Veränderungen im stomatären Kaliumgehalt bei Änderungen von Luftfeuchte und Umgebungstemperatur

Der Kaliumgehalt der Schließzellen von Valerianella locusta wird bei Stomataschluß stark reduziert; er erhöht sich bei Spaltenöffnung. Dies gilt nicht nur für Stomatabewegungen, die durch Hell-Dunkel-Wechsel ausgelöst werden, sondern auch für stomatäre Reaktionen auf Temperatur- und Luftfeuchteänderungen. Höhere Temperaturen bedingen größere Porusweiten und höhere K -Gehalte in den Schließzellen. Zwischen 48 C und 50 C zeigen immer mehr Stomataapparate Lethalerscheinungen und sind geschlossen; in solchen toten Schließzellenpaaren ist kein Kalium mehr nachweisbar. Im gesamten physiologisch-relevanten Temperaturbereich besteht zwischen dem Öffnungsgrad der Stornata und ihrem K-Gehalt stets ein lineares Verhältnis. Im Unterschied zu den gleichzeitigen Veränderungen von Spaltöffnungsweite und K -Gehalt der Schließzellen bei Stomatabewegungen, die durch Licht- oder Temperaturänderungen bewirkt werden, erfolgen Änderungen der Porusweite in Antwort auf erniedrigte oder erhöhte Luftfeuchte zeitlich vor einer Ab- oder Zunahme des K+-Gehaltes in den Schließzellen. Dies wird besonders deutlich bei totalem Spaltenschluß nach abrupter, starker Senkung oder — zur vollen Öffnung — Erhöhung der Luftfeuchte. Eine Verzögerung in der Veränderung des stomatären K+-Gehaltes gegenüber der Spaltenbewegung ist aber auch festzustellen bei schrittweisen Luftfeuchteänderungen, die zu intermediären Öffnungsweiten der Stornata führen. Bleiben diese mittleren öffnungsweiten unter längerdauernd unveränderten kleinklimatischen Bedingungen bestehen, so sind auch unverändert intermediäre K+-Gehalte in den Schließzellen zu finden. Zwischen Porusweiten und stomatären K+ -Gehalten besteht dann Proportionalität. Beide Größen sind bestimmt durch das jeweilige Zusammenspiel der Umweltfaktoren. Ein Raumdiagramm veranschaulicht dies für die möglichen Werte von Stomataweite und K+-Gehalt der Schließzellen bei einer Reihe von Temperatur/Luftfeuchte-Kombinationen. Die weitgehende Übereinstimmung der Abhängigkeit beider Wertegruppen von dem jeweiligen Kleinklima läßt die starke Prägung der öffnungsweite der Stornata durch deren K+-Gehalt unter unveränderten Umweltfaktoren klar hervortreten. Ändert sich aber die Temperatur oder die Luftfeuchte, so paßt offenbar jeweils ein anderer Mechanismus die schließzelleninterne Kaliumkonzentration der neuen Bedingung an.     

Untersuchungen zur intraplastidären Kompartimentierung der Chloroplastenlipide

In der vorliegenden Arbeit wurde die intraplastidäre Verteilung der Chlorophylle und Carotinoide mit Hilfe der radioaktiven Doppelmarkierung untersucht. Es wurde nachgewiesen, daß für Chlorophyll a und β-Carotin zwei verschiedene Pools im Chloroplasten existieren. Chlorophyll b wie α-Carotin und die Xanthophylle sind in nur einem Pool im Chloroplasten enthalten. Die Ergebnisse zeigen außerdem, daß beide β-Carotin-Pools über zwei voneinander getrennte Biosynthesewege gebildet werden. Es wird vermutet, daß der eine β-Carotin-Pool, wie von Junge et al. (1977) nachgewiesen, im Photosystem-I enthalten ist und dort die Photooxidation des Chlorophylls verhindert. Der zweite, kleinere β-Carotin-Pool fungiert als Biosynthesepool für die Bildung der β-Ionon-Xanthophylle. Chlorophyll a ist in beiden Photosystemen kompartimentiert, während Chlorophyll b nur im Light-Harvesting-Complex und nicht in den Photosystemen enthalten sein könnte. Die Untersuchungen wurden durch eine Sachbeihilfe der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt.     

