Auswirkungen von Natriumchlorid und Natriumnitrat auf die Photosynthese von Gerste (Hordeum vulgare) EINLEITUNG. Alexander Gro e, Handan nlÿ

Transkript

1 Auswirkungen von Natriumchlorid und Natriumnitrat auf die Photosynthese von Gerste (Hordeum vulgare) Alexander Gro e, Handan nlÿ kophysiologie der Pflanzen, WS 1/2 Institut fÿr Pflanzenphysiologie und Mikrobiologie (FU-Berlin) EINLEITUNG Der Salzste, der durch die hohe BodensalinitŠt verursacht wird, ist eines der grš ten Herausforderungen fÿr Pflanzen. Vor allem in der Landwirtschaft stellt die Ertragsbu e durch salzhaltige Bšden ein gro en Problem dar, das aufgrund des begrenzten Wissenstandes Ÿber die individuelle Salztoleranz einer Pflanze noch unlšsbar scheint. Eine hohe Salzkonzentration im Boden der Pflanze kann zu einem osmotischen Wasserentzug fÿhren, so dass die Pflanze gezwungen ist ihre Stomata zu schlie en, um nicht noch mehr Wasser durch Transpiration zu verlieren. Das Schlie en der stomatšren ffnungen verringert zwar den Wasserverlust, fÿhrt aber andererseits dazu, dass die Pflanze einem Kohlendioxidmangel ausgesetzt wird. Die Photosyntheseleistung wird eingeschršnkt, weil nun in den Calvin Zyklus weniger CO2 eingespeist wird. Salz hat also eine Šhnliche Wirkung wie Trockenheit, jedoch kommt hinzu, dass die Pflanze einem erhšhten Ionenstrom ausgesetzt ist, dem sie durch aktiven RŸcktransport dieser Ionen entgegenwirken kann. Eine andere Mšglichkeit der Gegenreaktion ist die Herabsetzung ihres eigenen osmotischen Potentials durch Akkumulation von Ionen im Symplasten (aktive Aufnahme) oder von zelleigenen niedermolekularen Stoffen. Durch die Ionenaufnahme ist aber eine von der Salzkonzentration abhšngige SchŠdigung der Zellmembran und der Proteine mšglich. Gerste gilt als die salzresistenteste Getreideart und wurde deshalb von uns fÿr den Versuch ausgewšhlt. Ziel der Untersuchungen war es den Einflu der beiden Salzformen auf die Photosynthese der Gerste zu untersuchen.

2 MATERIAL & METHODEN Die Gerstepflanzen wurden im GewŠchshaus bei ca. 25 C und einer Beleuchtungszeit von 12 Stunden pro Tag gezogen. Die Pflanzen wurden jeweils einmal morgens gegossen. Wir begannen mit der Behandlung vier Tage nach Keimung der Gerste. Drei Tšpfen mit ca. 3 Gerstepflanzen wurden jeweils 5 ml 1M, 5 ml 1M bzw. den Kontrollpflanzen 5 ml Leitungswasser zugegeben. Das Gie en der unterschiedlichen Proben erfolgte, aus me technischen GrŸnden, zweistÿndig versetzt. Jeweils 24, 48 und 72 Stunden nach der Salzzugabe erfolgte die Messung von zwei BlŠttern des gleichen Topfes, jeweils zweimal an der Blattspitze. Mit Hilfe des PAM Fluorometers wurde im ÒSaturation Pulse ModeÓ mit dem Run 1 automatische Registrierung einer LichtsŠttigungskurve bei den aktinischen IntensitŠten 1-1) Modus gearbeitet. Folgende Werte wurden aufgenommen: PAR = Quantenflu dichte des aktinischen Lichts bzw.lichtintensitšt, gemessen in mol Quanten m-2s-1 Yield (Y)= Quantenausbeute des PSII ETR qn qp Fv/Fm = relative Elektronentransportrate (Y.PAR.C, wobei C ein Faktor ist, der berÿcksichtigt, da nicht alle einfallenden Quanten absorbiert werden, betršgt etwa 42) = nichtphotochemischer Lšschungskoeffizient = photochemischer Lšschungskoeffizient = Ma fÿr die maximale Quantenausbeute von PSII Die BlŠtter wurden vor der Messung 1 Minuten vorverdunkelt. 72 Stunden nach der Behandlung wurden LeitfŠhigkeitsmessungen vorgenommen. Dazu wurden frische BlŠtter der Pflanzen eingewogen, mit einer Schere zerkleinert, in ReagenzglŠser mit 5 ml destilliertem Wasser gefÿllt. Die Proben wurden dann in einem Wasserbad bei 1 C eine Stunde erhitzt. Alle drei Lšsungen wurden in BecherglŠser ŸberfŸhrt und mit Wasser auf 5 ml aufgefÿllt. Schlie lich erfolgt die LeitfŠhigkeitmessung. Das AuffŸllen war notwendig um in einen von dem LeitfŠhigkeitsgerŠt me baren Bereich zukommen. Um vergleichbare Werte fÿr die LeitfŠhigkeiten zu erreichen, war es notwendig jeweils die gleiche Trockenmasse einzuwiegen, deshalb nahmen wir auch eine Trockenmassebestimmung vor. Dazu wurden von den drei Proben BlŠtter eingewogen (ca. 1g) und diese bei 75 C fÿr15 Stunden im Trockenofen getrocknet. Nach dem AbkŸhlen wurde die Trockenmassen bestimmt.

