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Drought response strategies mediated by plant-rhizobia interaction in Medicago truncatula

Christiana Staudinger

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

PhD-Studium (Doctor of Philosophy) (Dissertationsgebiet: Biologie)

Betreuer*in

Stefanie Wienkoop

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DOI

10.25365/thesis.38837

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29590.34550.298159-4

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Trockenstress limitiert den Energiehaushalt und das Wachstum von Pflanzen. Welchen Einfluss das interne C:N Verhältnis und Wurzelknöllchensymbiosen auf die Trockenstressantwort von Pflanzen haben ist immer noch ungeklärt. In der vorliegenden Arbeit wurde der Effekt unterschiedlicher N Versorgung und Wurzelknöllchensymbiosen auf das Verhalten von Medicago truncatula während Trockenstress und Rehydrierung untersucht. Zwei Gruppen von Pflanzen waren noduliert mit Sinorhizobium medicae oder S. meliloti; die dritte Gruppe wuchs ohne Rhizobien und wurde mit mineralischem N Dünger versorgt. Neben physiologischen Messungen wurden hierzu proteomische, melabolomische und ionomische Analysen angewandt. Waren die Pflanzen ähnlich sinkendem Substratwassergehalt ausgesetzt, so verwendeten sie auf organismischer Ebene zwei unterschiedliche Strategien. Die alten Blätter von nicht-nodulierten Pflanzen erfuhren Blattseneszenz und Laubfall. Die nodulierten Pflanzen behielten grüne Blätter und zeigten einen verzögerten Laubfall. Dieser Stay-green Phänotyp war, empirisch betrachtet, unabhängig von der anfänglichen N - Konzentration und dem C/N Verhältnis im Blatt. Die eingehende Untersuchung von S. medicae-nodulierten und nicht-nodulierten Pflanzen auf Trockenheit und Rehydrierung deutet darauf hin, dass Nodulierung einen Ernährungszustand in den Pflanzen hervorruft, der maßgeblich am Stay-green Phänotyp der nodulierten Pflanzen beteiligt ist. Auf molekularer Ebene zeigten sich ähnliche Reaktionen während Stress in der Proteinzusammensetzung sowie Veränderungen der Ionenkonzentrationen im Blatt. Die Nodulierung hatte jedoch einen großen Einfluss auf den pflanzlichen Metabolismus unter gut bewässerten Kontrollbedingungen. So wurden in nodulierten Pflanzen höhere Konzentrationen an osmotisch aktiven Substanzen und eine Verschiebung der C-Allokation zwischen Stärke- und Zucker-Pools beobachtet. Unterschiede in der Proteinzusammensetzung deuten darauf hin, dass Nodulierung für Veränderungen im Hormonhaushalt der Pflanze verantwortlich ist, die auch in der verzögerten Blattseneszenz eine Rolle spielen können. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass der veränderte Ernährungszustand, induziert durch Nodulierung (Nutritional Priming), den Blatterhalt während Trockenstress fördern kann. Dieser Stay-green Phänotyp kann im Besonderen in Regionen mit vorübergehenden Trockenperioden einen positiven Einfluss auf Ertrag und Wachstum ausüben.

Abstract

(Englisch)

Drought stress hampers plant energy and biomass production; however it is still unknown how internal C:N balance and rhizobial symbiosis impact on plant response to water limitation. Here, the effect of differential optimal nitrogen nutrition and root nodule symbiosis on drought stress and rehydration responses of Medicago truncatula was assessed. Two groups of plants were nodulated with Sinorhizobium medicae or S. meliloti; the third group grew in a rhizobia-free medium and received mineral nitrogen fertilizer. In addition to growth analyses, physiological and molecular responses of the two systems were studied using ionomic, metabolomic and proteomic techniques. At the whole organism level two distinct strategies became apparent, when plants were exposed to comparable decreases in substrate water content. In non-nodulated plants older leaves underwent leaf senescence followed by leaf abscission. Nodulated plants maintained green leaves and showed a substantial delay in leaf abscission. This stay-green phenotype was empirically independent of the initial leaf N concentration and C/N ratio. However, differing nutritional balances played a role in the observed phenomenon, as revealed by an in-depth study of the S. medicae-nodulated and non-nodulated plant response to drought and rehydration. At the molecular level, the responses to drought and rehydration were similar in terms of soluble protein abundance and ion concentration changes. However, nodulation had an important effect on the plant metabolism under well-watered conditions. Nodulation was associated with higher concentrations of osmotically active compounds and a shift in daytime C allocation between starch and sugar pools. The differences in protein abundance provide indication that nodulation altered the plant’s hormonal balance, which could also play a role in the delay of drought-induced leaf senescence. This study shows that nodulation induces shifts within the plant's metabolism that have the potential to favour leaf maintenance during water deprivation (nutritional priming). This stay-green phenotype is of interest for transient drought scenarios, where it may have a positive effect on plant growth and yield.

Autor*innen

Christiana Staudinger

Haupttitel (Englisch)

Drought response strategies mediated by plant-rhizobia interaction in Medicago truncatula

Paralleltitel (Deutsch)

Regulation von Trockenstressstrategien über Pflanze-Rhizobien Interaktion in Medicago truncatula

Publikationsjahr

2015

Umfangsangabe

86 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Michel Zivy ,

Markus Puschenreiter

Klassifikationen

30 Naturwissenschaften allgemein > 30.99 Naturwissenschaften allgemein: Sonstiges ,

42 Biologie > 42.41 Pflanzenphysiologie

AC Nummer

AC13010012

Utheses ID

34402

Studienkennzahl

UA | 094 | 437 | |

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