Vorlesung Zellbiologie Physiologie und Genetik SoSe Pflanzenernährung I. Prof. Dr. Iris Finkemeier

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1 Vorlesung Zellbiologie Physiologie und Genetik SoSe 2016 Pflanzenernährung I Prof. Dr. Iris Finkemeier Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen Pflanzenernährung I Essentielle Elemente und ihre Funktionen Nährstoffmangel Nährstoffaufnahme und Verteilung Stickstoff: häufigstes Mineralelement Stickstofffixierung durch Bakterien Stickstoffassimilation Stickstoffperzeption und Regulation 1

2 Der Erdboden, und nicht das Wasser, liefert das Material aus dem das Gemüse besteht J. Woodward verglich das Wachstum von Pflanzen in Wasser aus verschiedenen Quellen. Quelle Regen wasser Themse Gewichtszuwachs: 55% 62% 93% Some thoughts and experiments concerning vegetation (1699) Woodward folgerte, dass der Mineralanteil im Wasser die Pflanzen ernährt. Durch seine Beobachtungen legte er den Grundstein für die Erforschung der Pflanzenernährung Woodward, J. (1699). Some thoughts and experiments concerning vegetation.philosophicaltransactions of the Royal Society, 21, Das Gesetz des Minimums Carl Sprengel Das Wachstum von Pflanzen wird durch die knappeste Ressource bestimmt. Justus von Liebig ( ) Liebig s Tonne: Eine Tonne mit unterschiedlich langen Dauben lässt sich nur bis zur Höhe der kürzesten Daube füllen. Genauso kann ein Organismus sich nur so weit entwickeln, wie es die knappste Ressource erlaubt. 4 2

3 Pflanzen assimilieren Mineralstoffe aus ihrer Umgebung Die Nährstoffaufnahme kann durch die Oberfläche oder, bei vaskulären Pflanzen, über die Wurzel erfolgen. K K K PO 4 3 PO 4 3 PO 4 3 K K PO 4 3 K PO 4 3 PO 4 3 K K Pflanzen können auch organische Moleküle aufnehmen und verwerten Karnivore Pflanzen erhalten ihre Nährstoffe über den Verdau von gefangenen Insekten und Tieren Nichtkarnivore Pflanzen können auch Proteine und Mikroben für die Nährstoffaufnahme verwerten. Dieser Prozess ist aber ineffizient. Schmidt, S., Raven, J.A. and PaungfooLonhienne, C. (2013). The mixotrophic nature of photosynthetic plants. Funct. Plant Biol. 40: by permission of CSIRO Publishing; Adlassnig, W., KollerPeroutka, M., Bauer, S., Koshkin, E., Lendl, T. and Lichtscheidl, I.K. (2012). Endocytotic uptake of nutrients in carnivorous plants. Plant J. 71: Hill, P.W., Marsden, K.A. and Jones, D.L. (2013). How significant to plant N nutrition is the direct consumption of soil microbes by roots? New Phytol. 199:

4 Wie erkennt man essentielle (lebensnotwendige) Mineralstoffe? E. Epstein (1972) hat zwei Kriterien definiert, die festlegen, ob eine Element essentiell für eine Pflanze ist: Das Element ist nötig um den Lebenszyklus der Pflanze abzuschließen (Samen zu produzieren). Das Element ist ein Teil eines essentiellen Moleküls der Pflanze

5 Die essentiellen Mineralnährstoffe von Pflanzen Elemente aus Luft und Boden: Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O) 16 essentielle Mineralstoffe: Makronährstoffe (aus dem Boden): Primär: Stickstoff (N), Phosphor (P), Kalium (K) Sekundär: Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Schwefel (S) Mikronährstoffe / Spurenelemente: Chlor (Cl), Eisen (Fe), Mangan (Mn), Natrium (Na), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Molybdän (Mo), Bor (B) 9 6 essentielle Makronährstoffe (N, P, K, S, Mg and Ca) 5

6 10 essentielle Mikronährstoffe (Cl, Fe, Mn, Na, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, B) 12 6