3 ,7,6,5,4,3,2,1 Abb.1.1 Auftragung der Yield-Werte gegen PAR, 24 h nach Versuchsbegin,8,7,6,5,4,3,2,1 PAR in Quanten in umol m s Abb.1.2. Auftragung der Yield-Werte gegen PAR, 48 h nach Versuchsbegin

4 ,8,7,6,5,4,3,2,1 Abb.1.3. Auftragung der Yield-Werte gegen PAR, 72h nach Versuchsbegin Die -BlŠtter zeigen im Vergleich zu den beiden anderen Proben schon nach 24h einen deutlichen RŸckgang der Yield-Werte, der bei den folgenden Messungen nach 48 und 72 h noch deutlicher wird (Abb.1.1, 1.2 und 1.3.). Die Yield-Werte der -BlŠtter liegen erst nach 72 h unter denen der Kontrollpflanze, aber liegen immer noch hšher als die der -Pflanzen (Abb. 1.3) Abb Auftragung der ETR-Werte gegen PAR, 24 h nach Versuchsbegin Abb Auftragung der ETR-Werte gegen PAR, 48 h nach Versuchsbegin

5 Abb Auftragung der ETR-Werte gegen PAR, 72 h nach Versuchsbegin Der Vergleich der Entwicklung der ETR-Werte, die in den Abb dargestellt sind, zeigt, dass nach 24 h die Elektronentransportrate der -Pflanze schon ab 2 PAR fiel niedriger ausfšllt als bei den anderen beiden Proben. WŠhrend die Kontrollpflanze bei 85 PAR einen ETR-Wert von 12 erreicht, liegt der maximale ETR-Wert fÿr die -Pflanze nach 72 h nur bei 2 (Abb. 2.3). Die -Pflanze zeigt nach 72 eine niedrigere Elektronentransportrate als die Kontrollpflanze, erreicht aber noch den Maximalwert von 1 bei gleicher StrahlungsintensitŠt (Abb. 2.3.). 1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 Abb Auftragung der qp-werte gegen PAR, 24 h nach Versuchsbeginn 1,8,6,4,2 Abb.3.2. Aufragung der qp-werte gegen PAR, 48 h nach Versuchsbeginn

