pflanzenernährung i finkemeier - universität münster · 26.06.2016 1 vorlesung „zellbiologie...
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26.06.2016
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Vorlesung „Zellbiologie Physiologie und Genetik“
SoSe 2016
Pflanzenernährung I
Prof. Dr. Iris Finkemeier
Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen
Pflanzenernährung I
• Essentielle Elemente und ihre Funktionen
• Nährstoffmangel
• Nährstoffaufnahme und Verteilung
• Stickstoff: häufigstes Mineralelement
• Stickstofffixierung durch Bakterien
• Stickstoffassimilation
• Stickstoffperzeption und Regulation
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“Der Erdboden, und nicht das Wasser, liefert das Material aus dem
das Gemüse besteht”
Woodward, J. (1699). Some thoughts and experiments concerning vegetation.PhilosophicalTransactions of the Royal Society, 21,193-227.
“Some thoughts and experiments concerning
vegetation” (1699)
Quelle Regenwasser
Themse
Gewichtszuwachs:
55% 62% 93%
Woodward folgerte, dass der Mineralanteil imWasser die Pflanzen ernährt. Durch seine Beobachtungen legte er den Grundstein fürdie Erforschung der Pflanzenernährung
J. Woodward verglich das Wachstum von Pflanzen in
Wasser ausverschiedenen Quellen.
Das Wachstum von Pflanzen wird durch die knappeste Ressourcebestimmt.
Das Gesetz des Minimums
Justus von Liebig (1803-1873)
Liebig‘s Tonne: Eine Tonne mit unterschiedlich langen Dauben lässt sich nur bis zur Höhe der kürzesten Daube füllen. Genauso kann ein Organismus sich nur so weit entwickeln, wie es die knappste Ressource erlaubt.
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Carl Sprengel1787 - 1859
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Pflanzen assimilieren Mineralstoffeaus ihrer Umgebung
K+
K+
PO43-
PO43-
PO43-
NO3-
NO3-
K+ K+
K+
K+
K+
K+
PO43-
PO43-
PO43-
NO3-
NO3-
Die Nährstoffaufnahme kanndurch die Oberfläche oder, bei vaskulären Pflanzen, über die Wurzel erfolgen.
Pflanzen können auch organische Moleküleaufnehmen und verwerten
Schmidt, S., Raven, J.A. and Paungfoo-Lonhienne, C. (2013). The mixotrophic nature of photosynthetic plants. Funct. Plant Biol. 40: 425-438 by permission of CSIRO Publishing; Adlassnig, W., Koller-Peroutka, M., Bauer, S., Koshkin, E., Lendl, T. and Lichtscheidl, I.K. (2012). Endocytotic uptake of nutrients in carnivorous plants. Plant J. 71: 303-313. Hill, P.W., Marsden, K.A. and Jones, D.L. (2013). How significant to plant N nutrition is the direct consumption of soil microbes by roots? New Phytol. 199: 948-955.
Karnivore Pflanzenerhalten ihre Nährstoffeüber den Verdau von gefangenen Insektenund Tieren
Nicht-karnivorePflanzen können auchProteine und Mikrobenfür die Nährstoffaufnahmeverwerten. DieserProzess ist aberineffizient.
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E. Epstein (1972) hat zwei Kriterien definiert, die festlegen, ob eine Element essentiell für eine Pflanze ist:
• Das Element ist nötig um den Lebenszyklus der Pflanze abzuschließen (Samen zu produzieren).
• Das Element ist ein Teil eines essentiellen Moleküls der Pflanze.
Wie erkennt man essentielle (lebensnotwendige) Mineralstoffe?
