Mechanismen zur Steigerung der Aktivität der H+-ATPase im Plasmalemma von Maiswurzeln

Abstract

Mais ist in der Lage, sich an hohe H+-Aktivitäten im Wurzelmedium durch eine verstärkte Aktivität der Plasmalemma-H+-ATPase anzupassen. Worauf die Veränderungen der H+-ATPase beruhen, stellte den Untersuchungsaspekt der vorliegenden Arbeit dar. In Frage kommen eine veränderte Transkription einer bzw. mehrerer Isoformen, eine veränderte Syntheserate des Enzyms auf der Translationsebene, eine posttranslationale Modifikation oder auch eine veränderte Genexpression von regulatorischen Proteinen. Zur Beantwortung dieser Fragen wurde Mais (Zea mays L. cv. Blizzard) für knapp 3 Wochen unter kontrollierten Bedingungen bei pH 6,0 und pH 3,5 in Hydrokultur herangezogen. Auf die Ernte der Wurzeln folgten RNA- bzw. Proteinextraktionen. Die schrittweise an den niedrigen pH-Wert angepassten Maispflanzen zeigten keine Limitierung ihres Wurzelwachstums im Vergleich zur Kontrolle. Lediglich bezüglich der Wurzelmorphologie konnten Unterschiede festgestellt werden, was als eine Stressantwort an hohe H+-Aktivitäten im Wurzelmedium gewertet wurde. Folgende Aussagen zum Anpassungsmechanismus der H+-ATPase an H+-Stress können gemacht werden:

Eine veränderte Transkription einer oder mehrerer Isoformen der Plasmalemma-H+-ATPase scheint keinen Einfluss auf die Anpassung des Enzyms an niedrige pH-Wert-Bedingungen im umgebenden Wurzelmedium zu haben. Ein unter H+-Stress verstärktes Vorkommen an ATPase-Dimer auf der Proteinebene, inklusive einer Erhöhung des Phosphorylierungsstatus am Threonin, dürfte die Ursache für die Aktivitätssteigerung und die kinetischen Veränderungen der Plasmalemma-H+-ATPase unter sauren Bedingungen darstellen. H+-Stress führte sowohl in der Gesamtprotein- als auch in der Membranproteinfraktion von Maiswurzeln zu einer Veränderung von ca. einem Drittel der Proteine. Dies verdeutlicht einen extremen Einfluss veränderter Umweltbedingungen auf den Gesamtmetabolismus der Pflanze. Neben einer allgemeinen, plastischen Reaktion des Metabolismus auf hohe H+-Aktivitäten im umgebenden Wurzelmedium lässt sich jedoch auch die Beteiligung regulatorisch wirkender Proteine am Anpassungsmechanismus der Plasmalemma-H+-ATPase an H+-Stress vermuten.

Corn (Zea mays L.) is able to acclimate to a high proton activity in the rhizosphere by enhancing the activity of root plasma membrane H+ ATPase. The biochemical background of this acclimation to high H+ activities is still unknown. Several explanations for the change in H+ ATPase activity are conceivable:

a variation in transcription of one or several isoforms of the plasma membrane H+ ATPase, a variation in the synthesis of the enzyme on the translational level, posttranslational modifications, a variation in gene expression of regulatory proteins. To address this question, corn (Zea mays L. cv. Blizzard) was cultivated under controlled conditions at pH 6.0 and pH 3.5 for 3 weeks in hydroponic culture. Plant root material was harvested from which RNA and proteins were extracted. No limitations of root growth were detectable after adaptation of corn to low pH in the rhizosphere in comparison to control plants. However, variations in root morphology could be observed, indicating an influence of H+ stress on the plants. The following statements concerning the adaptation of plasma membrane H+ ATPase to high proton activities in the rhizosphere could be concluded from this work:

A variation in transcription of one or several isoforms of the plasma membrane H+ ATPase does not seem to have any influence on the adaptation of the enzyme to H+ stress. An enhanced appearance of the dimeric form of the ATPase protein, as well as its enhanced phosphorylation of threonine residues seem to explain the variations in activity and kinetic properties of the adapted enzyme in comparison to the control. The obtained 2-D gels of complete cellular protein extracts and membrane protein extracts show a variation in gene expression of several root proteins between stressed and unstressed plants indicating severe changes during the phase of adaptation to H+ toxicity. Nevertheless, besides a general reaction upon high H+ activities in the rhizosphere, the participation of regulatory proteins upon the adaptation of plasmalemma H+ ATPase cannot be excluded.