6 1,8,6,4,2 Abb Auftragung der qp-werte gegen PAR, 72 h nach Versuchsbeginn Auch hier ist wieder eine Šhnliche Entwicklung, wie schon fÿr die Yield- und ETR-Werte dargestellt, festzustellen (Vergl. Abb und ).,9,8,7,6,5,4,3,2,1 Abb.4.1. Auftragung der qn-werte gegeg PAR, 24 h nach Versuchsbeginn,9,8,7,6,5,4,3,2,1 Abb Auftragung der qn-werte gegeg PAR, 48 h nach Versuchsbeginn

7 ,8,7,6,5,4,3,2,1 Abb Auftragung der qn-werte gegen PAR, 72 h nach Versuchsbeginn Besonders auffšllig ist die Entwicklung der qn-werte fÿr die -Gerste: bei den anfšnglichen StrahlungsintensitŠten liegen diese Werte nach 72 Stunden deutlich Ÿber denen der anderen AnsŠtze, wšhrend die Pflanze Ÿber den ganzen Versuchszeitraum Ÿber einen Šhnlichen Kurvenverlauf aufweist, wie die Kontrollpflanze (Abb ) Fv/Fm,95,85,75,65,55, Zeit in Stunden Abb. 5 Auftragung der Fv/Fm-Werte gegen die Zeit Abb. 5 zeigt, dass bereits nach 24 Stunden die natriumchloridbehandelten GersteblŠtter einen kleineren Fv/Fm-Wert aufweisen im Vergleich zu den beiden anderen AnsŠtzen. In der darauffolgenden Messung nimmt dieser Wert immer mehr ab und erreicht schlie lich nach 72 Stunden nur noch einen Fv/Fm-Wert von ca.,5, wšhrend die Kontrollpflanze relativ konstant in dem Bereich von,77-,8 verbleibt. Auch die BlŠtter zeigen eine Abnahme dieses Wertes an, der sich jedoch viel spšter bemerkbar macht (Abb.5). Tab.1: Frisch- und Trockenmasse der Kontroll-, - und -BlŠtter Probe -behandelt -behandelt Frischmasse [g] 1,2 1, 1,1 Trockenmasse [g],12,22,14

8 Trockenmasseanteil [%] Wie aus Tab. 1 hervorgeht, weisen 72 Stunden nach Versuchsbeginn die Proben einen mehr als doppelt so hohen Trockenmasseanteil auf, als die Kontroll- und -Proben. Tab.2: LeitfŠhigkeiten der Kontroll-, - und -BlŠtter Probe -behandelt -behandelt Frischmasse Einwaage [g]* 1,,45,79 LeitfŠhigkeit [ms/cm],83 1,2,8 *die Einwaage entspricht immer,1 g Trockenmasse WŠhrend die die Kontroll- und -Proben sich nicht viel voneinander unterscheiden, d.h. Šhnliche LeitfŠhigkeitswerte liefern, weisen die Proben eine weitaus grš ere LeitfŠhigkeit auf (Tab. 2). Diskussion Im Verlauf unserer Beobachtungen und Messungen stellten wir innerhalb des Versuchszeitraumes deutliche Unterschiede zwischen den drei AnsŠtzen fest. Aufgrund der Tatsache, dass wir in beiden Proben die gleiche MolaritŠt an Salzen und das gleiche Volumen eingesetzt hatten, hštte die Teilchenzahl bei beiden annšhernd gleich sein mÿssen und damit wšre der gleiche osmotische Effekt (Trockenstre ) zu erwarten gewesen. Somit sind die oben erwšhnten Unterschiede bei den Me werten der Proben auf die verschiedenen Anionen zurÿckzufÿhren. FŸr Yield, ETR, qp und Fv/Fm der -BlŠtter ergeben sich schon nach 24 Stunden viel niedrigere Werte als die, wšhrend qn zwar zunšchst unterhalb, nach 72 h jedoch weit oberhalb der Kontrollpflanzen liegt. Im Prinzip sind die gleichen Aussagen auch fÿr die -BlŠtter zulšssig, jedoch treten Unterschiede zur bei den Messungen nach 72 h auf und sie sind nicht so ausgepršgt, wie bei den -Pflanzen, d.h. die Werte fallen im gleichen Beobachtungszeitraum weit weniger schnell ab. Der Kurvenverlauf fÿr qn ist fast identisch, wie die (Abb. 4.3). Offensichtlich kam die Gerste im beoba hteten Zeitraum besser mit dem Nitrat als mit dem Chlorid zurecht. Dies kšnnte daran liegen, dass die Gerste sich besser gegen die ufnahme von Nitrat wehren konnte als gegen das Chlorid. Das hšchstwahrscheinlich Chlorid aufgenommen wurde und Nitrat nicht oder nur kontrolliert lš t sich aus den Werten der LeitfŠhigkeitsmessung nach 72 Stunden vermuten (Tab.2). Allerdings wurde keine qualititive Chloridbestimmung durchgefÿhrt. Was noch fÿr eine geringe Nitrataufnahme spricht, ist die Beobachtung, da die qn-werte (Natriumnitrat) sich sogar nach 72h (Abb. 4.3.) immer im Bereich der Kontrollwerte befanden. Eine verstšrkte Nitrataufnahme hštte sich mšglicherweise aufgrund der anschlie enden Nitratreduktion und der Entkopplerwirkung des angereicherten Ammoniums in einem Abfall des Protonengradienten wiedergespiegelt.

