Role of silicon in Plasmalemma H+-ATPase hydrolytic and pumping activity in maize (Zea mays L.)

Abstract

Silicon is the second most abundant element in the earth crust and all plants grown in soil contain some amount of Si in their body. Despite of the ubiquitous nature of Si in soil-plant systems the essentiality of Si is not yet proven for higher plants. The beneficial effects of Si are more pronounced in plants grown under various biotic and abiotic stresses. Unfortunately, there is little evidence that Si application takes part in some of the physiological and biochemical processes in plants. Some earlier studies suggested that Si can increase the expansion growth in various plant species by changing the cell-wall extensibility in young growing shoot and root tissues. Moreover, some studies also suggested that Si uptake and translocation are energy requiring processes and may require a proton gradient. Plasma membrane H+-ATPase is a master enzyme and it extrudes H+ out of the cytosol and creates an electrochemical H+ gradient. The plasma membrane H+-ATPase generated H+ gradient is responsible for cell wall extensibility and expansion growth. Moreover, the electrochemical H+ gradient energizes various proteins involved in nutrient and solute uptake and translocation. Although few attempts have been made to elucidate the role of Si in plant growth and cell-wall extensibility, mechanisms lying behind are not fully understood. Therefore, it was assumed that Si-enhanced plant growth and uptake and translocation of Si from nutrient solution may require increased plasma membrane H+-ATPase activity. To determine the effect of Si nutrition on maize growth and its relationship with the plasma membrane H+-ATPase regulation the following hypotheses were tested: (1) Exogenously supplied Si in nutrient solution improves maize (Zea mays L cv. Amadeo) growth under normal growth conditions (2) Changes in plasma membrane H+-ATPase are responsible for the Si-induced maize growth (3) Silicon-nutrition increases maize shoot growth by inducing the apoplast acidification.The results are summarized as: 1. Silicon application in nutrient solution increased maize growth at all concentrations. The maximum increase in plant growth attributes was observed at 0.8 - 1.2 mM Si in nutrient solution. Furthermore, the results showed that Si nutrition had a balancing effect on other mineral nutrients in maize plants. Silicon application in nutrient solution changed the concentrations of different cations in maize roots and shoots tissues especially Ca, Zn, Mn, and Fe.2. Silicon nutrition changed the plasma membrane H+-ATPase characteristics that were: (I) Plasma membrane vesicles isolated from Si-treated shoots had 77% more enzyme protein. (II) The plasma membrane H+-ATPase isolated from Si-treated maize shoots showed inhibited hydrolytic and pumping activities by Si addition in the assay medium in comparison to the vesicles isolated from plants grown without Si. (III) Silicon nutrition induced differential transcription of plasma membrane H+-ATPase isforms. The plants supplied with Si had reduced MHA3 and MHAfam transcription. (IV) Similar to the shoots, Si nutrition brought some changes in the characteristics of plasma membrane H+-ATPase in roots as well. The addition of 1 mM Si in the assay medium significantly reduced the hydrolytic activity of plasma membrane H+-ATPase isolated from plants supplied with Si in nutrient solution. 