Peeling back the layers of crassulacean acid metabolism: functional differentiation between Kalanchoë fedtschenkoi epidermis and mesophyll proteomes

Crassulacean acid metabolism (CAM) is a specialized mode of photosynthesis that offers the potential to engineer improved water‐use efficiency (WUE) and drought resilience in C₃ plants while sustaining productivity in the hotter and drier climates that are predicted for much of the world. CAM species show an inverted pattern of stomatal opening and closing across the diel cycle, which conserves water and provides a means of maintaining growth in hot, water‐limited environments. Recent genome sequencing of the constitutive model CAM species Kalanchoë fedtschenkoi provides a platform for elucidating the ensemble of proteins that link photosynthetic metabolism with stomatal movement, and that protect CAM plants from harsh environmental conditions. We describe a large‐scale proteomics analysis to characterize and compare proteins, as well as diel changes in their abundance in guard cell‐enriched epidermis and mesophyll cells from leaves of K. fedtschenkoi. Proteins implicated in processes that encompass respiration, the transport of water and CO₂, stomatal regulation, and CAM biochemistry are highlighted and discussed. Diel rescheduling of guard cell starch turnover in K. fedtschenkoi compared with that observed in Arabidopsis is reported and tissue‐specific localization in the epidermis and mesophyll of isozymes implicated in starch and malate turnover are discussed in line with the contrasting roles for these metabolites within the CAM mesophyll and stomatal complex. These data reveal the proteins and the biological processes enriched in each layer and provide key information for studies aiming to adapt plants to hot and dry environments by modifying leaf physiology for improved plant sustainability.     

Vergleiche der lichtabhängigen Änderungen von Membranwiderstand und Membranspannung bei Nitella

Lichtabhängige Änderungen von Membranwiderstand und -Spannung von Internodienzellen der Alge Nitella wurden in einer Drei-Teich-Meßkammer gemessen. Um diese Änderungen miteinander vergleichen zu können, braucht man eine quantitative Beschreibung der Effekte. Dies wurde dadurch versucht, daß die Zelle mit sinusförmig moduliertem Licht einer Lumineszensdiode (λ = 680 ± 40 nm) beleuchtet wurde und der Frequenzgang des Lichteffekts im Bereich von 16 Schwingungen min^?1 bis eine Schwingung je vier Stunden aufgenommen wurde. Der so gewonnene Frequenzgang wurde mit Hilfe eines Computers durch eine komplexe gebrochen rationale Funktion, die Übertragungsfunktion, angenähert. Dieser relativ komplizierte Typ von Funktionen wurde gewählt, weil dabei die Nullstellen des Nenners (Polstellen der Übertragungsfunktion), soweit sie reell sind, den Zeitkonstanten der Reaktionen entsprechen, die den Lichteffekt bewirken. Die Untersuchungen brachten bisher folgende Ergebnisse:

• 1 . Der Spannungseffekt wird am besten durch drei Null- und sechs Polstellen genähert, dabei ist ein Paar konjugiert komplex und zeigt die Existenz einer Regelung.
• 2 . Bei der Wirkung auf den Widerstand tauchen mindestens je eine Null- und eine Polstelle mehr auf, wobei zwei oder mehr Pol-Paare konjugiert komplex sind.
• 3 . Der Vergleich der Polstellen ergibt, daß zumindestens die hochfrequenten reellen und die konjugiert komplexen jeweils in den gleichen Streubereich fallen. Eine Aussage, ob sie jeweils identisch sind, kann aufgrund der geringen Zahl der Messungen noch nicht erfolgen.
• 4 . Möglicherweise überdeckt die Verschiedenheit der Transportzonen den Zusammenhang zwischen Spannung und Widerstand.

     

Turgoränderungen in Blasenzellen von Mesembryanthemaceen

Die epidermalen Blasenzellen von verschiedenen Mesembryanthemaceen Arten können bei mangelnder Wasserversorgung offenbar kurzfristig als Wasserspeicher für das photosynthetisch aktive Gewebe genutzt werden. Durch die bei der teilweisen Entleerung auftretende Abflachung der Blasenzellen werden bei Mesembryanthemum crystallinum die Abstände zwischen den Blasenzellen verringert, so daB die Flache, die fiir den Gasaustausch der Stomata mit der umgebenden Luft zur Verfiigung steht, 24 h nach Abbruch der Wasserversorgung auf 1/3, reduziert wird. Damit bilden die Blasenzellen beinahe eine “zweite Epidermis”, die bei Drosanthemum-Blättern durch eng aneinandergepreßte Blasenzellen erreicht wird und die die Wasserverluste durch Transpiration verringern könnte. Der Turgor in den Blasenzellen von Drosanthemum ändert sich am natürlichen Standort (südliche Namib) im Tagesverlauf: in der Morgendämmerung sinkt der Turgor urn 2 bar und steigt erst während der Nacht wieder an. Der Turgorabfall läuft parallel zu einer lichtbedingten Malatsynthese im grünen Gewebe, dessen osmotische Aktivität für den Wasserverlust der Blasenzellen verantwortlich sein könnte. Die absolute Höhe des Turgordruckes ist in den Blasenzellen der jüngsten Blätter 5 bis 10 mal größer als in den alteren Blattern.     

