N- Verbindung Pflanzenspezies und ggf. Veränderung in %
2.3 Pflanzliche Reaktionen auf Umweltstress
2.3.1 Wasser-, Kälte- und Salzstress
In diesem Kapitel soll der Einfluss von Wasser-, Kälte- und Salzstress auf den Proteingehalt der Pflanze dargestellt werden.
Einführung
Ein Wassermangel der Zelle hat hauptsächlich drei Gründe: Trockenheit, niedrige Temperaturen und/oder zuviel (intrazelluläres) Salz (BRAY 1993). In der Literatur werden
für diese Phänomene die Begriffe Wasser-, Kälte- und Salzstress gebraucht. Der Begriff Wasserstress ist für den nicht eingeführten Leser irreführend; er steht nicht für eine Stress-situation ausgelöst durch ein übermäßig großes Wasserangebot, sondern für Pflanzenstress aufgrund von Wassermangel. Nur im Zusammenhang mit dem Phytohormon Ethylen (s. u.) wird dieser Begriff auch für ein Zuviel an Wasser verwendet.
Trockenheit durch intensive Sonneneinstrahlung oder durch Wasserverknappung bedeutet für die Pflanze großen Stress. Alle Lebensprozesse der Pflanze werden negativ beeinflusst. Eine
geringgradige Wasserverknappung führt zunächst zur Reduktion von Zellteilung und -wachstum, später werden diese Prozesse ganz eingestellt. Mit fortschreitendem
Wasser-mangel wird weniger Kohlenstoff in der Photosynthese fixiert und es kommt zur Bildung von schützenden Phytohormonen und Stressproteinen (s. u.). Letztlich, wenn alle Schutz-mechanismen wirkungslos gegen den zunehmenden Wassermangel sind, treten irreversible Schäden an der Pflanze auf (LÖSCH 2003).
Wasserstress
Unter Wasserstress werden Proteine in geringerer Zahl (GOOD u. ZAPLACHINSKI 1994) und vielfach in verändertem Mengenverhältnis zueinander synthetisiert. So wird z. B. die kleine Untereinheit des Enzyms Rubisco unter Wassermangelbedingungen in geringerer Menge hergestellt (HO u. MISCHKIND 1991). Rubisco ist für die CO2-Fixierung während der Photosynthese von Bedeutung. Von anderen Enzymen werden bei Trockenheit Isoenzyme gebildet (BHATIA 1994). Zu den Enzymen, die verstärkt gebildet werden, gehört die PEP-Carboxylase, die bei Sukkulenten teilweise die CO2-Fixierung von Rubisco übernimmt (HELDT u. PIECHULLA 2008). Andere Enzyme bauen die in Stresssituationen vermehrt vorkommenden Sauerstoffradikale ab (LÖSCH 2003).
Durch Osmoregulation kann das Ausmaß des Wasserverlusts reduziert oder zumindest der
„Zeitpunkt des Turgoreszenzverlustes“ (LÖSCH 2003) zeitlich hinausgeschoben werden. Bei der wasserstressabhängigen Signalübertragung spielt das Phytohormon Abscisinsäure (ABA) eine wichtige Rolle. Es ist an der Expression bestimmter Gene beteiligt, die eine Reihe von Polypeptiden kodieren, welche eine Wasserstresstoleranz bewirken. Dazu gehören die auch als Stressproteine bezeichneten Dehydrine und Osmotine (LÖSCH 2003). Wasserstress
induzierte Genprodukte wirken nach BRAY (1993) auf acht Orte im Zellstoffwechsel ein (Tab. 2.3.1).