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Die essentiellen Mineralnährstoffe von Pflanzen
Elemente aus Luft und Boden: Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O)
Mikronährstoffe / Spurenelemente:
Makronährstoffe (aus dem Boden): Primär: Stickstoff (N), Phosphor (P), Kalium (K)Sekundär: Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Schwefel (S)
Chlor (Cl), Eisen (Fe), Mangan (Mn), Natrium (Na), Kobalt(Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Molybdän (Mo), Bor (B)
16 essentielle Mineralstoffe:
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6 essentielle Makronährstoffe(N, P, K, S, Mg and Ca)
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Pflanzen nehmen Mineralstoffe alsKationen oder Anionen auf
μmol / g (trocken)
Element AssimilierteForm
250 Kalium (K) K+
1000 Stickstoff (N) NO3‐, NH4
+
60 Phosphor (P) HPO42‐,
H2PO4‐
30 Schwefel (S) SO42‐
80 Magnesium (Mg)
Mg2+
125 Calcium (Ca) Ca2+
μmol / g (dry wt)
Element Assimilated form
2 Eisen (Fe) Fe3+, Fe2+
0.002 Nickel (Ni) Ni+
1 Mangan (Mn) Mn2+
0.1 Kupfer (Cu) Cu2+
0.001 Molybdän(Mo)
MoO42+
2 Bor (B) H3BO3
3 Chlor (Cl) Cl‐
0.3 Zink (Zn) Zn2+
MAKRONÄHRSTOFFE MIKRONÄHRSTOFFE
Für die geladenen Ionenwerden Transportproteine in den Zellmembranen benötigt.
See Taiz, L. and Zeiger, E. (2010) Plant Physiology. Sinauer Associates; Marschner, P. (2012) Mineral Nutrition of Higher Plants. Academic Press, London
Hoagland’s Nährlösung für HydrokulturenModifizierte Hoagland‘s Lösung (Hoagland und Arnon (1938))
Element Endkonzentration
des Elements im Medium
[µM]
Makroelemente NKCa
Mg
S
P
Fe
B
Mn
Zn
Cu
Mo
12,6006,0002,800
2,000
2,002
1,000
23.8
23
1.25
0.2
0.075
0.175
6 mM KNO3
2.8 mMCa(NO3)2* 4H2O
2 mMMgSO4* 7H2O
1 mM (NH4)H2PO4(x)
Mikroelemente
11.9 µM Fe2(C4H4O6)3
1.5 µM H3BO4
1.25 µMMnSO4* H2O
0.2 µM ZnSO4* 7H2O
0.075 µM CuSO4* 5H2O
0.025 µM(NH4)6Mo7O24 * 4H2O
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Gefäßpflanzen nehmen Nährstoffehauptsächlich über die Wurzel auf
Barberon, M. and Geldner, N. (2014). Radial transport of nutrients: the plant root as a polarized epithelium. Plant Physiol. 166: 528-537.
Wurzelhaare vergrößern dabeidie Oberfläche, ähnlich wie die Microvilli im Darmepithel von Tieren
Membrantransporter ermöglichen die Nährstoffaufnahme in das Cytoplasma der Zelle
Wurzel Querschnitt
Darmepithel Querschnitt
Pflanzenernährung I
• Essentielle Elemente und ihre Funktionen
• Nährstoffmangel
• Nährstoffaufnahme und Verteilung
• Stickstoff: häufigstes Mineralelement
• Stickstofffixierung durch Bakterien
• Stickstoffassimilation
• Stickstoffperzeption und Regulation
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pH-Wert des Bodens wirkt sich auf die Nährstoffverfügbarkeit aus: Saure und
basische Böden
Atlas of the biosphere, University of Wisconsin; FMoeckel
Stark sauer
Schwachbasisch
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Nährstoffverfügbarkeit und Wachstum
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Hermans, C., Hammond, J.P., White, P.J., and Verbruggen, N. (2006). How do plants respond to nutrient shortage by biomass allocation? Trends Plant Sci 11, 610‐617.
Wurzelmechanismen zur Erhöhungder Nährstoffaufnahme
Schmidt, S., Raven, J.A. and Paungfoo-Lonhienne, C. (2013). The mixotrophic nature of photosynthetic plants. Funct. Plant Biol. 40: 425-438 by permission of CSIRO publishing.
