It is concluded that the impairment of PM H+-ATPase by Mg deficiency and salt stress in maize is a major reason for growth and yield reduction under these environmental constraints. However, while the impairment of the cell-wall acidification is the reason for a reduced extension growth under Mg deficiency in leaves, the decrease in pH gradient at the PM caused kernel abortion under salt stress.

Die Plasmamembran (PM) H+-ATPase wird aufgrund ihrer herausragenden Stellung im pflanzlichen Stoffwechsel als Kraftwerk oder als Masterenzym der Pflanze bezeichnet. Sie baut an der Plasmamembran pflanzlicher Zellen einen elektrochemischen Protonengradienten auf, der zweierlei Funktionen hat: 1. Die Ansäuerung der pflanzlichen Zellwand, welches die Voraussetzung für die Turgor-getriebene Zellstreckung ist. 2. Den Antrieb von Transportprozessen durch die Plasmamembran. Abiotischer Stress hat oft einen negativen Einfluss auf diese Funktionen. Eine Störung einer dieser beiden Funktionen hat oft negative Einflüsse auf wichtige physiologische Prozesse, wodurch wiederum die normale Entwicklung der Pflanze gestört werden kann. Daher wurde in dieser Arbeit untersucht, welche Auswirkungen abiotischer Stress auf die beiden Funktionen des pH-Gradienten hat. Der Einfluss von Magnesiummangel auf die Ansäuerung des Apoplasten wurde in noch wachsenden Maisblättern untersucht, während in sich entwickelnden Maiskörnern der Einfluss von Salzstress auf den Antrieb von Transportprozessen in der PM untersucht wurde. In landwirtschaftlichen Kulturen wird häufig Magnesiummangel aufgrund einer unzureichenden Magnesiumdüngung beobachtet, welcher zu einem reduzierten Ertrag führen kann. Ein Ziel dieser Arbeit war es daher, den Prozess zu identifizieren, der unter Magnesiummangel primär das Wachstum und den Ertrag von Mais (Zea mays L.) reduziert. Mit einer niedrigen (25 µM) und einer hohen Magnesiumkonzentration (500 µM) wurden daher Nährlösungsversuche durchgeführt, um Parameter für die physiologischen Wachstumsprozesse wie Zellteilung und Zellstreckung zu erfassen. Es konnte gezeigt werden, dass die Zellteilung weder durch die DNA-Replikation noch durch die Verfügbarkeit von Zuckern oder Proteinen negativ durch Magnesiummangel beeinflusst wurde. Jedoch war unter Magnesiummangel die Aktivität der PM H+-ATPase durch einen Mangel an dem für das Enzym notwendigen Co-Substrats Magnesium reduziert. Durch die Hemmung der Aktivität der PM H+-ATPase unter Magnesiummangel konnte die Ansäuerung des Apoplasten nicht aufrechterhalten werden, sodass hierdurch das Zellstreckungswachstum eingeschränkt wurde. Dies war der primäre Grund für das reduzierte Wachstum von Mais unter Magnesiummangel. Salzstress behindert die Ertragsbildung von Mais auf verschiedenen physiologischen Ebenen, was schließlich zu einem verminderten Ertrag führt. In dieser Arbeit wurde daher untersucht, welche Auswirkungen Salzstress auf die Entwicklung von jungen Maiskörnern während oder kurz nach der Bestäubung hat. Hierzu wurde Mais unter Kontrollbedingungen und unter Salzstress angebaut und die Körner am Tag der Bestäubung, zwei Tage später und zur Kornreife geerntet. Das Wachstum der Körner war zum Zeitpunkt der Bestäubung noch nicht durch den Salzstress reduziert, jedoch zwei Tage später schon. An diesem Tag wurde eine Reduktion der Aktivität der PM H+-ATPase gemessen, die einen reduzierten pH-Gradienten an den Plasmamembranen von Endosperm und Embryo zur Folge hatte. Diese Reduktion verursachte wahrscheinlich einen reduzierten Transport von Hexosen in das Cytoplasma der Körner. Der Mangel an Hexosen im Cytoplasma rief mutmaßlich einen verringerten Energiestatus der Zelle hervor, der in einer verringerten Zellteilung resultierte. Dies war vermutlich die Ursache für die beobachtete Wachstumsreduktion der Körner zwei Tage nach der Bestäubung. Dies mündete in eine verminderte Anzahl von Körnern und in einen verringerten Ertrag bei der Kornreife.Es bleibt festzuhalten, dass die Reduzierung der Aktivität PM H+-ATPase durch Magnesiummangel und Salzstress ein Hauptgrund für vermindertes Wachstum und Ertragsdepression war. Die reduzierte Ansäuerung des Apoplasten war der Grund für das reduzierte Streckungswachstum der Blätter unter Magnesiummangel, während der reduzierte pH-Gradient an der Plasmamembran unter Salzstress das Absterben der Körner verursachte.