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8 Pflanzen nehmen Mineralstoffe als Kationen oder Anionen auf MAKRONÄHRSTOFFE Element μmol / g (trocken) 250 Kalium (K) K Assimilierte Form 1000 Stickstoff (N), NH 4 60 Phosphor (P) HPO 2 4, H 2 PO 4 30 Schwefel (S) SO Magnesium (Mg) Mg Calcium (Ca) Ca 2 Für die geladenen Ionen werden Transportproteine in den Zellmembranen benötigt. MIKRONÄHRSTOFFE Element μmol / g (dry wt) Assimilated form 2 Eisen (Fe) Fe 3, Fe Nickel (Ni) Ni 1 Mangan(Mn) Mn Kupfer (Cu) Cu Molybdän (Mo) MoO Bor(B) H 3 BO 3 3 Chlor(Cl) Cl 0.3 Zink (Zn) Zn 2 See Taiz, L. and Zeiger, E. (2010) Plant Physiology. Sinauer Associates; Marschner, P. (2012) Mineral Nutrition of Higher Plants. Academic Press, London Hoagland s Nährlösung für Hydrokulturen Modifizierte Hoagland s Lösung (Hoagland und Arnon (1938)) Makroelemente 6mMK 2.8 mm Ca( ) 2 *4H 2 O 2mMMgSO 4 *7H 2 O 1mM(NH 4 )H 2 PO (x) 4 Mikroelemente 11.9 µm Fe 2 (C 4 H 4 O 6 ) µm H 3 BO µm MnSO 4 *H 2 O 0.2 µm ZnSO 4 *7H 2 O µm CuSO 4 *5H 2 O µm (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 *4H 2 O Element Endkonzentration des Elements im Medium [µm] N 12,600 K 6,000 Ca 2,800 Mg 2,000 S 2,002 P 1,000 Fe 23.8 B 23 Mn 1.25 Zn 0.2 Cu Mo

9 Wurzel Querschnitt Gefäßpflanzen nehmen Nährstoffe hauptsächlich über die Wurzel auf Wurzelhaare vergrößern dabei die Oberfläche, ähnlich wie die Microvilli im Darmepithel von Tieren Darmepithel Querschnitt Membrantransporter ermöglichen die Nährstoffaufnahme in das Cytoplasma der Zelle Barberon, M. and Geldner, N. (2014). Radial transport of nutrients: the plant root as a polarized epithelium. Plant Physiol. 166: Pflanzenernährung I Essentielle Elemente und ihre Funktionen Nährstoffmangel Nährstoffaufnahme und Verteilung Stickstoff: häufigstes Mineralelement Stickstofffixierung durch Bakterien Stickstoffassimilation Stickstoffperzeption und Regulation 9

10 phwert des Bodens wirkt sich auf die Nährstoffverfügbarkeit aus: Saure und basische Böden Stark sauer Schwach basisch Atlas of the biosphere, University of Wisconsin; FMoeckel 20 10

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12 Nährstoffverfügbarkeit und Wachstum Hermans, C., Hammond, J.P., White, P.J., and Verbruggen, N. (2006). How do plants respond to nutrient shortage by biomass allocation? Trends Plant Sci 11, Wurzelmechanismen zur Erhöhung der Nährstoffaufnahme Biochemische Reaktionen Wurzelexudate Wurzelentwicklung Proteoidwurzeln / Cluster Roots Symbiotische Partnerpilze Mykorrhiza Prokaryotische symbiotische Partner Stickstofffixierende Bakterien Schmidt, S., Raven, J.A. and PaungfooLonhienne, C. (2013). The mixotrophic nature of photosynthetic plants. Funct. Plant Biol. 40: by permission of CSIRO publishing. 12