Wirt-Parasit-Beziehungen: Untersuchungen zur Induktion der Äthylenbildung in Höheren Pflanzen und zur Rolle des Äthylens bei der Ausprägung von Krankheitssymptomen und der Einleitung von Abwehrreaktionen

Die gegen Phytophthora magasperma var. soyae (Pms) resistente Soya-Sorte Glycine max L. cv. Harosoy 63 reichert nach Infektion mit Pms u. a. das fungitoxische Pterocarpan ?Glyceollin” an. Zeitlich vor der Synthese dieses ?Phytoalexins” wurde nach Behandlung von Kotyledonen mit Zellwandpräparaten (?Elicitoren der Phytoalexinsynthese”) aus Pms eine Induktion der Phenylalanin Ammonium-Lyase (PAL) gemessen (Zähringer, Ebel und Grisebach, Arch. Biochem. Biophys. 188, 450, 1978). Wir zeigten kürzlich, daß in Bohnenblättern (Phaseolus vulgaris) nach Infektion mit Uromyces phaseoli eine sortenabhängige Äthylenbildung einsetzt, wobei hypersensitive Sorten eine stärkere ?thylenbildung zeigen als tolerante Sorten. In Hypokotylsegmenten von Bohnen gelang es die infektionsbedingte, sortenspezifische Äthylenreaktion durch Zellwandpräparate (Elicitoren) aus U. phaseoli zu ersetzen (Paradies et al., Planta, 146, 193, 1979). Aus diesen Befunden und aus Literaturberichten hatten wir eine mögliche Funktion des ?Pflanzenhormons” ?thylen bei der hypersensitiven Reaktion und der Nekrosenbildung abgeleitet. Am Beispiel des Pms-Soya-Systems zeigen wir jetzt, daß a) Kotyledonen ?thylen, PAL und Glyceollin nach 1,5, 3 und 6 h nach der Inkubation mit Pms-Elicitor synthetisieren, b) 1-Aminocyclopropan-1-carbonsäure als direkter ?thylenvorläufer genau wie der Pms-Elicitor die ?tylenbildung, aber nicht die PAL- oder Glyceollin Synthese stimuliert und c) AVG, ein spezifischer Inhibitor der ?thylenbildung zwar die Synthese des Äthylens, aber nicht die von PAL oder Glyceollin beeinflußt. Man kann also die Äthylenbildung von der Phytoalexininduktion entkoppeln; demnach ist Äthylen nicht ein Auslöser, sondern nur eine Begleiterscheinung der elicitorbedingten Phytoalexinsynthese in Soya.     

42. P. Apel: Rhythmische Änderungen der Stomataapertur und der CO2-Aufnahme bei Keimblättern von Gerste; (Aus dem Institut für Kulturpflanzenforschung,Gatersleben);

Bei Photosynthesemessungen an Keimblättern intakter Gerstenpflanzen wurden rhythmische Änderungen in der CO₂-Aufnahme beobachtet, die auf Spaltöffnungsbewegungen zurückgeführt werden konnten. Voraussetzung, Induzierbarkeit und Modifikation der Schwingungen durch verschiedene Faktoren wurden untersucht. Als entscheidende Voraussetzung müssen ein gewisses Wasserdefizit und eine hohe Evaporation während der Messung angesehen werden. Bei Vorhandensein eines schwingungsfähigen Systems kann die Induktion durch verschiedene Faktoren erfolgen. Die Schwingung kann gedämpft oder ungedämpft verlaufen. Frau Prof. Dr. H. Sagromsky danke ich für anregende Diskussionen.     

Photosynthetic Characteristics of the Palisade Mesophyll and Spongy Mesophyll in the CAM/C4 Intermediate Plant,Peperomia camptotricha*

Several photosynthetic parameters were examined in the different tissue layers of leaves from the recently characterized crassulacean acid metabolism/C₄ intermediate plant, Peperomia camptotricha (Nishio and Ting, 1987). Light appears to control the development of certain photosynthetic characteristics within the tissue layers, while factors other than light seem to dictate others. Analysis of the chlorophyll content (including P700) and chlorophyll-proteins indicated that more light harvesting chlorophylls were associated with reaction centers in the tissues that were shaded by overlying tissue. Electron transport activity and chlorophyll-protein analysis indicated that the ratio of photosystem I to photosystem II in the spongy mesophyll (the abaxial tissue type and hence most shaded) was elevated relative to the overlying chlorophyll-rich median palisade mesophyll. The elevated photosystem I relative to photosystem II in the spongy mesophyll of Peperomia camptotricha may be related to C₄ metabolism and an increased requirement for ATP.     