SymbiotischePartnerpilze
Prokaryotischesymbiotische
Partner
WurzelentwicklungBiochemische
Reaktionen
Wurzelexudate
Mykorrhiza Stickstoff-fixierendeBakterien
Proteoidwurzeln/ Cluster Roots
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Pflanzenernährung I
• Essentielle Elemente und ihre Funktionen
• Nährstoffmangel
• Nährstoffaufnahme und Verteilung
• Stickstoff: häufigstes Mineralelement
• Stickstofffixierung durch Bakterien
• Stickstoffassimilation
• Stickstoffperzeption und Regulation
Nährstoffaufnahme, Assimilation und Verwertung involvieren viele Prozesse
Effizienz der Nährstoffaufnahme
Effizienz derNährstoffverwertung
Architektur des Wurzelsystems
Wurzel-exudate
Bodenbakterien
Symbiosen
P
P
N N
NH3
Transporter und Pumpen
InterzelluläreTransport-effizienz
X R-X
Assimilations-und
Remobilisations-effizienz
RegulatorischeKontrollnetzwerke
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Nährstoffe können dem Boden durchDüngung wieder zugeführt werden
Nährstoffbedarf
Mai
s
Soy
a
Wei
zen
Bau
mw
olle
Rei
s
Kg
/ha
1000
800
600
400
200
0 N
P
K
Mg
S
Die meistenDünger enthaltenStickstoff (N), Phosphat (P) und Kalium (K).
Natürliche Düngerund spezielleDüngesalze
Pflanzen entnehmen die Nährstoffe ausdem Boden
Source: USGS
Globales Vorkommen von Mineralnährstoffen: ungleiche
Verteilung
Versorgung > Bedarf
Bedarf < Versorgung
FAO (2011) Current world fertilizer trends and outlook to 2015.
NP2O5
K2O
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Der weltweite Handel mit Düngernist ein Milliardengeschäft
IFIA
Ammonium Harnstoff Kalium Diammoniumphosphat
Monoammoniumphosphat
PhosphatGestein
Schwefel Schwefelsäure
Wieviel Dünger braucht die Pflanze?
Photo by Michael Russelle.
Pflanzenspezies: verschiedenePflanzen habenverschiedeneAnsprüche
Bodeneigenschaften:Partikelgröße, pH, Mikroben etc.
Abiotische und biotische Faktoren: Temperatur, Regen, Stress und Krankheiten
Entwicklungszustand der Pflanze
Vorhandene Nährstoffe: Es gibtpositive und negative Interaktionenzwischen Nährstoffen
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Dünger können Umwelt- und Gesundheitsprobleme auslösen
Stickstofffixierung (Haber-Bosch) ist energieaufwändig
Phosphat und Kaliumabbau ist destruktiv
Image source: Lamiot; Alexandra Pugachevsky
Transport benötigt Energie
Organischer Abfall kannKrankheiten verbreiten N ON
Distickstoffoxid (N2O) ausDüngern ist einTreibhausgas
Eutrophierung von Gewässern
Pflanzen brauchenNährstoffe, aber der Einsatz von Düngernist oft nicht optimal.
Zusammenfassung: ÜberblickMineralstoffernährung
• Pflanzen bekommen C, H und O aus Wasser und CO2
• Pflanzen bekommen den Rest der essentiellen Elemente(16) aus Mineralnährstoffen
• Mineralnährstoffe kommen als Ionen gelöst im Boden vor
• Mineralnährstoffe werden von Pflanzenwurzeln überspezielle Transortproteine aufgenommen
• Die Nährstoffe im Boden müssen über Dünger ersetztwerden
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Pflanzenernährung I
• Essentielle Elemente und ihre Funktionen
• Nährstoffmangel
• Nährstoffaufnahme und Verteilung
• Stickstoff: häufigstes Mineralelement
• Stickstofffixierung durch Bakterien
• Stickstoffassimilation
• Stickstoffperzeption und Regulation
Stickstoff: Das häufigsteMineralelement in Pflanzen
• N ist das häufigste Element in der Atmosphäre
• N ist das vierthäufigste Element in der Pflanze (nach C, H und O)
• N ist oft der limitierendeNährstoff von Pflanzen
N findet man in Aminosäuren(Proteinen), Nukleinsäuren (DNA, RNA), Chlorophyll, und vielen anderenkleinen Molekülen
Blank, L.M. (2012). The cell and P: From cellular function to biotechnological application. Curr. Opin. Biotech. 23: 846 – 851.From: Buchanan, B.B., Gruissem, W. and Jones, R.L. (2000) Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists.
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Stickstoff findet man in verschiedenenanorganischen Molekülen
Molekül Name Oxidationsstufe
R‐NH2 Organischer Stickstoff, Harnstoff
‐3
NH3, NH4+ Ammoniak,
Ammonium Ion‐3
N2 Molekularer Stickstoff 0
N2O Distickstoffmonoxid +1
NO Stickstoffmonoxid +2
HNO2, NO2‐ Salpetrige Säure,
Nitrit Ion+3
NO2 Stickstoffdioxid +4
HNO3, NO3‐ Salpetersäure, NitratIon
+5
Adapted from Robertson, G.P. and Vitousek, P.M. (2009). Nitrogen in agriculture: Balancing the cost of an essential resource. Annu. Rev. Environ. Res. 34: 97-125.
