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Rhizobial symbiosis related response of Medicago truncatula to salt and drought stress
Reinhard Turetschek
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Stefanie Wienkoop
DOI
10.25365/thesis.26841
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29382.27035.712265-3
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Evolution von stickstofffixierenden Bakterien begann sehr früh und die Symbiose mit Pflanzen war entscheidend für das Fortbestehen beider Partner. Mitglieder der Leguminosen bilden Wurzelknöllchen, welche Rhizobien beherbergen die ihren Partner mit Stickstoff versorgen. Durch diese natürlicher Bodendüngung und proteinreiche Samen sind Leguminosen wichtige Erntepflanzen (zB. Erbsen, Bohnen). Da der Weltbevölkerung ein nahender Klimawandel bevorsteht wird nach neuen Züchtungen, die besonders stresstolerant sind, nachgefragt. Zahlreiche Studien über verschiedene abiotische Stressfaktoren wurden durchgeführt, ließen aber die Frage offen, wie symbiotische Pflanzen im Zusammenspiel mit ihrem Partner reagieren. Um diese Frage zu beantworten, setzten wir gedüngte oder inokulierte Pflanzen des Modellorganismus Medicago truncatula für sechs Tage Trocken- oder Salzstress aus. Unsere physiologische Bewertung zeigte, dass beide Stressarten den Wasserhaushalt der Pflanzen beeinflusste und bestätigt somit ein moderates Stresslevel. Stärkerer Stomataschluss, gleichbleibendes Wasserpotenzial und spezifische Blattfläche zeigten leichtere Adaption bei erhöhten Salzkonentrationen, während bei Trockenstress das Wasserpotenzial sank. Spezifische Blattfläche und Blattwassergehalt änderten sich in Symbionten bei Trockenstress weniger stark, was auf eine Nährstoff bedingte Reaktion schließen lässt. Das Spross- und Wurzelproteom von salzgestressten fertilisierten und inokulierten Pflanzen wurde auf seine Stressantwort analysiert. Das Sprossproteom zeigte gegengleich reagierende Muster in fertilisierten und symbiontischen Phenotypen. Alle gestressten Pflanzen hatten andauernde Photorespiration gemeinsam, welche besonders an erhöhter Expression von Glutaminsynthetase erkennbar war. Die hohe Tubulinexpression im Sprossproteom bestätigte, dass die Reorganisation des Zytoskelets eine zentrale Anpassung in Bezug auf Salzstress ist. Die Hauptkomponentenanalyse des Wuzelproteoms zeigte eine Auftrennung von Kontrollpflanzen und Salzstress ausgesetzten Pflanzen und ließ klare Unterschiede bei Peroxidasen zwischen den verschiedenen Nährstoffbedingungen erkennen. Beide Nährstoff-Phenotypen reagierten gleich mit einem Abfall an Plasmamembran H+-ATPase. Eine Symbionten spezifische Antwort zeigte sich bei der Abnahme einer V-ATPasen Untereinheit. Die Stressantwort von Transportproteinen umfasste zudem einen vierfachen Anstieg von Aquaporinen in symbiontischen Pflanzen. Die Proteomanalyse in dieser Arbeit zeigt somit eine nährstoffabhängige Stressantwort von Medicago truncatula auf erhöhte Salinität und gibt Hinweise auf verantwortliche Signalwege.
Abstract
(Englisch)
Nitrogen fixing bacteria evolved very early on an evolutionary time scale. Thus the symbiosis with plants became crucial for the survival of both partners. All members of the legumes form so called root nodule housing rhizobia enabling them to uptake atmospheric nitrogen. As natural soil fertilizers and protein rich nutrition many legume species became important crop plants (e.g. pea, bean). Natural ecosystems as well as agriculture are facing climate change the next decades which demands for drought and salt tolerant varieties. Studies on diverse abiotic stress factors were already done but they still leave open questions on how symbiotic plants respond to stress with their partner. To approach this question the legume model organism Medicago trun-catula was fertilized or inoculated with Sinorhizobium meliloti and exposed to 6 days of either drought or salt stress. Physiological assessments showed that all stress types affected the plants water status confirming moderate stress level. Stomatal closure was higher and water potential was maintained in salt but not in drought stressed plants indicating higher tolerance to salt stress. This was confirmed by unchanged specific leaf area and stable water potential during salt expo-sure. Specific leaf area and leaf water content showed less alteration in symbiotic plants while water deprivation indicating nutritional related response. The shoot and root proteome of salt stressed phenotypes was analysed for further stress respond specification. The shoot proteome showed nutrient dependent response patterns which were counter-correlating in symbiotic and fertilized plants. All stressed phenotypes shared ongoing photorespiration by showing increased levels of glutamine synthetase. Further, greater tubulin expression in shoots confirmes that the reorganisation of the cytoskeleton is a central adjustment to salinity. Principal component analy-sis of the root proteome showed variance between control and salt treated plants. Roots proteome revealed clear differences of peroxidase levels between the nutritional traits showing three fold higher expressions in fertilized control plants. A common respond of nutritional phenotypes was observed in a decrease of plasma membrane H+-ATPase. A specific nutritional dependent reac-tion of roots was found with the decrease of a V-ATPase subunit in nodulated plants. Respond of transport proteins further involved a fourfold increase of aquaporines only in symbiotic plants. Altogether, the proteome analysis in this work provides evidence for a nutrient specific salt stress response of Medicago truncatula and additionally suggests responsible pathways.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Symbiosis Medicago truncatula stress
Schlagwörter
(Deutsch)
Symbiosis Medicago truncatula stress
Autor*innen
Reinhard Turetschek
Haupttitel (Englisch)
Rhizobial symbiosis related response of Medicago truncatula to salt and drought stress
Paralleltitel (Deutsch)
Symbiosis bezogene Effekte auf Medicago truncatula unter Slaz und Trockenstress
Publikationsjahr
2013
Umfangsangabe
40, XI S. : Ill., graf. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Stefanie Wienkoop
Klassifikation
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.10 Systemtheorie
AC Nummer
AC10791479
Utheses ID
24012
Studienkennzahl
UA | 190 | 445 | 456 |