Genetische Verbesserung der Salzresistenz von Maishybriden in der ersten Phase des Salzstresses

Abstract

Salzstress stellt in vielen Regionen der Erde ein wesentliches Problem in der Landwirtschaft dar. Hierbei sind vor allem semiaride Gebiete betroffen, in denen die Verdunstung von Wasser aus dem Boden die Niederschläge übertrifft. Es kommt zu einer Akkumulation von Salz im fruchtbaren Oberboden und führt zu starken Wachstumseinbußen bei Kulturpflanzen (Qadir et al. 2006). Salzstress bei Pflanzen kann in 2 Phasen eingeteilt werden: in einer ersten Phase kommt es zu einer Verminderung des Wachstums durch osmotischen Stress, während es in der zweiten Phase des Salzstress bei empfindlichen Genotypen durch Ionentoxizität zum völligen Erliegen des Wachstums kommt. Salzresistente Genotypen können ihr Wachstum auf einem verminderten Niveau aufrecht erhalten (Munns 1993). Durch gezielte Kreuzung von osmotisch resistenten Maislinien mit einer Natrium exkludierenden Inzuchtlinie (NaExIl) konnten Hybriden (SR-Hybriden) erstellt werden, die sowohl in der ersten, als auch in der zweiten Phase des Salzstresses eine erhöhte Resistenz aufweisen (Schubert 2006). Die Resistenz in der ersten Phase des Salzstresses wird von den ähnlich resistenten Maisgenotypen SR 03 und SR 12 mit unterschiedlichen Strategien erreicht. Während SR 03 unter Salzstress die Ansäuerung der Zellwand und somit das Wachstum aufrecht erhält (Pitann etal. 2009), erhöht SR 12 die Konzentration von Arabinose in der Hemicellulose (Uddin et al. 2013), was zu einer Aufweichung der Zellwand führt. Eine Kombination von aufrecht erhaltener Zellwandansäuerung und erhöhter Arbinosekonzentration sollte zu einer erhöhten Resistenz in der ersten Phase des Salzstresses führen. Dies wurde in dieser Arbeit durch die Kreuzung der Mutterlinien von SR 03 und SR 12 und eine anschließende Erstellung von Doppelhaploiden, welche wiederum mit NaExIl gekreuzt wurden, überprüft. Die hieraus hervorgegangene Hybride DSR 5 zeigte eine erhöhte Resistenz in der ersten Phase des Salzstresses bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Ansäuerung der Zellwand und einer erhöhten Arabinosekonzentration. Dennoch war die Extensibilität der Zellwand in diesem Genotypen unter Salzstress vermindert. Ein weiterer Faktor, der die Zellwandextensibilität beeinflussen könnte, ist die Konzentration der Cellulose in der Zellwand, die unter Salzstress der ersten Phase vermindert ist (Uddin et al. 2013). Durch eine erhöhte Calciumgabe bei Pioneer 3906 konnte die Konzentration der Cellulose auf das Niveau der Kontrolle wiederhergestellt werden, jedoch war kein Einfluss auf die Zellwandextensibilität feststellbar. Messungen von weiteren resistenten und empfindlichen Genotypen unter Salzstress ergaben unterschiedliche Reaktionen der Zellwandextensibilität auf Salzstress. Es konnte nicht zwischen resistenten und sensitiven Genotypen unterschieden werden. Eine aufrecht erhaltene Zellwandextensibilität ist somit nicht zwingend für eine Resistenz in der ersten Phase des Salzstresses notwendig. Neben der Zellwandextensibilität ist der Turgorschwellenwert ein maßgeblicher Faktor für die Zellstreckung. Dieser wurde durch 100 mM NaCl bei Pioneer 3906 jedoch nicht signifikant verändert und kann somit als begrenzender Faktor unter Salzstress ausgeschlossen werden. Eine weitere Einschränkung des Wachstums liegt in einer verminderten Zellteilung. Die Messung des DNA-Gehaltes im Spross von Pioneer 3906 ergab bei 100 mM NaCl eine um 39,4% verminderte Zellzahl im Vergleich mit Kontrollbedingungen. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass Salzstress durch eine starke Einschränkung der Zellteilung das Wachstum vermindert. Salt stress is a major problem for agriculture in many parts of the world. Especially semiarid regions are affected, where evoporation exceeds precipitation. This leads to an accumulation of salt in fertile upper soils and results in severe growth depressions of crops (Qadir et al. 2006). Salt stress can be separated into two phases: In the first phase of salt stress growth is reduced by osmotic stress. In the second phase ion toxicity leads to a complete collapse of growth in sensitive genotypes while resistant genotypes can maintain growth at a limited level (Munns 1993). By systematic crossing of osmotically resistant maize inbred lines with a newly developed sodium-excluding inbred line (NaExIl) salt-resistant hyrbids (SR-hybrids) were bred. These hybrids show a higher resistance in the first as well as in the second phase of salt stress (Schubert 2006). Resistance in the first phase of salt stress is achieved by the similarly resistant genotypes SR 03 and SR 12 by different strategies. SR 03 maintains growth under salt stress by maintaining acidification of the cell wall (Pitann et al. 2009). SR 12 increases the concentration of arabinose in the hemicellulosic fraction of its cell wall under salt stress (Uddin et al. 2013). Both strategies may lead to a higher cell-wall extensibility under salt stress compared to sensitive genotypes. A combination of these strategies should lead to an increase of salt stress in the first phase. This was tested by crossing of the mother lines of SR 03 and SR 12, and establishment of doubled haploids from their offsprings and crossing these with NaExIl. From the resulting hybrids (DSR hybrids) DSR 5 showed an increase in arabinose and a maintained cell-wall acidification under salt stress. Nevertheless, cell-wall extensibility was reduced. Another factor that may reduce cell-wall extensibility is the reduced cellulose concentration in the cell wall under salt stress (Uddin et al. 2013). Additional calcium in the nutrient solution of Pioneer 3906 led to an increase of cellulose concentration under salt stress compared to the level of control plants. This restoration of cellulose concentration was not related to an increase of cell-wall extensibility. Measurements of different salt-resistant and sensitive maize genotypes yielded different results in the reaction of cell-wall extensibility under salt stress. There is no direct relationship between salt resistance and cell-wall extensibility. Besides cell-wall extensibility the wall-yield threshold is a relevant factor for cell enlargement. But there was no significant change of wall-yield threshold in Pionner 3906 under salt stress compared to control conditions. Another growth-restricting factor is the reduction of cell division. Measurement of DNA content of the shoot of Pioneer 3906 under salt stress resulted in a reduction of cells by 39,4% compared to control conditions. This leads to the conclusion that salt stress severely affects cell division and thus growth.