NO2-
NO3-
NO2- NO
N2ON2
NH3
NitratReduktion
Stickstoff-fixierung
Nitrification
AnaerobischeReaktionen
AerobischeReaktionen
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Moderater Stickstoffmangel inhibiert Sproßwachstum und fördertWurzelwachstum.
„Optimal Partitioning Theory“: Förderung der Organe die Nährstoffe aufnehmen
(MARSCHNER 1995)
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Stickstoffmangel Symptome
Milder Stickstoffmangel:Remobilisation von Stickstoff in junge Blätter
Starker Stickstoffmangel: gehemmtes Wachstum
© Baumeister & Ernst 1978
-N +N -N
Stickstoffmangel Symptome
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Globaler Stickstoffkreislauf
Atmosphärischer N2
BiologischeFixierung
AtmosphärischeFixierung
NO3-
NH4+
NO3-NH4
+
NO3-
NO2- NO3
-NH4+
Nitrifikation durch nitrifizierende Bakterien
R-NH2
Dünger
Assimilation durch
Pflanzen
Zersetzung
Den
itrifi
katio
ndu
rch
deni
trifi
zier
ende
Bak
terie
n
IndustrielleFixierung
(Haber-Bosch)BiologischeFixierung(Ozean)
120 Tg N / Jahr(50%
landwirt-schaftlich)
120 Tg N / Jahr
140Tg N / Jahr
5 Tg N / Jahr
Adapted from Fowler, D., et al. (2013). The global nitrogen cycle in the twenty-first century. Phil. Trans. Roy. Soc. B: 368: 20130164
Pflanzenphysiologie untersucht die Mechanismenwie Pflanzen die Stickstoffaufnahme und
Verwendung optimieren
Wie wirdStickstoff in die
Pflanzeaufgenommen?
Wie wirdanorganischer
Stickstoff in organischeMoleküle
assimiliert?
Wie könnenPflanzen den internen und
externenStickstoffstatuswarnehmen?
Wie reagierenPflanzen auf
Stickstoffmangel?
Wie könnenPflanzenStickstoff
remobilisieren?
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1. Desaminierung: Mikroorganismen nutzen organischen Stickstoff als C-Quelle und setzten Ammonium frei.
2. Stickstoffixierung: Distickstoff (Gas) wird zu Ammonium reduziert. Exklusiv prokaryotischer Stoffwechselweg!
3. Nitrataufnahme und Reduktion zu Ammonium für anschließende Assimilation in organische Verbindungen (Mikroorganismen + Pflanzen).
Stickstoff kann in der Form von Ammonium in organische Moleküle assimiliert werden.
3 Wege führen zu Ammonium:
Pflanzenernährung I
• Essentielle Elemente und ihre Funktionen
• Nährstoffmangel
• Nährstoffaufnahme und Verteilung
• Stickstoff: häufigstes Mineralelement
• Stickstofffixierung durch Bakterien
• Stickstoffassimilation
• Stickstoffperzeption und Regulation
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2 N2 + 3 H2 2 NH3
N2‐fixierende Symbiosen zwischen Eubakterienund höheren Pflanzen
• frei lebende N2-fixierenende Bakterien, z. B. Azotobacter und Clostridium
• assoziative N2‐fixierende Bakterien
• endosymbiotisch in den Pflanzenwurzeln lebende N2‐fixierende Bakterien können nur im Verbund mit einem Symbiosepartner N2 fixieren
• Effektivität von endosymbiotischerN2‐Bindung ist ca. 10‐fach höher als die der frei lebenden N2‐Fixierer.