Tab. 2.3.1: Wirkungen von Wasserstress induzierten Genprodukten auf den pflanzlichen Zellstoffwechsel (nach BRAY 1993 und LÖSCH 2003)
Modifikation der posttranslationalen Proteinkonfiguration (Chaperon-Effekte)
Erhöhung des Proteinabbaus (Proteinase-Funktion)
Spezifizierung des Proteinabbaus (Ubiquitin-Funktion)
Verminderung des Proteinabbaus (Proteinase-Hemmstoff-Funktion)
Steigerung der Biosynthese kompatibler Osmotika
Erhöhung des Einbaus von Wasserkanalproteinen in Membranen (Aquaporin-Funktion)
Schutz entwässerungsempfindlicher Membranbereiche
Osmoregulatorische Ionenkompartimentierung
Hierzu einige Erläuterungen:
Chaperone sind Proteine, die anderen, v. a. neusynthetisierten Proteinen bei der korrekten Faltung in ihre funktionsfähige Sekundärstruktur helfen. Außerdem sind sie für den Proteintransport durch Membranen verantwortlich. Die kleinen und großen Untereinheiten von Rubisco werden zum Beispiel auf diesem Weg zueinander gebracht. Zu den Chaperonen gehören auch die Hitzeschockproteine, die degradierte Proteine vor Aggregation schützen und sie z. T. wieder in ihre native Form überführen (HELDT u. PIECHULLA 2008).
Proteine werden durch Proteinasen spezifisch in ihre Aminosäurenbausteine abgebaut (s. Kap.
2.2.4). Die Spezifizierung des Proteinabbaus erfolgt durch Ubiquitinierung der Proteine.
Dabei werden beschädigte oder fehlerhafte Proteine, sowie solche, die nur für eine kurze Zeit im Stoffwechsel benötigt werden, mit einem Ubiquitinmolekül markiert (CLARK 2006). So kenntlich gemacht, werden die Proteine in Proteasomen transportiert, wo Proteinasen sie in ihre Aminosäureeinheiten zerlegen. Proteasomen fungieren als zelluläre Müllhalden (TAIZ u.
ZEIGER 2007). Sie sind zylindrische Zellorganellen, an deren Enden sich die Bindungs-stellen für markierte Proteine befinden. Das Ubiquitin wird durch Proteinasen von den Proteinen entfernt und kann wieder verwendet werden (CLARK 2006). Zur Verminderung des Proteinabbaus mittels Proteinase-Inhibitoren sei auf Kap. 2.4.3 verwiesen.
Osmotine sind vermutlich überwiegend an Osmoregulationsprozessen beteiligt (LAROSA et al. 1989). Sie reichern sich in Zellen an, deren osmotisches Potenzial durch übermäßige Salzbelastung – infolge Wassermangels – vermindert ist (YEN et al. 1994). Die Osmoregulation dient der Aufrechterhaltung eines für die pflanzlichen Lebensvorgänge wichtigen Austauschs von Ionen und Wasser zwischen Geweben, Zellen und Zellorganellen.
Zu den wichtigsten Osmotika zählen Kalium (HSIAO u. LÄUCHLI 1986), Chlorid und Nitrat. Kompatible Osmotika wie Zucker, Aminosäuren und quaternäre Ammonium-verbindungen, deren Biosynthese durch Osmotine gesteigert wird, sorgen im speziellen für ein osmotisches Gleichgewicht zwischen Cytosol und Vakuole (HASEGAWA et al. 2000;
LÖSCH 2003). Zu den Aminosäuren mit dieser Funktion gehören Prolin, Alanin, ß-Alanin und Taurin (YANCEY 1994). Auf das Prolin wird später noch genauer eingegangen.
Dehydrine werden unter Stressbedingungen synthetisiert, bei denen die zelluläre Ent-wässerung im Vordergrund steht (CLOSE et al. 1993). Ihnen wird eine membran-stabilisierende Wirkung zugesprochen (LÖSCH 2003), die sie vermutlich aufgrund ihrer chaperonartigen Wirkungsweise (CLOSE 1996; HASEGAWA et al. 2000) zum osmotisch bedingten Entwässerungsschutz von Proteinen (DURE et al. 1989; HASEGAWA et al. 2000) besitzen.
Aquaporine sind spezielle Proteine, die als Kanäle für Wasser, Ionen und lösliche Moleküle in Membranen eingebaut werden, um das osmotische Potenzial in der Zelle bzw. im Inter-zellularraum auszugleichen (BRAY 1993). Bei Trockenheit oder Überflutung können diese Kanäle durch Deckel verschlossen werden (HELDT u. PIECHULLA 2008).