Substitution of hydrazones for the 4' carbonyl on abscisic acid rendered it ineffective in a rapid stomatal–opening–inhibition bioassay

A rapid stomatal bioassay to test abscisic acid (ABA)–like inhibition of stomatal opening was elaborated. The assay was sensitive to low concentrations of ABA (>50% inhibition of opening at 0.02 μ M (+)-S-ABA) and was insensitive to 20 μ M (+)-S-ABA-1 -(methyl ester), which is consistent with previous work, With the original intent of developing anti-idiotypic antibodies, we made conjugates of ABA at the 4'carbonyl because of its accessibility and known requirements for other positions of the ABA molecule in siomatal signal transduction. We found that these conjugates lacked ABA-like activity and did not interfere with (+)-S-ABA in the stomatal bioassay, implying the importance of the 4'carbonyl. These observations cast doubt on the feasibility of using anti-idiolypic antibodies produced through the use of 4'-substituted ABA for the isolation of a guard-cell ABA receptor.     

Root distribution and seasonal production in the northwestern Sonoran Desert for a C3 subshrub, a C4 bunchgrass, and a CAM leaf succulent

To investigate root distribution with depth, which can affect competition for water, surface areas of young and old roots were determined in 4-cm-thick soil layers for the C3 subshrub Encelia farinosa Torrey and A. Gray, the C4 bunchgrass Pleuraphis rigida Thurber, and the CAM (crassulacean acid metabolism) leaf succulent Agave deserti Engelm. At a site in the northwestern Sonoran Desert these codominant perennials had mean rooting depths of only 9-10 cm for isolated plants. Young roots had mean depths of 5-6 cm after a winter wet period, but 11-13 cm after a summer wet period. Young roots were most profuse in the winter for E. farinosa, which has the lowest optimum temperature for root growth, and in the summer for P. rigida, which has the highest optimum temperature. Roots for interspecific pairs in close proximity averaged 2-3 cm shallower for A. deserti and a similar distance deeper for the other two species compared with isolated plants, suggesting partial spatial separation of their root niches when the plants are in a competitive situation. For plants with a similar root surface area, the twofold greater leaf area and twofold higher maximal transpiration rate of E. farinosa were consistent with its higher root hydraulic conductivity, leading to a fourfold higher estimated maximal water uptake rate than for P. rigida. Continuous water uptake accounted for the shoot water loss by A. deserti, which has a high shoot water-storage capacity. A lower minimum leaf water potential for P. rigida than for A. deserti indicates greater ability to extract water from a drying soil, suggesting that temporal niche separation for water uptake also occurs.     

Eddy covariance captures four‐phase crassulacean acid metabolism (CAM) gas exchange signature in Agave

Mass and energy fluxes were measured over a field of Agave tequilana in Mexico using eddy covariance (EC) methodology. Data were gathered over 252 d, including the transition from wet to dry periods. Net ecosystem exchanges (F_N,EC) displayed a crassulacean acid metabolism (CAM) rhythm that alternated from CO₂ sink at night to CO₂ source during the day, and partitioned canopy fluxes (F_A,EC) showed a characteristic four‐phase CO₂ exchange pattern. Results were cross‐validated against diel changes in titratable acidity, leaf‐unfurling rates, energy exchange fluxes and reported biomass yields. Projected carbon balance (g C m^?2 year^?1, mean ± 95% confidence interval) indicated the site was a net sink of ?333 ± 24, of which contributions from soil respiration were +692 ± 7, and F_A,EC was ?1025 ± 25. EC estimated biomass yield was 20.1 Mg (dry) ha^?1 year^?1. Average integrated daily F_A,EC was ?234 ± 5 mmol CO₂ m^?2 d^?1 and persisted almost unchanged after 70 d of drought conditions. Regression analyses were performed on the EC data to identify the best environmental predictors of F_A. Results suggest that the carbon acquisition strategy of Agave offers productivity and drought resilience advantages over conventional semi‐arid C3 and C4 bioenergy candidates.     