13 Pflanzenernährung I Essentielle Elemente und ihre Funktionen Nährstoffmangel Nährstoffaufnahme und Verteilung Stickstoff: häufigstes Mineralelement Stickstofffixierung durch Bakterien Stickstoffassimilation Stickstoffperzeption und Regulation Nährstoffaufnahme, Assimilation und Verwertung involvieren viele Prozesse Effizienz der Nährstoffaufnahme Effizienz der Nährstoffverwertung P Symbiosen Wurzelexudate P NH 3 Architektur des Wurzelsystems Transporter und Pumpen X RX Interzelluläre Transporteffizienz Assimilationsund Remobilisationseffizienz Regulatorische Kontrollnetzwerke N N Bodenbakterien 13

14 Nährstoffe können dem Boden durch Düngung wieder zugeführt werden Kg/ha Pflanzen entnehmen die Nährstoffe aus dem Boden Nährstoffbedarf Mais Soya Weizen Baumwolle Reis S Mg K Natürliche Dünger und spezielle Düngesalze P N Die meisten Dünger enthalten Stickstoff (N), Phosphat (P) und Kalium (K). Source: USGS Globales Vorkommen von Mineralnährstoffen: ungleiche Verteilung Versorgung > Bedarf Bedarf < Versorgung N P 2 O 5 K 2 O FAO (2011) Current world fertilizer trends and outlook to

15 Der weltweite Handel mit Düngern ist ein Milliardengeschäft Ammonium Harnstoff Kalium Diammonium phosphat Monoammonium phosphat Phosphat Gestein Schwefel Schwefel säure IFIA Wieviel Dünger braucht die Pflanze? Pflanzenspezies: verschiedene Pflanzen haben verschiedene Ansprüche Bodeneigenschaft en: Partikelgröße, ph, Mikroben etc. Abiotische und biotische Faktoren: Temperatur, Regen, Stress und Krankheiten Entwicklungszustand der Pflanze Vorhandene Nährstoffe: Es gibt positive und negative Interaktionen zwischen Nährstoffen Photo by Michael Russelle. 15

16 Dünger können Umwelt und Gesundheitsprobleme auslösen Stickstofffixierung (Haber Bosch) ist energieaufwändig Organischer Abfall kann Krankheiten verbreiten N N O Transport benötigt Energie Distickstoffoxid (N 2 O) aus Düngern ist ein Treibhausgas Phosphat und Kaliumabbau ist destruktiv Pflanzen brauchen Nährstoffe, aber der Einsatz von Düngern ist oft nicht optimal. Eutrophierung von Gewässern Image source: Lamiot; Alexandra Pugachevsky Zusammenfassung: Überblick Mineralstoffernährung Pflanzen bekommen C, H und O aus Wasser und CO 2 Pflanzen bekommen den Rest der essentiellen Elemente (16) aus Mineralnährstoffen Mineralnährstoffe kommen als Ionen gelöst im Boden vor Mineralnährstoffe werden von Pflanzenwurzeln über spezielle Transortproteine aufgenommen Die Nährstoffe im Boden müssen über Dünger ersetzt werden 16

17 Pflanzenernährung I Essentielle Elemente und ihre Funktionen Nährstoffmangel Nährstoffaufnahme und Verteilung Stickstoff: häufigstes Mineralelement Stickstofffixierung durch Bakterien Stickstoffassimilation Stickstoffperzeption und Regulation Stickstoff: Das häufigste Mineralelement in Pflanzen N ist das häufigste Element in der Atmosphäre N ist das vierthäufigste Element in der Pflanze (nach C, H und O) N ist oft der limitierende Nährstoff von Pflanzen N findet man in Aminosäuren (Proteinen), Nukleinsäuren (DNA, RNA), Chlorophyll, und vielen anderen kleinen Molekülen Blank, L.M. (2012). The cell and P: From cellular function to biotechnological application. Curr. Opin. Biotech. 23: From: Buchanan, B.B., Gruissem, W. and Jones, R.L. (2000) Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists. 17