ABA und Ethylen gehören zu den „hemmenden“ Phytohormonen, die besonders unter
Wassermangel erhöhte Konzentrationen aufweisen. Sie greifen bereits auf Trans-kriptionsebene in die Stoffwechselvorgänge ein (LÖSCH 2003). Ihr Vorkommen und ihre Funktion werden später in diesem Kapitel besprochen. Es gibt aber auch „fördernde“
Hormone wie Auxine, Gibberelline und Cytokine, die als Schutzsubstanzen bei mangelhafter Wasserversorgung wirksam werden (LÖSCH 2003). Auxin wird in den Sprossspitzen hergestellt. Es fördert das Wachstum der Pflanze hin zum Sonnenlicht. Die chemische Substanz hinter dem Namen Auxin ist die Indolessigsäure (IAA). Sie bewirkt die Elongation von Zellen durch Ansäuerung und Lockerung der Zellwand und den nachfolgenden Einbau von Proteinen und Xyloglucanen. Gibberelline fördern, wie Auxin, das Streckungswachstum der Pflanze, aber auch die Bildung von Früchten. Außerdem beenden sie die Samenruhe (HELDT u. PIECHULLA 2008). Cytokine stammen von der Nukleobase Adenin ab. Sie wirken der Alterung entgegen und können, gemeinsam mit dem Auxin, ausdifferenzierte Zellen zur Teilung anregen (HELDT u. PIECHULLA 2008). Cytokine werden hauptsächlich in den Wurzeln synthetisiert. Ein verminderter Transport in oberirdische Pflanzenteile wird als Trockenstresssignal verstanden (ITAI u. BENZIONI 1976; VAADIA 1976). Dieses Signal beeinflusst im Sprossbereich Proteinsynthese und Stomataverhalten und zwar auch in abgeschnittenen ausgetrockneten Blättern (ITAI u. VAADIA 1971). Veränderungen im Cytokin-Spiegel stehen in direkter Wechselwirkung mit dem ABA-Spiegel und lösen Verschiebungen im hormonellen Gleichgewicht aus. Damit verändern sich Membran-transportcharakteristika für Ionen und Wasser, wodurch es zu einer differenzierten Kompar-timentierung von Osmolyten kommt. Diese haben Einfluss auf die Öffnungs- und Schließ-funktion der Stomata (s. Kap. 2.3.2; LÖSCH 2003).
Der ABA-Gehalt in der Pflanze steigt bereits bei geringgradigem Wasserstress in der Wurzel an. In den Blättern erfolgt die Konzentrationserhöhung aufgrund der erforderlichen Neusynthese (MILBORROW 1974; WALTON 1980) von ABA erst einige Zeit später (vgl.
Kap. 2.3.2). In Pflanzenzellen mit erhaltenem Turgor beträgt die Halbwertszeit von ABA rund eine Stunde, in welken Blättern ist sie dagegen deutlich länger (JIA et al. 1996). Gemeinsam mit Stickoxyd (NO) löst ABA das Schließen der Stomata bei Wassermangel aus (HELDT u.
PIECHULLA 2008). Nach Einsetzen der Genantwort und den damit verbundenen Stoff-wechselanpassungen kann ABA über den G-Protein gekoppelten Rezeptor 2 (GRC2) die
K+-abhängige Öffnung der Stomata bewirken (HELDT u. PIECHULLA 2008). Die Wir-kungen von ABA sind von allen Phytohormonen am besten untersucht. Tabelle 2.3.2 gibt Auskunft über eine Auswahl von ABA-Wirkungen.