3. Silicon-induced expansion growth in maize shoot showed no correlation with apoplastic pH. The plants grown with and without 1 mM Si supply in nutrient solution had a comparable value for their in vivo-measured apoplastic pH. Therefore, it is assumed that the Si-mediated increased shoot growth was due to unknown factors other than apoplastic pH. Silicium ist das zweithäufigste chemische Element der Erdkruste und somit ubiquitär im Boden vorhanden. Obwohl sich in allen im Boden wachsenden Pflanzen Si wiederfindet, konnte bisher nicht nachgewiesen werden, inwieweit Si als Nährstoff für die Pflanze essentiell ist. Vor allem unter biotischem und abiotischem Stress aber wird ein positiver Effekt einer Si-Ernährung auf das Pflanzenwachstum festgestellt. Leider gibt es aber bis heute kaum Belege dafür, dass Si an physiologischen und biochemischen Prozessen in der Pflanze beteiligt ist. Jedoch wurde in früheren Studien vorgeschlagen, dass Si das Streckungswachstum verschiedener Pflanzenarten verbessern kann, indem es die Zellwandextensibilität des jungen Spross- und Wurzelgewebes verändert. Darüber hinaus wird angenommen, dass sowohl die Aufnahme als auch die Translokation von Si Energie benötigt und durch einen Protonengradient angetrieben wird. Das Masterenzym, welches Protonen aus dem Cytosol der Zelle in die Zellwand pumpt und auf diese Weise einen elektrochemischen Protonengradient aufbaut, ist die Plasmalemma-H+-ATPase. Der durch dieses Enzym generierte Protonengradient ist verantwortlich für die Zellwandextensibilität und das Streckungswachstum bei Pflanzen. Des Weiteren werden durch den Aufbau des elektrochemischen Protonengradienten verschiedene Proteine aktiviert, welche beispielsweise für die Aufnahme und Translokation von Pflanzennährstoffen notwendig sind. Obwohl über die Jahre bereits zahlreiche Versuche unternommen wurden, die Rolle von Si bei Pflanzenwachstum und Zellwandextensibilität zu beschreiben, sind die zugrunde liegenden Mechanismen bis heute nicht aufgeklärt. Vor diesem Hintergrund wurde in dieser Arbeit angenommen, dass das durch Si-verbesserte Pflanzenwachstum, sowie die Aufnahme und Translokation von Si aus dem Nährmedium in die Pflanze auf eine erhöhte Aktivität der Plasmalemma-H+-ATPase zurückgeht.Um den Einfluss von Si auf das Wachstum von Mais unter Berücksichtigung einer möglichen Regulation der Plasmalemma-H+-ATPase zu untersuchen, wurden folgende Hypothesen aufgestellt: (1) Exogen appliziertes Si in der Nährlösung verbessert das Wachstum von Mais (Zea mays L.) unter normalen Wachstumsbedingungen. (2) Änderungen in der Aktivität der Plasmalemma-H+-ATPase sind verantwortlich für das durch Si-induzierte Wachstum von Mais. (3) Si-Ernährung verbessert das Sprosswachstum von Mais durch eine gesteigerte Zellwandansäuerung. Die aus dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:1. Die Applikation von Si zur Nährlösung verbessert das Wachstum von Mais unter allen angebotenen Si-Konzentrationen. Hierbei wurde der größte Wachstumszuwachs bei Si-Konzentrationen in der Nährlösung von 0,8 bis 1,2 mM festgestellt. Darüber hinaus zeigte sich, dass in Mais eine Si-Ernährung förderlich für das Gleichgewicht anderer Pflanzennährstoffe ist. So wurden durch die Zugabe von Si die Konzentrationen verschiedener Kationen wie Ca, Zn, Mn und Fe in Spross und Wurzel von Mais verändert.2. Die Ernährung der Pflanze mit zusätzlichem Si veränderte auch die Eigenschaften der Plasmalemma-H+-ATPase: (I) Aus dem Spross Si-ernährter Pflanzen isolierte Plasmamembran-Vesikel zeigten eine um 77% gesteigerte Proteinmenge. (II) Die Plasmalemma-H+-ATPase Si-behandelter Pflanzen zeigte im Vergleich zu unbehandelten Pflanzen eine gehemmte hydrolytische und Pumpaktivität nach Zugabe von Si zum Analysemedium. (III) Die Zugabe von Si zum Nährmedium führte zu einer veränderten Transkription verschiedener Plasmalemma-H+-ATPase-Isoformen. Insbesondere die Transkription der Isoformen MHA3 und MHAfam war unter Si-Einfluss reduziert. (IV) Ähnlich wie im Spross, resultierte die Zugabe von 1 mM Si zum Analysemedium in einer signifikanten Abnahme der hydrolytischen Aktivität der Plasmalemma-H+-ATPase in der Wurzel Si-behandelter Maispflanzen. 3. Das durch Si verbesserte Streckungswachstum des Maissprosses ist nicht auf eine verbesserte Zellwandansäuerung zurückzuführen. Sowohl Si-behandelte als auch unbehandelte Maispflanzen zeigten nach in vivo-Messung einen vergleichbaren apoplastischen pH. Hieraus kann abgeleitet werden, dass das durch Si verbesserte Sprosswachstum durch andere, noch unbekannte Faktoren bedingt wird.