Funktionelle Aspekte des Kohlenhydratmetabolismus. während der Mykorrhizierung von Tabak (Nicotiana tabacum)

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1 Funktionelle Aspekte des Kohlenhydratmetabolismus während der Mykorrhizierung von Tabak (Nicotiana tabacum) Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät (mathematisch-naturwissenschaftlicher Bereich) der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg von Sara Schaarschmidt geb. am in Berlin Gutachterin/Gutachter: 1. Prof. Dr. Ralf Bernd Klösgen 2. PD Dr. Bettina Hause 3. Prof. Dr. Thomas Schmülling Halle (Saale), urn:nbn:de:gbv: [

2 "Alle Wissenschaft ist nur eine Verfeinerung des Denkens des Alltags." Albert Einstein

3 I PUBLIKATIONSLISTE Teile dieser Arbeit sind in folgende Veröffentlichungen und Tagungsbeiträge eingegangen: VERÖFFENTLICHUNGEN IN FACHZEITSCHRIFTEN Schaarschmidt S., Qu N., Strack D., Sonnewald U. & Hause B. (2004) Local induction of the alc gene switch in transgenic tobacco plants by acetaldehyde. Plant Cell Physiol. 45: Schaarschmidt S., Roitsch T. & Hause B. (2006) Arbuscular mycorrhiza induces gene expression of the apoplastic invertase LIN6 in tomato (Lycopersicon esculentum) roots. J. Exp. Bot. 57: Schaarschmidt S., González M.-C., Roitsch T., Strack D., Sonnewald U. & Hause B. (2006) Regulation of arbuscular mycorrhiza by carbon: the symbiotic interaction cannot be improved by increased carbon availability accomplished by rootspecifically enhanced invertase activity. Plant Physiol. submitted Schaarschmidt S., Kopka J., Ludwig-Müller J. & Hause B. (2006) Regulation of arbuscular mycorrhiza by apoplastic invertases: increased invertase activity in the leaf apoplast affects the symbiotic interaction. Plant Physiol. submitted TAGUNGSBEITRÄGE VORTRÄGE Schaarschmidt S. Effects of modulated carbohydrate levels in tobacco roots on mycorrhization. 1. IPK student conference, Juni 2005, Gatersleben Schaarschmidt S. Functional aspects of carbohydrate metabolism during the mycorrhization of tobacco. IPB Institute Meeting, Sept. 2005, Wittenberg Schaarschmidt S., Roitsch T., Sonnewald U. & Hause B. Apoplastic invertases in arbuscular mycorrhiza. Final Colloquium Priority Program SPP 1084 "Molecular Basics of Mycorrhizal Symbiosis", Okt. 2006, Tutzing TAGUNGSBEITRÄGE POSTER Schaarschmidt S., Tretner C., Strack D. & Hause B. Effects of altered levels of carbohydrates on the establishment of arbuscular mycorrhiza. 11 th International Congress on Molecular Plant-Microbe Interactions, Juli 2003, St.- Petersburg, Russland Schaarschmidt S., Qu N., Sonnewald U. & Hause B. Local induction of the alc gene switch in transgenic tobacco plants by acetaldehyde. Botanikertagung, Sept. 2004, Braunschweig

4 II Schaarschmidt S., Qu N., Sonnewald U. & Hause B. Lokale Induktion des Alkoholinduzierbaren Promotorsystems durch Acetaldehyd. 18. Tagung Molekularbiologie der Pflanzen, März 2005, Dabringhausen Schaarschmidt S., Sonnewald U. & Hause B. Enhanced hexose supply in tobacco roots has no effect on mycorrhization. XVII International Botanical Congress, Juli 2005, Wien, Österreich & Arbuscular Mycorrhizal Research in Austria, 23. Juli 2005, Wien, Österreich Schaarschmidt S., Schliemann W. & Hause B. Die Rolle apoplastischer Invertasen in der arbuskulären Mycorrhiza. 19. Tagung Molekularbiologie der Pflanzen, März 2006, Dabringhausen Schaarschmidt S., Roitsch T., Sonnewald U. & Hause B. Apoplastic invertases in mycorrhizal Solanaceae. 5th International Conference on Mycorrhiza, Juli 2006, Granada, Spanien

