The role of Na+/H+ antiporter activity in leaf cells of newly developed maize (Zea mays L.) hybrids for sodium inclusion and salt resistance

Abstract

Da Salzstress weltweit immer noch ein sehr großes Problem für die landwirtschaftlicheProduktion darstellt, ist es von Bedeutung, diejenigen Kulturpflanzen und Genotypen zuidentifizieren, welche sich durch eine verbesserte Salzresistenz auszeichnen. Dieses genetischePotential kann dann genutzt werden, um salzresistente und ertragsreiche Kulturarten zuentwickeln. Aus diesem Grund, wurden in dieser Arbeit zehn verschiedene Maisgenotypen(Across 8023, Pioneer 3906, sowie acht neu entwickelte, salzresistente (SR) Hybride) auf ihreSalzresistenz in der zweiten Phase von Salzstress untersucht und klassifiziert.Von besonderem Interesse war die Rolle der Tonoplasten-Na+/H+-Antiporter (NHX) in derAusbildung von Salzresistenz. Hierzu wurden drei der neu entwickelten SR-Hybride, die sich imScreening als salzresistenter herausgestellt haben, sowie der empfindliche Genotyp Across 8023unter geringem (50 mM NaCl) und hohem Salzstress (200 mM NaCl) kultiviert und untersucht.Hierbei dienten zunächst das Sprosswachstum und die Anzahl nekrotischer Flecken am Blatt alsParameter zur Charakterisierung von Na+-Toxizität. Unter hohem Salzstress zeigte sich, dassSR03 und SR 05 insgesamt ein besseres Wachstum aufwiesen bei gleichzeitig wenigernekrotischen Blattveränderungen als SR 20 und Across 8023. Basierend auf diesen Ergebnissenwurden SR 03 und SR 05 als salzresistent, SR20 und Across 8023 dagegen als salzempfindlicheingestuft.Im Weiteren wurde dann die relative Transkription des Tonoplasten- Na+/H+-Antiporter ZmNHXund dessen Beteiligung an des Salzresistenz untersucht. So zeigte sich unter hohem Salzstress(200 mM NaCl) eine signifikante Hochregulierung von ZmNHX im Spross von SR 03 und SR05, sowie eine signifikante Hochregulierung von ZmNHX in der Wurzel von SR 20. Im Fall vonSR 20 war die erhöhte relative Transkription jedoch nicht ausreichend, um die Salzresistenzmaßgeblich zu verbessern. Jedoch sagt die Menge an Transkripten allein noch nichts überSalzresistenz aus, sondern vielmehr muss auch die Aktivität der Antiporter auf Proteinebene mitberücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang zeigte sich, dass im Spross von SR 05 dieAktivität von NHX analog der relativen Transkription ebenfalls unter Salzstress erhöht war,jedoch unter Kontrollbedingungen keine Veränderung stattfand. Somit scheint in SR 05 daspositive Zusammenwirken der erhöhten Transkription und Aktivität des Antiporters ursächlichfür die verbesserte Salzresistenz zu sein, da hierdurch verstärkt Na+ in der Vakuolekompartimentiert wird.Insgesamt können aus dieser Arbeit folgende Schlüsse gezogen werden: Basierend auf den Wachstumsparametern und der nekrotischen Blattveränderungenwurden SR 03 und SR 05 als salzresistent, SR 20 und Across 8023 als salzempfindlicheingestuft. Hierbei steht die Na+-Konzentration im Spross selbst in keinemZusammenhang mit der Ausbildung der Blattnekrosen, so dass dieser Parameter nichtgeeignet ist, Salzresistenz zu beschreiben. Das verbesserte Wachstum von SR 03 und SR 05 unter hohem Salzstress ist nicht bedingtdurch eine Na+ Exklusion aus dem Spross, da hier eine erhöhte Na+ Translokation sogarzu erhöhten Na+-Konzentrationen im Blatt führte. Salzresistenz bei SR 03 und SR 05 ist auf Na+-Inklusion zurückzuführen. Durch dieHochregulierung des Na+/H+-Antiporter-Transkripts ZmNHX kommt es im Spross zueiner verbesserten Gewebetoleranz. Gleichzeitig mit der erhöhten relativen Transkription von ZmNHX im Spross von SR 05konnte