The role of Na+/H+ antiporter activity in leaf cells of newly developed maize (Zea mays L.) hybrids for sodium inclusion and salt resistance

摘要

Da Salzstress weltweit immer noch ein sehr großes Problem für die landwirtschaftlicheProduktion darstellt, ist es von Bedeutung, diejenigen Kulturpflanzen und Genotypen zuidentifizieren, welche sich durch eine verbesserte Salzresistenz auszeichnen. Dieses genetischePotential kann dann genutzt werden, um salzresistente und ertragsreiche Kulturarten zuentwickeln. Aus diesem Grund, wurden in dieser Arbeit zehn verschiedene Maisgenotypen(Across 8023, Pioneer 3906, sowie acht neu entwickelte, salzresistente (SR) Hybride) auf ihreSalzresistenz in der zweiten Phase von Salzstress untersucht und klassifiziert.Von besonderem Interesse war die Rolle der Tonoplasten-Na+/H+-Antiporter (NHX) in derAusbildung von Salzresistenz. Hierzu wurden drei der neu entwickelten SR-Hybride, die sich imScreening als salzresistenter herausgestellt haben, sowie der empfindliche Genotyp Across 8023unter geringem (50 mM NaCl) und hohem Salzstress (200 mM NaCl) kultiviert und untersucht.Hierbei dienten zunächst das Sprosswachstum und die Anzahl nekrotischer Flecken am Blatt alsParameter zur Charakterisierung von Na+-Toxizität. Unter hohem Salzstress zeigte sich, dassSR03 und SR 05 insgesamt ein besseres Wachstum aufwiesen bei gleichzeitig wenigernekrotischen Blattveränderungen als SR 20 und Across 8023. Basierend auf diesen Ergebnissenwurden SR 03 und SR 05 als salzresistent, SR20 und Across 8023 dagegen als salzempfindlicheingestuft.Im Weiteren wurde dann die relative Transkription des Tonoplasten- Na+/H+-Antiporter ZmNHXund dessen Beteiligung an des Salzresistenz untersucht. So zeigte sich unter hohem Salzstress(200 mM NaCl) eine signifikante Hochregulierung von ZmNHX im Spross von SR 03 und SR05, sowie eine signifikante Hochregulierung von ZmNHX in der Wurzel von SR 20. Im Fall vonSR 20 war die erhöhte relative Transkription jedoch nicht ausreichend, um die Salzresistenzmaßgeblich zu verbessern. Jedoch sagt die Menge an Transkripten allein noch nichts überSalzresistenz aus, sondern vielmehr muss auch die Aktivität der Antiporter auf Proteinebene mitberücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang zeigte sich, dass im Spross von SR 05 dieAktivität von NHX analog der relativen Transkription ebenfalls unter Salzstress erhöht war,jedoch unter Kontrollbedingungen keine Veränderung stattfand. Somit scheint in SR 05 daspositive Zusammenwirken der erhöhten Transkription und Aktivität des Antiporters ursächlichfür die verbesserte Salzresistenz zu sein, da hierdurch verstärkt Na+ in der Vakuolekompartimentiert wird.Insgesamt können aus dieser Arbeit folgende Schlüsse gezogen werden: Basierend auf den Wachstumsparametern und der nekrotischen Blattveränderungenwurden SR 03 und SR 05 als salzresistent, SR 20 und Across 8023 als salzempfindlicheingestuft. Hierbei steht die Na+-Konzentration im Spross selbst in keinemZusammenhang mit der Ausbildung der Blattnekrosen, so dass dieser Parameter nichtgeeignet ist, Salzresistenz zu beschreiben. Das verbesserte Wachstum von SR 03 und SR 05 unter hohem Salzstress ist nicht bedingtdurch eine Na+ Exklusion aus dem Spross, da hier eine erhöhte Na+ Translokation sogarzu erhöhten Na+-Konzentrationen im Blatt führte. Salzresistenz bei SR 03 und SR 05 ist auf Na+-Inklusion zurückzuführen. Durch dieHochregulierung des Na+/H+-Antiporter-Transkripts ZmNHX kommt es im Spross zueiner verbesserten Gewebetoleranz. Gleichzeitig mit der erhöhten relativen Transkription von ZmNHX im Spross von SR 05konnte auch eine erhöhte Antiporter-Aktivität unter Salzstress gemessen werden, welchezu einer verstärkten Na+-Kompartimentierung in der Vakuole führt