Lüttge, U. / Kluge, M. / Thiel, G. Botanik: Die umfassende Biologie der Pflanzen
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Stickstoffixierung durch die Nitrogenase:
Die Nitrogenase ist ein Sauerstoff‐sensitives, prokaryotisches Enzymbestehend aus:
• Dinitrogenase – MoFe Protein reduziert N2
• Dinitrogenase reduktase ‐ Fe‐Protein reduziert MoFe überFerredoxin und hydrosiliert ATP
N2 + 8H+ + 8e‐ + 16ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi
N2‐fixierende Symbiosen: Wurzelknöllchen
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N2‐fixierende Symbiosen: Wurzelknöllchen Übersicht
Pflanzenernährung I
• Essentielle Elemente und ihre Funktionen
• Nährstoffmangel
• Nährstoffaufnahme und Verteilung
• Stickstoff: häufigstes Mineralelement
• Stickstofffixierung durch Bakterien
• Stickstoffassimilation
• Stickstoffperzeption und Regulation
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Stickstoffmetabolismus: Aufnahme, Assimilation und Remobilisation
Aufnahme
NO3-
NH4+
NH4+
NO3-
NitratReduktase
NO2-
NitritReduktase
GlutaminSynthetase
(GS)
Glutamat
GlutaminAndereAminosäuren und stickstoffhaltigeBiomoleküle
AminosäureRecycling,
Photorespiration
Zitratzyklus
2-Oxoglutarat
Glutamat
Glutamin-2-Oxoglutarat
Aminotransferase (GOGAT)
AssimilationRemobilisation
AssimilationNH4
+R-NH2
N2 Adapted from Xu, G., Fan, X. and Miller, A.J. (2012). Plant nitrogen assimilation and use efficiency. Annu. Rev. Plant Biol. 63: 153-182.
Die meisten Pflanzen nehmenStickstoff in Form von Nitrat NO3
- auf
See Li, B., Li, G., Kronzucker, H.J., Baluška, F. and Shi, W. (2014). Ammonium stress in Arabidopsis: signaling, genetic loci, and physiological targets. Trends Plant Sci. 19: 107-114; Britto, D.T. and Kronzucker, H.J. (2013). Ecological significance and complexity of N-source preference in plants. Ann. Bot. 112: 957-963.
NitratReduktase
NitritReduktase
NO2- NO3
-NH4+
Nitrifikation
Energiefrei
Energiefrei
Viele Prokaryoten oxidieren NH4+, so
dass wenig NH4+ im Boden vorkommt
NO2- NH4
+NO3-
Energieverbraucht
Energieverbraucht
Pflanzen benötigen Energie um NO3-
in organische Moleküle zuassimilieren
R-NH3
Ob Pflanzen bevorzugt NH4+ oder NO3
- aufnehmen, variiertje nach Spezies, Temperatur, Wasser, Boden pH etc….
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Pflanzen haben spezifische Transporter für NO3
-, NH4+ und andere N-Formen
Nacry, P., Bouguyon, E. and Gojon, A. (2013). Nitrogen acquisition by roots: physiological and developmental mechanisms ensuringplant adaptation to a fluctuating resource. Plant Soil. 370: 1-29, With kind permission from Springer Science and Business Media
HATS = high affinity transportersLATS = low affinity transporters
Identifizierung des Haupt-Nitrattransporters: CHL1/ NRT1.1/ NPF6.3
Oostindiër-Braaksma, F.J. and Feenstra, W.J. (1973). Isolation and characterization of chlorate-resistant mutants of Arabidopsis thaliana. Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis. 19: 175-185; Reprinted from Tsay, Y.-F., Schroeder, J.I., Feldmann, K.A. and Crawford, N.M. (1993). The herbicide sensitivity gene CHL1 of arabidopsis encodes a nitrate-inducible nitrate transporter. Cell. 72: 705-713 with permission from Elsevier.
Chlorat (ClO3-)
ähnelt Nitrat(NO3
-)Nitrate Reduktase
ChloritClO2
-
Wild-typ
ChloratAufnahmeMutante(chl1-5)
NitratReduktase
Mutante
+ +-
Wachstum auf Chlorat
Nitrate ReduktaseAktivität
Der erste NitratTransporter wurde in einem genetischenScreen auf ChloratResistenz identifiziert
19731993 wurde das CHL1 Gen kloniert und als Nitrat Transporter identifiziert
Membranpotential in Xenopus Oocyten
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Andere Nitrattransporter für Intra-bzw Interzellulären Transport
Reprinted from Wang, Y.-Y., Hsu, P.-K. and Tsay, Y.-F. (2012). Uptake, allocation and signaling of nitrate. Trends Plant Sci. 17: 458-467 with permission from Elsevier; Tegeder, M. (2014). Transporters involved in source to sink partitioning of amino acids and ureides: opportunities for crop improvement. J. Exp. Bot. 65: 1865-1878 by permission of Oxford University Press.