18 Stickstoff findet man in verschiedenen anorganischen Molekülen Molekül Name Oxidationsstufe R NH 2 Organischer Stickstoff, 3 Harnstoff NH 3, NH 4 Ammoniak, 3 Ammonium Ion N 2 Molekularer Stickstoff 0 N 2 O Distickstoffmonoxid 1 NO Stickstoffmonoxid 2 HNO 2, NO 2 Salpetrige Säure, 3 Nitrit Ion NO 2 Stickstoffdioxid 4 H, NO 3 Salpetersäure, Nitrat Ion 5 NO 3 Nitrat Reduktion NO 2 NO 2 Nitrification NO N 2 O Aerobische Reaktionen Anaerobische Reaktionen N 2 NH 3 Stickstofffixierung Adapted from Robertson, G.P. and Vitousek, P.M. (2009). Nitrogen in agriculture: Balancing the cost of an essential resource. Annu. Rev. Environ. Res. 34:

19 Stickstoffmangel Symptome Moderater Stickstoffmangel inhibiert Sproßwachstum und fördert Wurzelwachstum. (MARSCHNER 1995) Optimal Partitioning Theory : Förderung der Organe die Nährstoffe aufnehmen 37 Stickstoffmangel Symptome Baumeister & Ernst 1978 Milder Stickstoffmangel: Remobilisation von Stickstoff in junge Blätter N N N Starker Stickstoffmangel: gehemmtes Wachstum 38 19

20 Globaler Stickstoffkreislauf Atmosphärischer N 2 Biologische Fixierung Industrielle Fixierung (HaberBosch) Atmosphärische Fixierung 5 Tg N / NO Jahr 3 Biologische Fixierung (Ozean) NH Tg N / Jahr (50% landwirtschaftlich) NH Tg N / Jahr Dünger RNH 2 NH 4 Zersetzung Assimilation durch Pflanzen NO 2 Nitrifikation durch nitrifizierende Bakterien Denitrifikation durch denitrifizierende Bakterien 140 Tg N / Jahr Adapted from Fowler, D., et al. (2013). The global nitrogen cycle in the twentyfirst century. Phil. Trans. Roy. Soc. B: 368: Pflanzenphysiologie untersucht die Mechanismen wie Pflanzen die Stickstoffaufnahme und Verwendung optimieren Wie wird anorganischer Stickstoff in organische Moleküle assimiliert? Wie wird Stickstoff in die Pflanze aufgenommen? Wie können Pflanzen den internen und externen Stickstoffstatus warnehmen? Wie reagieren Pflanzen auf Stickstoffmangel? Wie können Pflanzen Stickstoff remobilisieren? 20

21 Stickstoff kann in der Form von Ammonium in organische Moleküle assimiliert werden. 3 Wege führen zu Ammonium: 1. Desaminierung: Mikroorganismen nutzen organischen Stickstoff als CQuelle und setzten Ammonium frei. 2. Stickstoffixierung: Distickstoff (Gas) wird zu Ammonium reduziert. Exklusiv prokaryotischer Stoffwechselweg! 3. Nitrataufnahme und Reduktion zu Ammonium für anschließende Assimilation in organische Verbindungen (Mikroorganismen Pflanzen). Pflanzenernährung I Essentielle Elemente und ihre Funktionen Nährstoffmangel Nährstoffaufnahme und Verteilung Stickstoff: häufigstes Mineralelement Stickstofffixierung durch Bakterien Stickstoffassimilation Stickstoffperzeption und Regulation 21

22 2 N 2 3 H 2 2 NH 3 N 2 fixierende Symbiosen zwischen Eubakterien und höheren Pflanzen frei lebende N 2 fixierenende Bakterien, z. B. Azotobacter und Clostridium assoziative N 2 fixierende Bakterien endosymbiotisch in den Pflanzenwurzeln lebende N 2 fixierende Bakterien können nur im Verbund mit einem Symbiosepartner N 2 fixieren Effektivität von endosymbiotischer N 2 Bindung ist ca. 10 fach höher als die der frei lebenden N 2 Fixierer. Lüttge, U. / Kluge, M. / Thiel, G. Botanik: Die umfassende Biologie der Pflanzen 22

23 Stickstoffixierung durch die Nitrogenase: N 2 8H 8e 16ATP 2NH 3 H 2 16ADP 16P i Die Nitrogenase ist ein Sauerstoff sensitives, prokaryotisches Enzym bestehend aus: Dinitrogenase MoFeProtein reduziert N 2 Dinitrogenase reduktase Fe Protein reduziertmofeüber Ferredoxin und hydrosiliertatp N 2 fixierende Symbiosen: Wurzelknöllchen 23