auch eine erhöhte Antiporter-Aktivität unter Salzstress gemessen werden, welchezu einer verstärkten Na+-Kompartimentierung in der Vakuole führt Screening of plant crops is necessary to identify salt-resistant germplasm for breeding programsto evolve salt-resistant and high-yielding crop genotypes. For this reason, ten different maizegenotypes (Across 8023, Pioneer 3906 and eight newly developed maize SR hybrids) werescreened for salt resistance during the second phase of salt stress. In order to investigate the roleof tonoplast Na+/H+ antiporters (ZmNHX) in salt-stress resistance three of the newly developedmaize SR hybrids (SR 03, SR 05 and SR 20) and cv. Across 8023 were selected for furtherstudies under low (50 mM NaCl) and high salinity level (200 mM NaCl). Resistance to Na+toxicity was monitored in terms of shoot growth and number of necrotic spots per leaf. SR 03and SR 05 showed better shoot growth and a lower number of necrotic spots per leaf ascompared to SR 20 and Across 8023. Based on these results, SR 03 and SR 05 were classified assalt-resistant, and SR 20 and Across 8023 as salt-sensitive genotypes. The relative transcriptionof the tonoplast Na+/H+ antiporters (ZmNHX) in shoots and roots was quantified in all genotypesunder two levels of salt stress, 50 mM and 200 mM NaCl. At 200 mM NaCl, the salt-resistant SR03 and SR 05 showed a significant up-regulation of ZmNHX in leaves compared with the saltsensitiveAcross 8023 and SR 20. Relative transcription of ZmNHX in roots was only increasedin SR 20 compared to other genotypes. Furthermore, the activity of Na+/H+ antiporters wasincreased in the salt-treated plants of SR 05 but not in control plants. The salt stress-inducedincrease in transcription of ZmNHX may lead to enhanced tonoplast Na+/H+ antiport activity inleaves of SR 05. Hence, sequestration of Na+ into the leaf vacuoles contributes to salt resistancein these genotypes by protecting the cytoplasm from detrimental effects of Na+.From these results it is concluded that: Based on the growth parameters and the number of necrotic spots, SR 03 and SR 05 areclassified as salt-resistant while Across 8023 and SR 20 are referred to as salt-sensitive.However, there is no relationship between Na+ concentrations in shoot and number ofnecrotic leaves. This means that shoot Na+ concentrations are not suitable to identify saltresistance in the second phase of salt stress. The better growth performance of SR 03 and SR 05 under high salt stress was not relatedto Na+ exclusion from the shoot, but was accompanied by relatively higher Na+translocation and higher Na+ concentrations in the shoot. Lower appearance of toxicity symptoms on the leaves of salt-resistant SR 03 and SR 05together with their improved shoot growth were accompanied by the up-regulationZmNHX. Thus, salt resistance in these maize genotypes correlated positively with therelative transcription of tonoplast Na+/H+ antiporters in leaves under different salinitylevels (50 mM and 200 mM) but not in roots. Tonoplast Na+/ H+ antiporter activity improved Na+ inclusion into leaf vacuoles of saltresistantmaize genotype SR 05, thus preventing toxic effects of Na+ in the cytoplasm,increasing leaf tissue tolerance to salt stress. This indicates that salt-treated plants havesignificantly increased capacity for Na+ sequestration by increasing the activity of Na+/H+antiport. This increased activity of Na+/H+ antiporter only occurred in salt-treated SR 05but not in control plants. Thus, the increased transcription level of NHX together with ahigher activity contributed to salt resistance of SR 05.