Spezifische Transporter ermöglichen Nitrattransport in oder aus der Zelle bzw. in oder
aus der Vakuole
Primäre N-Assimilation: NO3- wird erst zu NH4
+
reduziert bevor es assimiliert werden kann
Aufnahme
NO3-
NH4+
NH4+
NO3-
NitratReduktase
NO2-
NitritReduktase
GlutaminSynthetase
(GS)
Glutamin
Assimilation zu Glutamin
Andere N-Verbindungen
R-NH3
Glutamat
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Nitratassimilation kann in Wurzel und Sproß stattfinden
Nitrat wird über das Xylem von Wurel zu Sproßtransportiert
Nach der Assimilation können Aminosäurenzwischen Wurzel und Sproßtransportiert werden
Nitratassimilation
LeguminosenDie meisten Pflanzen
• Umwandlung verbraucht 8 Elektronen in Form von Reduktionsäquivalenten• Dies entspricht ungefähr 25% der totalen Energieausgaben einer Pflanze
Reduktion von Nitrat zu Ammonium (in Blättern und Wurzeln)
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Nitrat Reduktase
Lambeck, I.C., Fischer-Schrader, K., Niks, D., Roeper, J., Chi, J.-C., Hille, R. and Schwarz, G. (2012). Molecular mechanism of 14-3-3 protein-mediated inhibition of plant nitrate reductase. J. Biol. Chem. 287: 4562-4571.
NO2-NO3
-
NADH NAD+
NADH
NO3-
Nitrat Reduktasereduziert Nitrat zu NitritNADH fungiert alsEleketronendonor
Die Elektronen werdenvon NADH auf FAD auf Häm und über den Molybdän-Kofaktor(Moco) auf NO3
-
übertragen
• NR besteht aus zwei identische Untereinheiten• Drei Kofaktoren (FAD, Häm und MoCofaktor)• Transport von 2e- durch die Redoxzentren und Transfer auf Nitrat• Verbrauch von 1 Reduktionsäquivalent pro Molekül NO3
Regulation der Nitrat Reduktase Aktivität
1. Transkription 2. Post-translational
Nitrat (mM)
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Assimilation von Ammonium in Aminosäuren
Lüttge, U. / Kluge, M. / Thiel, G. Botanik: Die umfassende Biologie der Pflanzen
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Nitritreduktase = NiR (in Plastiden)
Kosten pro NO2- Reduktion = 6 Reduktionsäquivalente (Ferredoxin reduziert)
• N-Terminale Fdx-binde Domäne oxidiert Ferredoxin (Fdx) und je 1e- wird auf die Redoxzentren 4Fe-4S und Siroheme übertragen
Nitrit ist hochreaktiv und toxisch für die Pflanze. NiR wird im Überschußproduziert um die sofortige Reduktion von Nitrit zu Ammonium sicherzustellen.
Assimilation von Ammonium in Aminosäuren
Lüttge, U. / Kluge, M. / Thiel, G. Botanik: Die umfassende Biologie der Pflanzen
Glutaminsynthetase
(GS)
Glutamin-2-Oxoglutarat
Aminotransferase (GOGAT)
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67Pflanzen sind in der Lage alle 20 AS eigenständig zu synthetisieren!Menschen und die meisten Tiere müssen ca. 10 essentielle AS über die Nahrung aufnehmen
Aus Aminosäuren werden weitere wichtige pflanzliche Inhaltsstoffe hergestellt
Avice, J.-C. and Etienne, P. (2014). Leaf senescence and nitrogen remobilization efficiency in oilseed rape (Brassica napus L.). J. Exp. Bot. 65: 3813-3824 by permission of Oxford University Press.
uptake
assimilation
assimilation
remobilization
remobilization
Stickstoffrecycling in der Pflanze• Remobilisierung von organischem Stickstoff in seneszenten Blättern
durch Degradation von Proteinen zu Aminosäuren und in der Photorespiration
• Verteilung in der Pflanze (vor allem Samen und Fruchtkörper)
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Zusammenfassung: Stickstoffaufnahme und Assimilation
Aufnahme
NO3-
NH4+
NH4+
NO3-
Nitrate reduktase
NO2-
Nitrite reduktase
Glutaminsynthetase
(GS)
Glutamat
GlutaminAndere N-Verbindungen
AminosäurenRecycling,
Photorespiration
Zitratzyklus
2-oxoglutarate
Glutamate
Glutamin-2-oxoglutarate
aminotransferase (GOGAT)
AssimilationRemobilisierung
AssimilationNH4
+R-NH2
N2 Adapted from Xu, G., Fan, X. and Miller, A.J. (2012). Plant nitrogen assimilation and use efficiency. Annu. Rev. Plant Biol. 63: 153-182.