5 III DANKSAGUNG Die vorliegende Arbeit wurde am Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie in der Abteilung Sekundärstoffwechsel unter Leitung von HERRN PROF. DR. DIETER STRACK und unter Betreuung von FRAU PD DR. DR. BETTINA HAUSE durchgeführt. HERRN PROF. STRACK danke ich vielmals für die Unterstützung und das Ermöglichen dieser Arbeit durch Bereitstellung des Arbeitsplatzes, seinem Interesse an dieser Arbeit sowie der Anleitung zu selbständigem und eigenverantwortlichem Arbeiten. FRAU PD BETTINA HAUSE möchte ich herzlichst für die Bereitstellung des interessanten und ergiebigen Themas, die ausgezeichnete Betreuung und ständige Unterstützung sowie für das immerwährende Interesse am Fortgang dieser Arbeit danken. Weiterhin danke ich ihr für die gründliche Einarbeitung in die Licht- und Fluoreszenzmikroskopie sowie für die Anleitung zu selbständigem und eigenverantwortlichem Arbeiten und ihre stete Diskussionsbereitschaft. Mein Dank gilt zudem HERRN PROF. DR. RALF BERND KLÖSGEN von der Martin-Luther- Universität Halle-Wittenberg, Institut für Pflanzen- und Zellphysiologie des Instituts für Biologie für die Betreuung der Arbeit von Seiten der Universität. Bei HERRN DR. DR. GERD HAUSE vom Biozentrum der Martin-Luther-Universität bedanke ich mich sehr herzlich für die intensive Einarbeitung in die Transmissionselektronenmikroskopie einschließlich der Hochdruckgefrierung und Kryosubstitution und die Betreuung dieser Arbeiten in den ersten Monaten meiner Promotion. PROF. DR. UWE SONNEWALD von der Universität Erlangen und PROF. DR. THOMAS ROITSCH von der Universität Würzburg danke ich vielmals für die Bereitstellung der verwendeten transgenen Tabakpflanzen und Plasmide sowie für viele gute Vor- und Ratschläge. PROF. DR. JUTTA LUDWIG-MÜLLER von der Technischen Universität Dresden sowie DR. JOACHIM KOPKA und ALEXANDER ERBAN vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie in Golm möchte ich für die Analyse von Phytohormonen und polaren Metaboliten danken. Zudem bedanke ich mich bei allen derzeitigen und ehemaligen MITARBEITERN des Leibniz-Institutes für Pflanzenbiochemie Halle, vor allem der Abteilung Sekundärstoffwechsel und der Arbeitsgruppe "Zellbiologie der Mykorrhiza" für die angenehme Atmosphäre und die gute Zusammenarbeit.

6 IV Dazu gehören u.a. DR. WILLIBALD SCHLIEMANN und BARBARA KOLBE, bei denen ich mich vielmals für die Einarbeitung in die chemisch-analytischen Verfahren der Metabolitenanalyse, die Hilfsbereitschaft und Unterstützung sowie für HERRN DR. SCHLIEMANNs wachsame Augen beim Korrekturlesen meiner Arbeit bedanke; DR. CAROLA TRETNER, der ich für ihre große Ausdauer bei erfolglosen Jasmonatbestimmungen in Tabak und ihre Unterstützung und Hilfsbereitschaft danken möchte; DR. JOACHIM HANS, dem ich für seine Unterstützung und die kleine Einführung in die Molekularbiologie danke; DR. THOMAS FESTER, bei dem ich mich v.a. für die vielen kreativen Ideen und interessanten Diskussionen bedanken möchte, sowie CHRISTINE KAUFMANN, der ich herzlich für die schöne Zeichnung einer Tabakpflanze und die riesengroße Hilfe beim Drucken der Arbeit danke. Mein besonderer Dank gilt zudem meiner FAMILIE und allen meinen FREUNDEN, die ich nicht nur in der letzten Zeit schmählich vernachlässigt habe und die sich dennoch an mich erinnern. VOSSI danke ich von ganzem Herzen für seine ständige Unterstützung in allen Lebenslagen, für seine Zuversicht und Nachsicht und für sein Verständnis. Weiterhin möchte ich mich bei allen Personen bedanken, die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben und hier keine namentliche Erwähnung fanden.

7 V INHALTSVERZEICHNIS I. EINLEITUNG 1 I. 1 Mutualistische Pflanze-Mikroorganismus-Interaktionen...1 I. 2 Die arbuskuläre Mykorrhiza (AM)...1 I. 3 Die Etablierung der AM und der Lebenszyklus des Pilzes...2 I. 4 Regulationsmechanismen in der AM...5 I. 5 Der Arbuskel und der Nährstoffaustausch in der AM...6 I. 6 C-Metabolismus der AM-Pilze...7 I. 7 Pflanzliche Invertasen und ihre Bedeutung in der AM...9 I. 8 Zielstellung der Arbeit...12 II. ZUSAMMENFASSENDE DISKUSSION DER ERGEBNISSE 13 II. 1 Die wurzelspezifische Erhöhung von Invertaseaktivitäten und Hexosegehalten und ihre Wirkung auf die AM...13 II. 2 Bedeutung pflanzlicher Invertasen für die Kohlenhydratversorgung in der Mykorrhizierung von Wildtyp-Pflanzen...16 II. 3 Die wurzelspezifische Reduktion von Invertaseaktivitäten und Hexosegehalten und ihre Wirkung auf die AM...18 II. 4 Die Erhöhung apoplastischer Invertaseaktivität in den Blättern und ihre Wirkung auf die AM...20 II. 5 Schlussfolgerungen...23 III. ZUSAMMENFASSUNG 25 IV. LITERATURVERZEICHNIS 28