Untersuchung von Zusammenhängen zwischen pflanzlichen Emissionen und pflanzeninternen Signalmolekülen und Enzymaktivitäten

  • Determination of connections between plant emissions and plant internal signal molecules and enzyme activities

Miebach, Marco; Slusarenko, Alan (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2008)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Kurzfassung

Pflanzen können Duftstoffe aus ihren Blüten, Blättern und Früchten emittieren, die den Pflanzen als Lockstoffe, Abwehrstoffe oder Signalsubstanzen dienen können. Viele Pflanzen emittieren konstitutiv eine Reihe verschiedener Mono- und Sesquiterpene. Drüber hinaus gibt es aber auch induzierbare Emissionen. Die Einwirkung von Stressoren wie z. B. Fraßfeinden, Bakterien, Pilzen oder Ozon führt in Pflanzen zur Neusynthese und Emission von Abwehrstoffen und Signalmolekülen. Diese werden hauptsächlich über den Octadecanoid und Shikimatweg gebildet. Im Octadecanoidweg werden Alkohole und Aldehyde (überwiegend C6-Verbindungen) ausgehend von freien Fettsäuren über eine Enzymkaskade (Lipase, Lipoxygenase, Hydroperoxidlyase) gebildet und emittiert. Der Shikimatweg ist wichtig für die Bildung des wichtigen Pflanzenhormons Salicylsäure (SA). Nach anschließender Methylierung kann SA als das flüchtige Salicylsäuremethylester (MeSA) in die Atmosphäre emittiert werden. Ziel dieser Arbeit war, bei der Modellpflanze Tomate (cv. Moneymaker) zu prüfen, inwiefern stressinduzierte Emissionen Rückschlüsse auf bestimmte stressinduzierte pflanzeninterne Enzymaktivitäten oder Substratkonzentrationen zulassen. Das würde eine nicht invasive Messung solcher pflanzeninterner Größen erlauben. Zum einen sollte geprüft werden, ob sich die Emissionen von Blattalkoholen und -aldehyden (GLA: green leaf alcohols/aldehydes) eignen, Aussagen über die Enzymaktivitäten der Lipase, Lipoxygenase und Hydroperoxidlyase oder über Substratkonzentrationen im Octadecanoidweges zu treffen. Die Messung der GLAs erfolgte online mittels GC/MS, die Zwischen-produkte (freie Fettsäuren, Hydroperoxyfettsäuren) wurden mittels HPLC gemessen und die Enzymaktivitäten mittels UV/VIS-Spektrometrie. Eine gute Korrelation zwischen den Emissionen und einer bestimmten Enzymaktivität bzw. Substrat-konzentration wäre dabei einen Hinweis auf den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt in dieser Kaskade. Zum anderen sollte geprüft werden, ob sich die Emissionen von MeSA eignen, auf die endogenen Konzentrationen von SA rückzuschließen. Auch hier wurde versucht, die Emission von MeSA mit der endogenen SA-Konzentration zu korrelieren. Die Messung der MeSA-Emission erfolgte dabei ebenfalls online mittels GC/MS, die der endogenen Salicylsäure- konzentrationen mittels HPLC. Ozonexposition und Pilzinfektion (Botrytis cinerea) wurden als abiotischen bzw. biotischen Stressoren angewendet. Die Stressantwort der Tomatenpflanzen auf die Ozonexposition erfolgte mit einer Zeitverzögerung zwischen 1 und 3 Stunden nach Beendigung der Ozonzugabe. Die Pflanzen reagierten mit der Emission von Methanol, GLAs und MeSA sowie mit der Erhöhung der Emissionen von Mono- und Sesquiterpenen. Pflanzen wurden aus der Kammer entnommen, unter Flüssigstickstoff in einem Möser schockgefroren, homogenisiert und bis zur Extraktion und Messung der Enzymaktivitäten und der Salicylsäurekonzentrationen bei -80°C gelagert. Während die GLA-Emissionen keine guten Korrelation zu den Lipase- und Hydroperoxid-lyaseaktivitäten aufwiesen (0,19 bzw. 0,41), wurde eine gute Korrelation zwischen der Lipoxygenaseaktivität und den stressinduzierten Emissionen gefunden (0,82). Das deutet auf die Lipoxygenaseaktivität als geschwindigkeitsbestimmenden Schritt bei der GLA-Emission hin. Freie Fettsäuren waren sowohl in Kontroll- als auch in gestressten Pflanzen in ähnlicher Größenordnung vorhanden. Eine Substratlimitierung durch geringe Verfügbarkeit freier Fettsäuren als geschwindigkeitsbestimmender Schritt scheint damit unwahrscheinlich. Die Konzentration an Hydroperoxyfettsäuren lag immer unterhalb der Bestimmungsgrenze, womit auch eine Substratlimitierung der Hydroperoxidlyase auch als "bottle neck" bei der GLA Emission angesehen werden kann. Auch eine solche Substrat- limitierung sollte sich in der gefundenen guten Korrelation zwischen GLA Emissionen und Lipoxygenaseaktivität bemerkbar machen. Aufgrund dieser guten Korrelation ist es bei Botrytisbefall und Ozonflussdichten zwischen 3*10-8 - 8*10-8 mol m-2 s-1 möglich, von der Emissionsstärke der GLAs direkte Rückschlüsse auf die Lipoxygenaseaktivität machen. Dennoch sind die GLA-Emissionen nicht uneingeschränkt zur Bestimmung der Lipoxygenaseaktivität geeignet. Insbesondere bei hohen Ozonflussdichten zeigen sich durch eine starke Erhöhung der Emissionen starke Abweichungen vom linearen Zusammenhang zwischen der Emissionsstärke und der Lipoxygenase-Aktivität. Auch zwischen den MeSA-Emissionen und den Gehalten an freier Salicylsäure in den Pflanzen wurde ein recht guter Zusammenhang gefunden, die es erlauben sollte von den MeSA Emissionen auf SA Konzentrationen zu schließen. Insgesamt zeigte sich, dass Rückschlüsse über bestimmte pflanzeninterne Enzymaktivitäten und Stoffmengen über flüchtige Emissionen möglich sind. Diese Emissionen erlauben daher eine nicht invasive Bestimmung dieser Größen mit recht guter Zeitauflösung.

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