Pflanzenernährung I
• Essentielle Elemente und ihre Funktionen
• Nährstoffmangel
• Nährstoffaufnahme und Verteilung
• Stickstoff: häufigstes Mineralelement
• Stickstofffixierung durch Bakterien
• Stickstoffassimilation
• Stickstoffperzeption und Regulation
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Regulation: Stickstoffperzeption,Signaltransduktion und Antwort auf Mangel
See for example Scheible, W.-R., et al and Stitt, M. (2004). Genome-wide reprogramming of primary and secondary metabolism, protein synthesis, cellular growth processes, and the regulatory infrastructure of Arabidopsis in response to nitrogen. Plant Physiol. 136: 2483-2499; Krapp, A. et al and Daniel-Vedele, F. (2011). Arabidopsis roots and shoots show distinct temporal adaptation patterns toward nitrogen starvation. Plant Physiol. 157: 1255-1282. Schlüter, U., et al. and Sonnewald, U. (2012). Maize source leaf adaptation to nitrogen deficiency affects not only nitrogen and carbon metabolism but also control of phosphate homeostasis. Plant Physiol. 160: 1384-1406. Amiour, N. et al and Hirel, B. (2012). The use of metabolomics integrated with transcriptomic and proteomic studies for identifying key steps involved in the control of nitrogen metabolism in crops such as maize. J. Exp. Bot. 63: 5017-5033. Balazadeh, S., et al. and Mueller-Roeber, B. (2014). Reversal of senescence by N resupply to N-starved Arabidopsis thaliana: transcriptomic and metabolomic consequences. J. Exp. Bot. 63: 5017-5033.
StickstoffmangelErhöhte Aufnahme
Metabolische Anpassung an Stickstoffmangel
Verstärkte Seneszenz und N-Recycling
Aktivierung einiger NO3-- und NH4
+ TransporterVerstärktes Wurzelwachstum
Verringerte Synthese N-haltiger ChlorophylleVerstärkte Synthese N-freier AnthocyaneKleinere Pools N-haltiger Verbindungen (z.B. Aminosäuren)Größere Pools N-freier Verbindungen (z.B. organische Säuren)
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NO3
NO3
NO3
NO3
HAT
LAT
NH4+
NH4+ NH4
+
NH4+
AMT1 AMT2
NO2 NH4+
Gln/Glu
+
+
Nitrattransporter werden durch Nitratgabe induziert
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
NRT1.1
NRt1.2
NRT1.3
NRT1.4
NRT2.1
NRT2.2
NRT2.3
NRT2.4
NRT2.5
NRT2.6
NRT2.7
Nitrate transporter gene
fold
-in
du
cti
on
by
nit
rate
Transkriptinduktiondata from Wang et al., Plant Physiol 132, 556‐567
‐
Akkumulation von Aminosäurenrepremiert Transkripte der Ammoniumtransporter
Nitratgabe reguliert mehrere tausende Genprodukte. Ist es Nitrat selbst oder welches N‐Metabolit induziert das?
Antwort auf NO3- kann von N-
Metaboliten unterschieden werden
Wang, R., Tischner, R., Gutiérrez, R.A., Hoffman, M., Xing, X., Chen, M., Coruzzi, G., Crawford, N.M. (2004). Genomic analysis of the nitrate response using a nitrate reductase-null mutant of Arabidopsis. Plant Physiol. 136: 2512–2522; Canales, J., Moyano, T.C., Villarroel, E. and Gutiérrez, R.A. (2014). Systems analysis of transcriptome data provides new hypotheses about Arabidopsis root response to nitrate treatments. Front. Plant Sci. 5: 22.
