Der Einfluss von elektrischen Signalen auf Anatomie und Physiologie ausgewählter Pflanzenarten

Abstract

Die elektrische Signalweiterleitung ist ein zentrales Element der pflanzlichen Anpassung auf eine sich verändernde Umwelt oder auftretende Stressfaktoren. Dafür finden sowohl langsamere Variations- als auch schnellere Aktionspotentiale Verwendung. Für die Analyse des Einflusses elektrischer Signale auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene wurde im ersten Teil dieser Arbeit ein sogenannter Rotationsversuch durchgeführt. Dabei wurden unterschiedliche Arten verholzender C3 (Mimosa pudica und Acer pseudoplantanus) und nicht verholzender C4 (Zea mays) Photosynthese betreibender Pflanzen untersucht. Diese wurden mehrmals täglich für 15 Minuten rotiert. Es wurde beobachtet, dass die physiologischen Veränderungen dem Reiz der Thigmomorphogenese mit vermindertem Wuchs entsprachen und während der Rotation waren elektrische Signale messbar. Das rotierte Gewebe zeigte einen geringeren Stickstoffgehalt. Zusätzlich war durch die Rotation eine Reizadaption bei den Mimosa pudica Pflanzen zu beobachten. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde das Thema der Signalverarbeitung simultaner unterschiedlicher Stimuli an Zea mays (C4) und Glycin max L. (C3) näher betrachtet. Diese Getreidearten sind besonders für die Welternährung relevant. Als Reize wurden die Wiederbewässerung nach Trockenstress (bei Bodenwassergehalten von 10 % – 20 %,) der Hitzestimulus sowie beide Stimuli in Kombination betrachtet. Dabei wurden im Besonderen Spurenelement- und Nährstoffzusammensetzungen, physiologische und makro- und mikroskopische Aspekte untersucht sowie Transmissionsmessungen im Terahertz Bereich vorgenommen, um sich ergebende Unterschiede analysieren zu können. Die Transmission zeigte nach Wiederbewässerung zunächst eine Zunahme des Wassergehaltes im Blattgewebe, der darauffolgende Hitzestimulus sorgte für eine kurzzeitige erneute Abnahme. Im Gaswechsel konnten geringe Unterschiede zwischen beiden Spezies beobachtet werden. Zusammenfassend nahm nach dem Hitzestimulus die Netto CO2 Aufnahmerate, die stomatäre Leitfähigkeit und die Transpirationsrate ab. Im Gegensatz dazu stiegen die zuvor genannten Parameter nach der Wiederbewässerung mit vorangegangenen Trockenstress. Insgesamt erschien die Kombination beider Stimuli im Vergleich zu dem jeweiligen Einzelreiz als Verknüpfung der zuvor beobachteten Antworten der Netto CO2 Aufnahmerate, stomatären Leitfähigkeit und Transpiration, sodass es zunächst zu einem Rückgang der Parameter mit anschließendem Anstieg kam. Die intrazelluläre CO2 Konzentration verlief immer entgegengesetzt. Auf elektrophysiologischer Ebene traten stärkere Unterschiede zwischen Glycine max L. und Zea mays auf. Glycine reagierte sowohl auf die Wiederbewässerung als auch auf den Feuerreiz mit Hyperpolarisation, die sich in Kombination beider Reize verstärkte und zeitlich verlängerte. Bei Zea war bei der simultanen Stimulation eine Hyperpolarisation (Hitzestimulus) mit anschließender Depolarisation (Wiederbewässerung) zu beobachten. Die Wachstumsversuche zeigten keine eindeutigen Tendenzen durch die verwendeten Stimuli in den untersuchten Spezies, sodass in Bezug auf die Biomasse und den C/N Gehalt keine deutlichen Unterschiede gefunden wurden. Es traten unterschiedliche Elementkonzentrationen durch die Stimuli auf, dabei war besonders die erhöhte Natriumkonzentration gegenüber der positiven Kontrolle auffällig.

Electrical signal transmission is a central element of plant adaptation to a changing environment or emerging stress factors. Slower variation as well as faster action potentials occured in the following cases. For the analysis of the influence of electrical signals on microscopic and macroscopic levels, in the first part of this work a so-called rotation experiment was performed. Different plant species of lignifying with C3 photosynthesis, Mimosa pudica and Acer pseudoplantanus, and non-woody C4 photosynthesis plant Zea mays were investigated. These were rotated several times a day for 15 minutes. It was observed that the physiological changes correspond to the stimulus of thigomorphogenesis with diminished growth. Electrical signals were measurable during rotation. No changes at the cellular level were detected. The rotated tissue showed a lower nitrogen content. In addition, a stimulus adaptation of the Mimosa pudica plants could be observed due to the rotation. In the second part of this thesis the topic of signal processing of simultaneous different stimuli on Zea mays (C4) and Glycine max L. (C3) was analyzed in more detail. These plants are particularly relevant for world nutrition. The following stimuli were used: reirrigation after drought stress (at soil water contents of 10% up to 20%), heat stimulus triggered by a lighter for 3 sec, and both stimuli in combination. In particular, trace element and nutrient compositions, physiological and growth aspects as well as transmission measurements in the terahertz range were carried out in order to be able to analyze the resulting differences. The transmission after reirrigation showed first an increase of the water content in the leaf tissue, the following heating provided for a brief renewed decrease. In the gas exchange small differences between the both species could be observed. In summary, the net CO2 uptake rate, stomatal conductivity and transpiration rate decreased after the heat stimulus. In contrast, the aforementioned parameters increased after reirrigation with previous drought stress. Overall, the combination of both stimuli in comparison to the respective individual stimuli appeared to be a combination of the previously observed responses of the net CO2 uptake rate, stomatal conductivity and transpiration, so that initially there was a decrease in the parameters followed by an increase. The intracellular CO2 concentration showed always a contrary development. On the electrophysiological level there were stronger differences between Glycine max L. and Zea mays. Glycine responded to both reirrigation as well as heat stimulation with hyperpolarization, which was amplified and prolonged over time in combination of both stimuli. In Zea, simultaneous stimulation was accompanied by a hyperpolarization (heat stimulus) with subsequent depolarization (reirrigation). The growth experiments did not show any clear tendencies due to the stimuli used in the studied species, so that in relation to biomass and C/N content no significant differences were found. Different element concentrations occurred due to the stimuli, especially the increased sodium concentration compared to the positive control was conspicuous.