24 N 2 fixierende Symbiosen: Wurzelknöllchen N 2 fixierende Symbiosen: Wurzelknöllchen 24

25 N 2 fixierende Symbiosen: Wurzelknöllchen 25

26 N 2 fixierende Symbiosen: Wurzelknöllchen Übersicht Pflanzenernährung I Essentielle Elemente und ihre Funktionen Nährstoffmangel Nährstoffaufnahme und Verteilung Stickstoff: häufigstes Mineralelement Stickstofffixierung durch Bakterien Stickstoffassimilation Stickstoffperzeption und Regulation 26

27 NH 4 Stickstoffmetabolismus: Aufnahme, Assimilation und Remobilisation Aufnahme Nitrat Reduktase RNH 2 NH 4 Remobilisation Aminosäure Recycling, Photorespiration Nitrit Reduktase NO 2 Assimilation NH 4 Glutamin Synthetase (GS) Glutamat Assimilation Glutamin Zitratzyklus Glutamin2 Oxoglutarat Aminotransferase (GOGAT) Glutamat 2Oxoglutarat Andere Aminosäuren und stickstoffhaltige Biomoleküle N 2 Adapted from Xu, G., Fan, X. and Miller, A.J. (2012). Plant nitrogen assimilation and use efficiency. Annu. Rev. Plant Biol. 63: Die meisten Pflanzen nehmen Stickstoff in Form von Nitrat auf Viele Prokaryoten oxidieren NH 4, so dass wenig NH 4 im Boden vorkommt NH 4 Energie frei NO 2 Nitrifikation Energie frei Pflanzen benötigen Energie um in organische Moleküle zu assimilieren Energie verbraucht Nitrat Reduktase Energie verbraucht NO 2 NH 4 Nitrit Reduktase RNH 3 Ob Pflanzen bevorzugt NH 4 oder aufnehmen, variiert je nach Spezies, Temperatur, Wasser, Boden ph etc. See Li, B., Li, G., Kronzucker, H.J., Baluška, F. and Shi, W. (2014). Ammonium stress in Arabidopsis: signaling, genetic loci, and physiological targets. Trends Plant Sci. 19: ; Britto, D.T. and Kronzucker, H.J. (2013). Ecological significance and complexity of Nsource preference in plants. Ann. Bot. 112:

28 Pflanzen haben spezifische Transporter für, NH 4 und andere NFormen HATS = high affinity transporters LATS = low affinity transporters Nacry, P., Bouguyon, E. and Gojon, A. (2013). Nitrogen acquisition by roots: physiological and developmental mechanisms ensuring plant adaptation to a fluctuating resource. Plant Soil. 370: 129, With kind permission from Springer Science and Business Media Identifizierung des HauptNitrattransporters: CHL1/ NRT1.1/ NPF6.3 Der erste Nitrat Transporter wurde in einem genetischen Screen auf Chlorat Resistenz identifiziert Chlorat (ClO 3 ) ähnelt Nitrat ( ) Nitrate Reduktase Chlorit ClO Wildtyp Nitrat Reduktase Mutante Chlorat Aufnahme Mutante (chl15) 1993 wurde das CHL1 Gen kloniert und als Nitrat Transporter identifiziert Wachstum auf Chlorat Nitrate Reduktase Aktivität Membranpotential in Xenopus Oocyten OostindiërBraaksma, F.J. and Feenstra, W.J. (1973). Isolation and characterization of chlorateresistant mutants of Arabidopsis thaliana. Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis. 19: ; Reprinted from Tsay, Y.F., Schroeder, J.I., Feldmann, K.A. and Crawford, N.M. (1993). The herbicide sensitivity gene CHL1 of arabidopsis encodes a nitrateinducible nitrate transporter. Cell. 72: with permission from Elsevier. 28

