Gene expression profiling and ecophysiological analyses of Populus euphratica and Populus × canescens in response to salt stress

Weltweit stellt Bodenversalzung ein gravierendes Problem dar. In näherer
Zukunft werden Land- und Forstwirtschaft, und somit Nahrungs- und
Energieversorgung, zunehmend davon betroffen sein. Das Verständnis von
Salztoleranzmechanismen in Pflanzen gewinnt dadurch immer mehr an
Wichtigkeit.
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Erforschung der Funktionsweise von
Salztoleranzmechanismen in Bäumen. Als Studienobjekte wurden zwei Arten
der Gattung Populus herangezogen, P. euphratica und P × canescens. Bei P.
euphratica handelt es sich um eine Pappelart, die für ihre Fähigkeit bekannt ist,
Salzstress weit besser als die meisten anderen Pappelarten zu tolerieren,
darunter die Graupappel P. × canescens. Um zu ermitteln, welche Effekte
Salzstress auf die zwei Pappelarten hat, wurden Transcription Profiling,
Metabolom Analysen sowie anatomische und physiologische Messungen
durchgeführt.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, 1) die Entwicklung des Xylems
beider Arten unter Langzeitsalzstress zu vergleichen, 2) die molekulare
Anpassung von P. euphratica zur Vermeidung von Salzstress zu untersuchen,
und 3) Informationen über präventive Strategien durch den Vergleich von P.
euphratica und P. × canescens mittels Expressions- und Metabolomanalysen zu
erhalten.
Unter Langzeitsalzstress war das Wachstum beider Pappelarten
verlangsamt. Die Holzanatomie war allerdings nur in P. × canescens betroffen,
wobei eine Abnahme der Gefäßdurchmesser und eine Zunahme der
Gefäßwandstärken beobachtet wurde. Diese Unterschiede konnten darauf
zurückgeführt werden, dass die Salzaufnahme in P. euphratica wesentlich
geringer war. Folglich traten salzinduzierte Umstrukturierungen des
Transkriptoms nur in P. × canescens auf. Die Gene, die in P. × canescens unter
Salzstress stärker exprimiert wurden, stehen besonders mit der Erzeugung von
Antioxidantien, der Entgiftung von Substanzen, die durch oxidative Schäden
erzeugt wurden, und Phytohormon-gesteuerten Signalen in Zusammenhang.
Nennenswert waren außerdem 11 verschiedene, mutmaßlich die Holzanatomie
beeinflussende Fasciclin-ähnliche Arabinogalactane (fascilin-like
arabinogalactans, FLAs), die derselben Untergruppe angehörten und deren
Expression in P. × canescens unter Salzstress zurückging; zwei dieser FLAs
zeigten ebenfalls in P. euphratica reduzierte Expression.
Daraus folgt, dass die Reaktion von Populus auf internen Salzstress in
zwei unterschiedliche Komponenten gegliedert ist. Einerseits wird durch die
anatomische Umstrukturierung den osmotischen Effekten entgegengewirkt,
andererseits werden die toxischen Auswirkungen der erhöhten
Salzkonzentration vermindert. Die meisten dieser Maßnahmen werden in P.
euphratica auf Grund der Fähigkeit, die Salzkonzentration im Inneren der
Pflanze niedrig zu halten, nicht benötigt. Die teilweise Übereinstimmung der
Regulation der FLA-Gene deutet jedoch darauf hin, dass die Reaktion auf
Salzstress in P. euphratica grundsätzlich ähnlich abläuft.
Wie bereits früher gezeigt, resultierte langfristige Salzexposition von P.
euphratica in der Ausbildung von verdickten Wurzeln (cob roots). Hier wurde
erstmals geprüft, welche transkriptionellen Veränderungen mit dieser
morphologischen Veränderung einhergingen. Die Transkriptionsanalyse
deutete darauf hin, dass in den cob roots ein wichtiger Signalweg für den
Ausschluss von Natrium, die salt overly sensitive (SOS) Signalkette, induziert
war, wodurch die Na+-Aufnahme reduziert werden konnte. Des weiteren
wiesen ATHB12, WOX13 und SCL5, drei Transkriptionsfaktoren, die bereits
mit Wurzelentwicklung und -morphologie in Verbindung gebracht worden
waren, erhöte Transkriptionslevel auf.
Dies zeigt, dass P. euphratica unter salinen Bedingungen aktiv die
Salzaufnahme durch Kontrolle von Ionenkanälen reduziert, um internen
Salzstress zu vermeiden. Die Regulation wichtiger Transkriptionsfaktoren
deutet ausserdem darauf hin, dass zusätzlich die Morphologie verändert wird,
um die physiologischen Effekte zu unterstützen.
Um die Hypothese zu testen, dass in P. euphratica Salztoleranz-relevante
Gene inhärent höhere Expressionslevel haben, wurden die Transkriptome und
Metabolome von Blättern von unter Kontrollbedingungen angezogenen
Pflanzen beider Pappelarten direkt miteinander verglichen. Eine generell
höhere Expression von stressrelevanten Genen in P. euphratica verglichen mit
P. × canescens konnte jedoch nicht festgestellt werden. Unter den Genen, die
stärker in P. euphratica als in P. × canescens exprimiert waren, waren Gene
aus dem Sekundär-, Zucker- und Energiestoffwechsel überrepräsentiert. Eine
Metabolomanalyse deutete darauf hin, dass dies zu einer Anreicherung von
Zuckern und einer schnelleren Umsetzung von Zwischenprodukten des
Sekundärstoffwechsels in P. euphratica verglichen mit P. × canescens führte.
Diese Indizien wurden durch biochemische Analysen von Kohlenhydraten und
phenolischen Inhaltstoffen bekräftigt.
Betrachtet man diese Ergebnisse im Zusammenhang, zeichnet sich
folgendes Bild ab: zum größten Teil vermeidet P. euphratica Salzstress durch
den Ausschluss von Salz auf Wurzelebene. Ausserdem scheint P. euphratica
Salzstress zu antizipieren: Verschiedene Natriumtransporter waren stärker in P.
euphratica als in der salzsensitiven P. × canescens exprimiert und können
Natrium vermutlich sofort kompartimentieren, wenn es in die Pflanze gelangt.
Zucker, die selbst ohne Salzstress angereichert werden, schützen
wahrscheinlich gegen plötzlich auftretenden Salz- oder osmotischen Stress.
Diese Strategie, Stressbedingungen zu widerstehen, führt folglich zu einem
höheren zellulären Energiebedarf von P. euphratica, der in erhöhten
Atmungsraten sichtbar wurde.
Im Gegensatz dazu treten Schutzmechanismen in der salzsensitiven P. ×
canescens erst in Kraft, nachdem das Salz in die Pflanze gelangt ist.
Beispielsweise können die beobachteten Änderungen der Xylemanatomie bei
P. × canescens eine Anpassung an Salzstress durch Schutz vor Kavitation
darstellen. Weitere wichtige Reaktionen auf Salzstress bei P. × canescens
scheinen die Erzeugung von Antioxidantien und die Entgiftung von
Zerfallsprodukten oxidativer Schäden zu sein; komplexe, energieaufwändige
Mechanismen, die sich bei P. euphratica durch verbesserte Schutzmaßnahmen
erübrigen.