Reconstructing the δ18O of atmospheric water vapour via the CAM epiphyte Tillandsia usneoides: seasonal controls on δ18O in the field and large‐scale reconstruction of δ18Oa

Using both oxygen isotope ratios of leaf water (δ¹⁸O_L) and cellulose (δ¹⁸O_C) of Tillandsia usneoides in situ, this paper examined how short‐ and long‐term responses to environmental variation and model parameterization affected the reconstruction of the atmospheric water vapour (δ¹⁸O_a). During sample‐intensive field campaigns, predictions of δ¹⁸O_L matched observations well using a non‐steady‐state model, but the model required data‐rich parameterization. Predictions from the more easily parameterized maximum enrichment model (δ¹⁸O_L–M) matched observed δ¹⁸O_L and observed δ¹⁸O_a when leaf water turnover was less than 3.5 d. Using the δ¹⁸O_L–M model and weekly samples of δ¹⁸O_L across two growing seasons in Florida, USA, reconstructed δ¹⁸O_a was ?12.6 ± 0.3‰. This is compared with δ¹⁸O_a of ?12.4 ± 0.2‰ resolved from the growing‐season‐weighted δ¹⁸O_C. Both of these values were similar to δ¹⁸O_a in equilibrium with precipitation, ?12.9‰. δ¹⁸O_a was also reconstructed through a large‐scale transect with δ¹⁸O_L and the growing‐season‐integrated δ¹⁸O_C across the southeastern United States. There was considerable large‐scale variation, but there was regional, weather‐induced coherence in δ¹⁸O_a when using δ¹⁸O_L. The reconstruction of δ¹⁸O_a with δ¹⁸O_C generally supported the assumption of δ¹⁸O_a being in equilibrium with precipitation δ¹⁸O (δ¹⁸O_ppt), but the pool of δ¹⁸O_ppt with which δ¹⁸O_a was in equilibrium – growing season versus annual δ¹⁸O_ppt – changed with latitude.     

SIZ1 deficiency causes reduced stomatal aperture and enhanced drought tolerance via controlling salicylic acid‐induced accumulation of reactive oxygen species in Arabidopsis

Transpiration and gas exchange occur through stomata. Thus, the control of stomatal aperture is important for the efficiency and regulation of water use, and for the response to drought. Here, we demonstrate that SIZ1‐mediated endogenous salicylic acid (SA) accumulation plays an important role in stomatal closure and drought tolerance. siz1 reduced stomatal apertures. The reduced stomatal apertures of siz1 were inhibited by the application of peroxidase inhibitors, salicylhydroxamic acid and azide, which inhibits SA‐dependent reactive oxygen species (ROS) production, but not by an NADPH oxidase inhibitor, diphenyl iodonium chloride, which inhibits ABA‐dependent ROS production. Furthermore, the introduction of nahG into siz1, which reduces SA accumulation, restored stomatal opening. Stomatal closure is generally induced by water deficit. The siz1 mutation caused drought tolerance, whereas nahG siz1 suppressed the tolerant phenotype. Drought stresses also induced expression of SA‐responsive genes, such as PR1 and PR2. Furthermore, other SA‐accumulating mutants, cpr5 and acd6, exhibited stomatal closure and drought tolerance, and nahG suppressed the phenotype of cpr5 and acd6, as did siz1 and nahG siz1. Together, these results suggest that SIZ1 negatively affects stomatal closure and drought tolerance through the accumulation of SA.     

High-Resolution Chlorophyll Fluorescence Imaging Serves as a Non-Invasive Indicator to Monitor the Spatio-Temporal Variations of Metabolism during the Day-Night Cycle and during the Endogenous Rhythm in Continuous Light in the CAM Plant Kalanchoë daigremontiana

Abstract: Chlorophyll fluorescence imaging is a powerful tool to monitor temporal and spatial dynamics of photosynthesis and photosynthesis-related metabolism. In this communication, we use high resolution chlorophyll fluorescence imaging techniques under strictly controlled conditions to quantify day courses of relative effective quantum yield (φ_PSII) of an entire leaf of the crassulacean acid metabolism (CAM) plant Kalanchoë daigremontiana at different light intensities. Careful interpretation of the combined gas exchange and fluorescence data, in combination with micro malate samples, allow the interpretation of underlying metabolic properties, such as leaf internal CO₂ concentration (ci_CO2) and energy demand of the cells. Spatial variations of φ_PSII, which occur as running wave fronts at the transition from phase III to phase IV of CAM, may reflect spatial differences of ci_CO2, which are preserved in the tightly packed mesophyll cells of K. daigremontiana. An endogenous rhythm is driven by a master switch which mediates between malate storage and malate release to and from the vacuole, however, using fluorescence techniques, four different metabolic states can be distinguished which also account for the activity of phosphoenolpyruvate carboxylase.