29 Andere Nitrattransporter für Intrabzw Interzellulären Transport Spezifische Transporter ermöglichen Nitrattransport in oder aus der Zelle bzw. in oder aus der Vakuole Reprinted from Wang, Y.Y., Hsu, P.K. and Tsay, Y.F. (2012). Uptake, allocation and signaling of nitrate. Trends Plant Sci. 17: with permission from Elsevier; Tegeder, M. (2014). Transporters involved in source to sink partitioning of amino acids and ureides: opportunities for crop improvement. J. Exp. Bot. 65: by permission of Oxford University Press. Primäre NAssimilation: wird erst zu NH 4 reduziert bevor es assimiliert werden kann Aufnahme Glutamat NH 4 Nitrat Reduktase Nitrit Reduktase NO 2 NH 4 Glutamin Synthetase (GS) Assimilation zu Glutamin Glutamin Andere N Verbindungen RNH 3 29

30 Nitratassimilation Die meisten Pflanzen Leguminosen Nitratassimilation kann in Wurzel und Sproß stattfinden Nitrat wird über das Xylem von Wurel zu Sproß transportiert Nach der Assimilation können Aminosäuren zwischen Wurzel und Sproß transportiert werden Reduktion von Nitrat zu Ammonium (in Blättern und Wurzeln) Umwandlung verbraucht 8 Elektronen in Form von Reduktionsäquivalenten Dies entspricht ungefähr 25% der totalen Energieausgaben einer Pflanze 30

31 Nitrat Reduktase NADH NAD NO 2 Nitrat Reduktase reduziert Nitrat zu Nitrit NADH fungiert als Eleketronendonor NADH Die Elektronen werden von NADH auf FAD auf Häm und über den MolybdänKofaktor (Moco) auf übertragen NR besteht aus zwei identische Untereinheiten Drei Kofaktoren (FAD, Häm und MoCofaktor) Transport von 2e durch die Redoxzentren und Transfer auf Nitrat Verbrauch von 1 Reduktionsäquivalent pro Molekül Lambeck, I.C., FischerSchrader, K., Niks, D., Roeper, J., Chi, J.C., Hille, R. and Schwarz, G. (2012). Molecular mechanism of 1433 proteinmediated inhibition of plant nitrate reductase. J. Biol. Chem. 287: Regulation der Nitrat Reduktase Aktivität 1. Transkription 2. Posttranslational Nitrat (mm) 31

32 Assimilation von Ammonium in Aminosäuren Lüttge, U. / Kluge, M. / Thiel, G. Botanik: Die umfassende Biologie der Pflanzen 32

33 Nitritreduktase = NiR (in Plastiden) Kosten pro NO 2 Reduktion = 6 Reduktionsäquivalente (Ferredoxin reduziert) NTerminale Fdxbinde Domäne oxidiert Ferredoxin (Fdx) und je 1e wird auf die Redoxzentren 4Fe4S und Siroheme übertragen Nitrit ist hochreaktiv und toxisch für die Pflanze. NiR wird im Überschuß produziert um die sofortige Reduktion von Nitrit zu Ammonium sicherzustellen. Assimilation von Ammonium in Aminosäuren Glutamin synthetase (GS) Glutamin2 Oxoglutarat Aminotransferase (GOGAT) Lüttge, U. / Kluge, M. / Thiel, G. Botanik: Die umfassende Biologie der Pflanzen 33

34 Aus Aminosäuren werden weitere wichtige pflanzliche Inhaltsstoffe hergestellt Pflanzen sind in der Lage alle 20 AS eigenständig zu synthetisieren! 67 Menschen und die meisten Tiere müssen ca. 10 essentielle AS über die Nahrung aufnehmen Stickstoffrecycling in der Pflanze Remobilisierung von organischem Stickstoff in seneszenten Blättern durch Degradation von Proteinen zu Aminosäuren und in der Photorespiration Verteilung in der Pflanze (vor allem Samen und Fruchtkörper) assimilation remobilization remobilization assimilation uptake Avice, J.C. and Etienne, P. (2014). Leaf senescence and nitrogen remobilization efficiency in oilseed rape (Brassica napus L.). J. Exp. Bot. 65: by permission of Oxford University Press. 34