NitratReduktase (NR)
NO2- NH4
+NO3-
R-NH3X
Nitrat Reduktase Mutanten ermöglichen NO3-
Antwort zu untersuchen
Rot: Nitrat-Spezifische Gene
NR Mutanten könnennicht auf NO3
- wachsen
Transkriptantwort auf Nitrat(+ N-Metabolite)
10% des Genomsantwortet auf Nitrat, aber nureinige Transkriptesind tatsächlichNitratspezifisch
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Nitrat Reduktase-defiziente MutanteNia 30 aus Tabak
Northern blot
Scheible et al (1997) Plant Cell 9, 783-798
• Nia 30 hat geringe Nitrat ReduktaseAktivität
• Transkripte der Nitratassilimlation sinderhöht
Wo sitzt der Nitratsensor?
SPROSS
WURZEL
NO3 NO3
NO2 NO2
NH4+
Gln
PLASTID
Nitritereductase
Nitratereductase
GS-GOGAT
NO3
NO2 NO2
NH4+
Gln
PLASTID
Nitritereductase
Nitratereductase
GS-GOGAT
NO3
Hier?
Hier?
Hier?
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Reprinted by permission from Wiley from Drew, M.C. (1975). Comparison of the effects of a localised supply of phosphate, nitrate and ammonium and potassium on the growth of the seminal root system, and the shoot, in barley. New Phytol. 75: 479-490.. Reprinted from Bouguyon, E., Gojon, A. and Nacry, P. (2012). Nitrate sensing and signaling in plants. Sem. Cell Devel. Biol. 23: 648-654, with permission from Elsevier. See also Gersani, M. and Sachs, T. (1992). Development correlations between roots in heterogeneous environments. Plant Cell Environ. 15: 463-469.
Bei hoher N-Verfügbarkeitproduzieren Pflanzenweniger Wurzelmassen
Wenn N ungleichmäßigverteilt ist, proliferierenWurzeln in N-reicheAreale
Wurzelwachstum passt sichder N-Verfügbarkeit an
Wie wird das reguliert?
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Der Nitrattransporter NRT1.1 ist ein Nitratsensor
Arabidopsis NRT1.1 ist ein “dual affinity” Nitrattransporter (HAT & LAT)
Die Mutation von NRT1.1 führt zueiner verminderten Entwicklungvon lateralen Wurzeln beiNitratgabe
Die Mutation beeinflußt nicht die Nitrataufnahme der Pflanze
Wild type NRT1.1 mutant
Low NO3
Low NO3
High NO3
High NO3
Remans et al (2006) PNAS 103, 19206
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Modell für den Nitratsensor: NO3-
konkurriert mit Auxin Transport
Beeckman, T. and Friml, J. (2010). Nitrate contra auxin: Nutrient sensing by roots. Devel. Cell. 18: 877-878 with permission from Elsevier. See also Krouk, G., et al and Gojon, A. (2010). Nitrate-regulated auxin transport by NRT1.1 defines a mechanism for nutrient sensing in plants. Devel. Cell. 18: 927-937; Mounier, E., et al and Nacry, P. (2014). Auxin-mediated nitrate signalling by NRT1.1 participates in the adaptive response of Arabidopsis root architecture to the spatial heterogeneity of nitrate availability. Plant Cell Environ. 37: 162-174; Forde, B.G. (2014). Nitrogen signalling pathways shaping root system architecture: an update. Curr. Opin. Plant Biol. 21: 30-36.
NRT1.1
NO3-
Auxin NRT1.1
NO3-
Auxin
Bei niedrigemNO3
--GehalttransportiertNRT1.1 Auxinvon der Wurzelspitzeund dasWachstum wirdunterdrückt
Bei hohem NO3- -
Gehalt wird derAuxin-transportdurch NRT1.1unterdrückt undWurzelwachstumgefördert
• Wurzelwachstum passt sich der N-Verfügbarkeit an
• N-Mangel löst ein systemisches Signal aus
• Nitrat wird von der Pflanze wahrgenommen und reguliert die Transkription
• Der Nitrattransporter NRT1.1 reguliert Wurzelwachstumüber konkurrierenden Auxintransport
• Offene Fragen: Wie können Pflanzen verschiedeneNährstoffe wahrnehmen und welche Hierachien gibt esin der Signaltransdukton?
Zusammenfassung: Stickstoffperzeption