Tab. 2.3.2: Ausgewählte Wirkungen des Phytohormons Abscisinsäure (ABA) auf die Pflanze (nach DAVIES et al. 1993)
Erhöhung des Prolingehalts
Aktivitätssenkung von Photosynthese-Enzymen Erhöhung der Toleranz gegen Austrocknung
Induktion der Kälte- und Salztoleranz Abnahme des Stomataindex
Hierzu einige Erläuterungen:
Der Aminosäure Prolin kommt im Zellstoffwechsel eine besondere Bedeutung zu. So stellt sie die Proteinlöslichkeit im Cytosol sicher, stabilisiert die Proteintertiär- und -quartärstrukturen, wirkt als Radikalfänger im Cytoplasma, stabilisiert Membranen durch Wechselwirkungen mit Membranphospholipiden und schützt vor Kältestress (LÖSCH 2003). Prolin ist außerdem osmoprotektiv. Die Gehalte an freiem Prolin steigen in den meisten Blütenpflanzen unter Wasserstress durch Geninduktion (BRAY 1993) artspezifisch auf das 10- bis 100-fache ihres Normalwerts an (LÖSCH 2003). Dafür gibt es mehrere Gründe (vgl. HANSON u. HITZ 1982). Erstens erfolgt eine erhöhte Prolinsynthese aus Glutaminsäure. Zum zweiten ist die Prolinoxidation verringert. Die dritte Ursache liegt in einem verlangsamten Einbau in Proteine und viertens ist der Export über das Phloem verringert, was zu einer Konzentrationssteigerung in den Blättern führt. Andere Aminosäuren, außer Asparaginsäure und γ-Aminobuttersäure (GABA), sind nicht erhöht (LÖSCH 2007). GABA akkumuliert in hitzegestressten Pflanzen vier- bis sechsmal so stark wie in unbeeinträchtigten Pflanzen. Es ist nicht bekannt, dass GABA direkt als Signalmolekül für Stresssituationen fungiert. Bei der Metabolisierung von GABA im Mitochondrium durch die Succinat-Semialdehyd-Dehydrogenase (SSA-DH) werden Protonen freigesetzt. Diese spielen eine wichtige Rolle bei der Modulation des oxidativen Status der Zelle, wenn durch Hitzeeinwirkungen geschädigte SSA-DH-Moleküle vermehrt Wasserstoffperoxid bilden (TAIZ u. ZEIGER 2007).
Wassermangel wirkt sich negativ auf den Stickstoffhaushalt der Pflanze aus. Die Aktivitäten der wichtigsten Enzyme, Nitratreduktase und Glutaminsynthetase, werden reversibel vermindert. Die Ammoniumionenkonzentration in den Blättern wird erhöht. Damit steigt ihre Ethylen-Empfindlichkeit (LÖSCH 2003). Das Phytohormon Ethylen wird bei extremen Temperaturen, Trockenheit und Verwundung (s. Kap. 2.4.2) in den Pflanzenorganen ange-reichert und führt zu schnellerer Blattalterung (LÖSCH 2003; HELDT u. PIECHULLA 2008). Damit ist es ein Gegenspieler zum Auxin (s.o.), welches die Bildung von Trennungs-gewebe zum Blattabwurf unterdrückt (HELDT u. PIECHULLA 2008). Die Hauptwirkung des Ethylens besteht in der Elongation des Sprosses in wasserüberstauten Pflanzen (Wasserpflanzen; LÖSCH 2003).
Die Stickstoffassimilation ist durch den Stomataschluss reduziert. In der Pflanze wird Stickstoff daraufhin besonders in die primär zu versorgenden Pflanzenteile umverteilt (HECKATHORN u. DELUCIA 1994) und bei einigen Pflanzenspezies dadurch die Photosynthese deutlich reduziert (HECKATHORN et al. 1997).