35 NH 4 Zusammenfassung: Stickstoffaufnahme und Assimilation Aufnahme Nitrate reduktase Remobilisierung Aminosäuren Recycling, Photorespiration Nitrite reduktase NO 2 NH 4 Glutamin synthetase (GS) Glutamat Assimilation Glutamin Glutamin2 oxoglutarate aminotransferase (GOGAT) Glutamate Zitratzyklus 2oxoglutarate Andere N Verbindungen RNH 2 NH 4 Assimilation N 2 Adapted from Xu, G., Fan, X. and Miller, A.J. (2012). Plant nitrogen assimilation and use efficiency. Annu. Rev. Plant Biol. 63: Pflanzenernährung I Essentielle Elemente und ihre Funktionen Nährstoffmangel Nährstoffaufnahme und Verteilung Stickstoff: häufigstes Mineralelement Stickstofffixierung durch Bakterien Stickstoffassimilation Stickstoffperzeption und Regulation 35

36 Regulation: Stickstoffperzeption, Signaltransduktion und Antwort auf Mangel Stickstoffmangel Erhöhte Aufnahme Aktivierung einiger und NH 4 Transporter Verstärktes Wurzelwachstum Metabolische Anpassung an Stickstoffmangel Verringerte Synthese Nhaltiger Chlorophylle Verstärkte Synthese Nfreier Anthocyane Kleinere Pools Nhaltiger Verbindungen (z.b. Aminosäuren) Größere Pools Nfreier Verbindungen (z.b. organische Säuren) Verstärkte Seneszenz und NRecycling See for example Scheible, W.R., et al and Stitt, M. (2004). Genomewide reprogramming of primary and secondary metabolism, protein synthesis, cellular growth processes, and the regulatory infrastructure of Arabidopsis in response to nitrogen. Plant Physiol. 136: ; Krapp, A. et al and DanielVedele, F. (2011). Arabidopsis roots and shoots show distinct temporal adaptation patterns toward nitrogen starvation. Plant Physiol. 157: Schlüter, U., et al. and Sonnewald, U. (2012). Maize source leaf adaptation to nitrogen deficiency affects not only nitrogen and carbon metabolism but also control of phosphate homeostasis. Plant Physiol. 160: Amiour, N. et al and Hirel, B. (2012). The use of metabolomics integrated with transcriptomic and proteomic studies for identifying key steps involved in the control of nitrogen metabolism in crops such as maize. J. Exp. Bot. 63: Balazadeh, S., et al. and MuellerRoeber, B. (2014). Reversal of senescence by N resupply to Nstarved Arabidopsis thaliana: transcriptomic and metabolomic consequences. J. Exp. Bot. 63:

37 Nitrattransporter werden durch Nitratgabe induziert Transkriptinduktion data from Wang et al., Plant Physiol 132, foldinduction by nitrate NRT1.1 NRt1.2 NRT1.3 NRT1.4 NRT2.1 NRT2.2 NRT2.3 NRT2.4 NRT2.5 NRT2.6 NRT2.7 Nitrate transporter gene Nitratgabe reguliert mehrere tausende Genprodukte. Ist es Nitrat selbst oder welches N Metabolit induziert das? HAT LAT NH 4 AMT1 NO 2 NH 4 NH 4 AMT2 NH 4 NH 4 Gln/ Glu Akkumulation von Aminosäuren repremiert Transkripte der Ammoniumtransporter 73 Antwort auf kann von N Metaboliten unterschieden werden NR Mutanten können nicht auf wachsen X Nitrat Reduktase (NR) NO 2 NH 4 RNH 3 Nitrat Reduktase Mutanten ermöglichen Antwort zu untersuchen 10% des Genoms antwortet auf Nitrat, aber nur einige Transkripte sind tatsächlich Nitratspezifisch Rot: Nitrat Spezifische Gene Transkriptantwort auf Nitrat ( NMetabolite) Wang, R., Tischner, R., Gutiérrez, R.A., Hoffman, M., Xing, X., Chen, M., Coruzzi, G., Crawford, N.M. (2004). Genomic analysis of the nitrate response using a nitrate reductasenull mutant of Arabidopsis. Plant Physiol. 136: ; Canales, J., Moyano, T.C., Villarroel, E. and Gutiérrez, R.A. (2014). Systems analysis of transcriptome data provides new hypotheses about Arabidopsis root response to nitrate treatments. Front. Plant Sci. 5:

