Funktionelle Aspekte des Kohlenhydratmetabolismus während der Mykorrhizierung von Tabak (Nicotiana tabacum)

Abstract

Die mutualistische Interaktion der arbuskulären Mykorrhiza (AM) ist durch den Nährstoffaustausch zwischen Pflanze und Pilz charakterisiert: Die obligath biotrophen AM-Pilze stellen den Pflanzen Mineralstoffe (v.a. mit Phosphat) und Wasser zur Verfügung und erhalten umgekehrt pflanzliche Kohlenhydrate, die vom Pilz in Form von apoplastischen Hexosen (v.a. Glucose) aufgenommen werden können. Die Spaltung von Saccharose, der Haupttransportform von assimiliertem Kohlenstoff zu den heterotrophen sink-Organen, erfolgt durch pflanzliche Saccharose-Synthasen oder Invertasen. In der Interaktion von Tomate (Lycopersicon esculentum) mit dem AM-Pilz Glomus intraradices wurden eine lokale Promoteraktivierung sowie erhöhte Transkriptakkumulationen der apoplastischen Tomateninvertase LIN6 im Bereich pilzlicher Strukturen und im Phloem detektiert. Um den Einfluss erhöhter Invertaseaktivitäten der Wurzel auf die Ausbildung der AM zu untersuchen, wurden transgene Tabakpflanzen (Nicotiana tabacum) genutzt, die unter dem Alkohol-induzierbaren Promotor das Gen einer Apoplasten-lokalisierten Hefe-Invertase exprimieren. Mittels gering konzentrierter wässriger Acetaldehydlösungen wurde eine lokale Aktivierung dieses Promotors ermöglicht. Trotz erhöhter Invertaseaktivität im Wurzelapoplasten und dadurch erhöhter Hexosegehalte konnten keine Effekte auf die Ausbildung und Morphologie der AM, die Akkumulation pilzspezifischer Fettsäure (C16:1Δ11) oder AM-induzierter pflanzlicher Sekundärmetabolite (Cyclohexenon- und Mykorradicin-Derivate) festgestellt werden. Änderungen in der Phosphatversorgung oder der Salzstresstoleranz der Pflanze waren ebenfalls nicht nachweisbar. Reduzierte apoplastische Invertaseaktivität und Hexosegehalte der Wurzel, durch wurzelspezifische Expression eines Inhibitors saurer Invertasen, führten dagegen zu einer verringerten Mykorrhizierung. Die konstitutive Überexpression der Apoplasten-lokalisierten Hefe-Invertase in Tabak zeigte eine regulatorische Funktion apoplastischer Invertasen in der AM auf Ganzpflanzenniveau. Stark erhöhte Invertaseaktivitäten im Apoplasten der Blätter führten zu einer erhöhten Akkumulation von Hexosen und PR-Gentranskripten in den source-Blättern und einer reduzierten Mykorrhizierung. Moderat erhöhte apoplastische Invertaseaktivitäten der Blätter hatten demgegenüber eine Stimulierung der AM zur Folge. Die Wurzeln dieser Pflanzen wiesen reduzierte Gehalte phenolischer Verbindungen, Amine und einiger Aminosäuren sowie erhöhte Abszissinsäuregehalte auf.

The mutualisitic association of arbuscular mycorrhiza (AM) is characterized by an exchange of nutrients: The fungus assists the plant with the uptake of mineral nutrients (mainly phosphate) and water from the soil, whereas the plant supplies the obligath biotrophic fungus with carbon - most likely in form of apoplastic hexoses. The cleavage of sucrose, the main form in which photosynthetically fixed carbon is translocated to the sink tissues, can be performed by plant sucrose synthases or invertases. Upon colonization with the AM-fungus Glomus intraradices promoter activation and transcript accumulation of the apoplastic invertase LIN6 near fungal structures and in the phloem cells of tomato (Lycopersicon esculentum) was shown. To analyze the role of apoplastic invertases during AM, transgenic tobacco plants (Nicotiana tabacum) expressing the chimeric gene for apoplast located yeast-derived invertase under control of an alcohol-inducible (alc) promoter system were investigated. Using low concentrated acetaldehyde the alc promoter could be locally activated. However, the formation of mycorrhizal structures as well as the accumulation of fungal specific fatty acid (C16:1Δ11) or AM-induced plant secondary metabolites (cyclohexenone- and mycorradicin-derivatives) was not affected. Additionally, no effect on the phosphate content or on the transcript accumulation of salt stress-inducible genes of mycorrhizal plants due to the increased invertase activity was found. In contrast, reduced apoplastic invertase activity, accomplished by root-specific expression of an inhibitor of acid invertases, resulted in depressed mycorrhization. A regulatory function of apoplastic invertases on AM on whole plant level was revealed by constitutive expression of the apoplast-located yeast invertase. Strongly increased invertase activity in the leaf apoplast led to hexose and PR gene transcript accumulation and reduced mycorrhization. Moderately increased invertase activity, however, resulted in a stimulation of mycorrhization. The roots of those plants were characterized by decreased levels of phenolic compounds, amines and some amino acids and a higher content of abscisic acid.