Die Photosynthese wird nicht nur indirekt über verringerte N-Gehalte, sondern auch direkt durch ein vermindertes Wasserangebot beeinflusst. Das betrifft v. a. Oxidationsvorgänge an der Thylakoidmembran (Membranlipide und Proteine mit Beteiligung an der Elektronen-transportkette) durch eine erhöhte Sauerstoffradikalkonzentration unter Wassermangel. Diese wiederum kommt zustande durch die verminderte CO2-Verfügbarkeit bei wassermangel-bedingtem Stomataschluss. Somit stehen mehr Reduktionsäquivalente zur Bildung von Sauerstoffradikalen zur Verfügung, die eigentlich in der Dunkelreaktion der Photosynthese verbraucht worden wären (LÖSCH 2003). In Mitleidenschaft gezogen wird auch die ATP-Synthetase. Ihre Wirksamkeit nimmt bei Wasserreduktion in den Chloroplasten ab. Es treten Verluste von 50 % der photochemischen Energiespeicherung bei Wasserstress auf (HAUVAUX et al. 1987). Als Austrocknungsschutz kommen Wachse (Kap. 2.4.1.1) zum Einsatz, die in Reaktion auf Wasserstress vermehrt synthetisiert werden (XU et al. 1995). Der Stomataindex, d. h. die Anzahl der Stomata pro Flächeneinheit (s. Kap. 2.3.2), nimmt bei limitierter Wasserzufuhr zu. Die Stomata sind zwar kleiner ausgebildet, liegen aber näher aneinander (ELIAS 1995). Kleinere Stomata haben den Vorteil, dass sie weniger Zeit vom auslösenden Signal (z. B. ABA) bis zum Schließen ihres Porus benötigen (MADHAVA RAO et al. 2006). Eine exakte Zeitangabe fehlt.
Kältestress
Nach Kälteeinwirkung steigen die Gesamtphenolgehalte in der Pflanze an (BEIER 1990).
Phenole gehören zu den sekundären Pflanzeninhaltsstoffen und können den Futterwert einer Pflanze drastisch vermindern (Kap. 2.4.1.2). Temperaturen um den Gefrierpunkt sind schädlich für die Membranstabilität (THOMASHOW 1999) und Proteinintegrität mit anschließender Degeneration von Proteinen (MADHAVA RAO et al. 2006). Toleranz gegenüber Kältestress erreicht die Pflanze z. B. durch Akkumulation von Zuckern, Hitzeschockproteinen, Lipiden und ABA (NAGAO et al. 2005). Diese Stoffe senken entweder den Gefrierpunkt des Gewebes, dienen als Nährstoff oder helfen bei der Instandsetzung kältegeschädigter Membranen. Die Kältetoleranz nimmt mit sinkendem Wassergehalt zu (MADHAVA RAO et al. 2006).
Salzstress
Salzstress, z. B. durch Versalzung des Bodens, meist durch NaCl oder Na2SO4 (MADHAVA RAO et al. 2006), führt zu einer Abnahme von Phenolen, im Speziellen von Anthocyanen, die für die rote und blaue Färbung von Blüten und Früchten zuständig sind (s. Kap. 2.4.1.2).
Unter vermehrter Salzbelastung ist häufig die rote Blütenfarbe vermindert (HELDT u.
PIECHULLA 2008). Salzhaltiges Bodenwasser führt außerdem zum Wasserentzug aus der Pflanzenzelle, um das osmotische Gleichgewicht zwischen Cytoplasma und Interzellularraum wieder herzustellen. Von der Außenseite der Zellwand verdunstet Wasser, die Zelle trocknet aus. Die Zellwand faltet sich und die Zelle welkt (EXARCHOU 2006). Durch hohe Salzkonzentrationen im Boden steigt der stomatäre Widerstand im Tagesverlauf um das Dreifache an (abends > morgens; BOULARD et al. 1997).
Pflanzenspezies werden nach ihrer Salztoleranz in sensible und tolerante Arten eingeteilt.
Daneben gibt es Zwischenformen, zu denen z. B. das Deutsche Weidelgras (Lolium perenne) und Luzerne (Medico sativa) gehören (Tab. 2.3.3; DAJIC et al. 2006).
Tab. 2.3.3: Einteilung ausgewählter Pflanzenspezies nach ihrer Salztoleranz (nach DAJIC et al. 2006)
Salztoleranz Spezies
Sensibel Zwiebel (Allium cepa), Reis (Oryza sativa), die meisten früchtetragenden Pflanzen
Mäßig sensibel Luzerne (Medicago sativa), Rotklee (Trifolium pratense), Weißklee (Trifolium repens)
Mäßig tolerant Deutsches Weidelgras (Lolium perenne) Tolerant Gerste (Hordeum vulgare)
Ein erhöhter Salzgehalt senkt den Chlorophyllgehalt und damit die Photosyntheserate. Diese Abnahme rührt von einer verminderten CO2-Assimilation vergesellschaftet mit verringerter Leitfähigkeit durch die Stomata (DAJIC 2006).