38 Nitrat Reduktasedefiziente Mutante Nia 30 aus Tabak Northern blot Nia 30 hat geringe Nitrat Reduktase Aktivität Transkripte der Nitratassilimlation sind erhöht 75 Scheible et al (1997) Plant Cell 9, Wo sitzt der Nitratsensor? Hier? PLASTID SPROSS Nitrate reductase Gln NH 4 NO 2 NO 2 GSGOGAT Nitrite reductase Hier? PLASTID WURZEL Hier? Nitrate reductase Gln NH 4 NO 2 NO 2 GSGOGAT Nitrite reductase 76 38

39 Wurzelwachstum passt sich der NVerfügbarkeit an Bei hoher NVerfügbarkeit produzieren Pflanzen weniger Wurzelmassen Wenn N ungleichmäßig verteilt ist, proliferieren Wurzeln in Nreiche Areale Wie wird das reguliert? Reprinted by permission from Wiley from Drew, M.C. (1975). Comparison of the effects of a localised supply of phosphate, nitrate and ammonium and potassium on the growth of the seminal root system, and the shoot, in barley. New Phytol. 75: Reprinted from Bouguyon, E., Gojon, A. and Nacry, P. (2012). Nitrate sensing and signaling in plants. Sem. Cell Devel. Biol. 23: , with permission from Elsevier. See also Gersani, M. and Sachs, T. (1992). Development correlations between roots in heterogeneous environments. Plant Cell Environ. 15: Der Nitrattransporter NRT1.1 ist ein Nitratsensor Wild type NRT1.1 mutant Arabidopsis NRT1.1 ist ein dual affinity Nitrattransporter (HAT & LAT) Die Mutation von NRT1.1 führt zu einer verminderten Entwicklung von lateralen Wurzeln bei Nitratgabe Die Mutation beeinflußt nicht die Nitrataufnahme der Pflanze Remans et al (2006) PNAS 103, Low High 78 Low High 39

40 Modell für den Nitratsensor: konkurriert mit Auxin Transport Bei niedrigem Gehalt transportiert NRT1.1 Auxin von der Wurzelspitze und das Wachstum wird unterdrückt Bei hohem Gehalt wird der Auxintransport durch NRT1.1 unterdrückt und Wurzelwachstum gefördert NRT1.1 Auxin NRT1.1 Auxin Beeckman, T. and Friml, J. (2010). Nitrate contra auxin: Nutrient sensing by roots. Devel. Cell. 18: with permission from Elsevier. See also Krouk, G., et al and Gojon, A. (2010). Nitrateregulated auxin transport by NRT1.1 defines a mechanism for nutrient sensing in plants. Devel. Cell. 18: ; Mounier, E., et al and Nacry, P. (2014). Auxinmediated nitrate signalling by NRT1.1 participates in the adaptive response of Arabidopsis root architecture to the spatial heterogeneity of nitrate availability. Plant Cell Environ. 37: ; Forde, B.G. (2014). Nitrogen signalling pathways shaping root system architecture: an update. Curr. Opin. Plant Biol. 21: Zusammenfassung: Stickstoffperzeption Wurzelwachstum passt sich der NVerfügbarkeit an NMangel löst ein systemisches Signal aus Nitrat wird von der Pflanze wahrgenommen und reguliert die Transkription Der Nitrattransporter NRT1.1 reguliert Wurzelwachstum über konkurrierenden Auxintransport Offene Fragen: Wie können Pflanzen verschiedene Nährstoffe wahrnehmen und welche Hierachien gibt es in der Signaltransdukton? 40