9 Interessant ist auch die Entwicklung der qn-werte fÿr die natriumchloridbehandelten Pflanzen (Abb ). Ein ErklŠrungsversuch ist eine anfšnglich aktive Ionenaufnahme (ATP- Verbrauch) zur Absenkung des osmotischen Potentials. Die sehr hohen Werte nach 72 Stunden deuten dann allerdings auf einen ATP-Stau bzw. einen sehr geringen ATP-Verbrauch hin, der sich auf den massiven Trockenstre und damit die Drosselung des Calvin Cyklus zurÿckfÿhren lassen kšnnte. FŸr eine starke Trockenstressung der natriumchloridbehandelten Gerste spricht auch der Verlauf der qp-werte (Abb ), welche sich immer weiter von den Werten der entfernen. Diese Ergebnisse lassen einen Elektronenstau vermuten, d. h. die Reoxidation von QA wird verzšgert, da die Gesamtphotosynthese durch den Calvin Zyklus limitiert wird. Tendenziell ist dieses auch bei den Nitratpflanzen erkennbar. Aus ZeitgrŸnden mu ten wir nach 72 h unsere Messungen beenden, allerdings zeigten sich schon bei der letzten Messung, da es auch mit den Nitratpflanzen bergabging (Vergl. Fv/Fm-Werte von und Natriumnitratwerten, Abb. 5). Wir konnten also auch hier von einer SchŠdigung des PSII ausgehen, der aber viel spšter als bei den -Pflanzen zu registrieren war. Bei einem spšteren Blick (nach einer Woche) auf die Pflanzen bestštigte sich die Annahme, dass sich die Pflanzen von der Salzbehandlung nicht erholen konnten, denn die nitrat- und chloridbehandelten Pflanzen waren eingegangen. Zumindest lšsst sich aussagen, da die nitratbehandelten Pflanzen der hohen Salzkonzentration lšnger trotzen konnten, sie aber auch nicht Ÿberlebten. Interessant wšren somit Šhnliche Untersuchungen mit verschiedenen Salzen in Konzentrationsbereichen, die die Gerste noch Ÿberlebt hštte bzw. sich von der Behandlung erholt hštte, um so Unterschiede der Wirkung verschiedener Salze besser und langfristiger beobachten zu kšnnen. Literaturquellen: - Dieter J. von Willert, Rainer Matyssek, Werner Herpich Experimentelle Pflanzenškologie, (1995) - LŸttge, Kluge, Bauer Botanik, 2. Auflage (1995) - Schlegel Allgemeine Mikrobiologie, Thieme-Verlag Stuttgart, NY 7.Auflage (1992) - Voet Biochemie, VHC-Verlag Weinheim, NY, Basel, Cambridge, Tokyo 1.Auflage (1992)