Die Toxizität des Salzes ist in der hohen spezifischen Ladung der Natrium- im Vergleich zu den Kaliumionen begründet. Für Proteine hat dies weit reichende Folgen. Es kommt zu Zerreißungen der Wasserstruktur und einer Abnahme der hydrostatischen Kräfte in Proteinen (POLLARD u. WYN JONES 1979). Außerdem verdrängen Natrium- die Kaliumionen von den Bindungsstellen der Enzyme und hemmen letztere dadurch. Mehr als 50 Enzyme werden durch Kalium aktiviert (BHANDAL u. MALIK 1988). Weiterhin wird Kalium für die Proteinsynthese benötigt (Bindung der t-RNA an die Ribosomen; BLAHA et al. 2000).
Um diese schädlichen Einflüsse von Natriumionen zu vermindern, kommen auch Osmotine und Dehydrine, die auch beim Wasserstress eine Rolle spielen (s. o.), zum Einsatz. Sie tragen vermutlich durch ihre Fähigkeit, die Hydrathülle der Proteine zu ersetzen (HASEGAWA et al.
2000), zur Erhaltung der Proteinstruktur bei (CAMPBELL u. CLOSE 1997).
Wie auch beim Wasserstress sind antioxidative Enzyme wie die SOD (Superoxiddismutase) und die Peroxidase beim Salzstress aktiviert. Bei lang anhaltendem Salzstress nimmt ihre Aktivität sogar zu (SAIRAM et al. 2002).
Außer den bereits aufgeführten Salztoleranzmechanismen hat die Pflanze noch zahlreiche andere Möglichkeiten, sich gegenüber einer übermäßigen Salzbelastung zu schützen. Dazu seien einige Adaptationswege, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, genannt: Vor allem Gra-mineen, zu denen die Weidegräser gehören, weisen eine geringe Permeabilität für Salze im Wurzelbereich (Endoderm) auf. Außerdem geben sie Natriumionen nur selektiv in das Xylem ab. Überschüssiges Salz kann aktiv über sogenannte Salzdrüsen und -härchen sezerniert werden. Bei Gräsern sind diese Drüsen zweizellig und vor allem an den Blättern ausgebildet.
Dieser Salztoleranzmechanismus wird schon in der frühen Entwicklungsphase ausgebildet, bevor das Blatt vollständig ausdifferenziert ist (NIU et al. 1995). Salztolerante Spezies können Salze auch in Vakuolen speichern (FLOWERS et al. 1977). Andere Pflanzen ver-suchen die Salzkonzentration z. B. durch gesteigerten Umsatz von Kalium- und Natriumionen (NIU et al. 1995) oder durch Abwurf alter Blätter, die große Mengen Salz akkumuliert haben (MUNNS 1993), gering zu halten.
Zusammenfassung:
Von den Stresssituationen ausgelöst durch Wassermangel, Kälte und Salzüberangebot ist der Wassermangel der bedeutendste für die Pflanze. Wasserstress stört die normale Pflanzen-proteinsynthese. Von der kleinen Untereinheit des Photosyntheseenzyms Rubisco werden weniger Moleküle hergestellt. Damit können weniger Rubiscomoleküle zusammengesetzt werden mit Auswirkung auf die Photosyntheseleistung der Pflanze.
Zur Erhöhung der Wasserstresstoleranz werden Phytohormone und andere Signalstoffe gebildet oder angereichert. Sie oder die von ihnen angeregten Stoffe wirken u. a. osmo-protektiv und membranstabilisierend sowie auf die Stomatabewegungen. Ihre Wirkung reicht z. T. noch in das welke und selbst in das abgetrennte Blatt.
Von übermäßigem Salzangebot gehen v. a. für Proteine Gefahren durch Schädigung ihrer Hydrathülle aus. Enzymaktivitäten und Proteinsynthese werden durch Verdrängung der Kalium- durch Natriumionen beeinträchtigt. Zur Milderung dieser Effekte haben die meisten Pflanzen wirkungsvolle Toleranzmechanismen entwickelt.