A wider perspective on the barley leaf senescence connecting whole plant development and nitrogen availability

Abstract

Um genetische und metabolische Faktoren zu identifizieren, welche die Blattseneszenz während der Entwicklung einer Pflanze in Abhängigkeit von der Stickstoffverfügbarkeit regulieren, wurden die Primärblätter und die 4. Blätter von Gerstenpflanzen mit unterschiedlicher Stickstoffversorgung vergleichend untersucht. Neben den Chlorophyllgehalten, dem Wurzel/Spross-Verhältnis und Phytohormonveränderungen sind auch die Mengen verschiedener Anionen, das C/N-Verhältnis, globale Transkriptmuster und die globale metabolische Reorganisation analysiert worden. Des Weiteren wurden Phloemsäfte von Primärblättern hinsichtlich der entsprechenden Kohlenhydrat- und Aminosäuregehalte analysiert, um die jeweilige Exportaktivität zu untersuchen. Die im Rahmen dieser Arbeit erhobenen Daten zeigen, dass Gerstenblätter im Zuge des Seneszenzprozesses Veränderungen der Stickstoffverfügbarkeit wahrnehmen, den Ablauf der Blattseneszenz entsprechend anpassen und auf diese Weise das Wachstum der gesamten Gersten-pflanze ermöglichen. Dies wird vor allem durch die Veränderungen der Phytohormon-spiegel (trans-Zeatin und ABA), des Transkriptoms und des Metaboloms in Abhängigkeit vom jeweiligen Entwicklungszeitpunkt und Stickstoffstatus deutlich sichtbar. So werden unter Stickstoffmangel die Komponenten des Citratzyklus besonders 3 stark beeinflusst. Mit dieser metabolischen Reorganisation gehen entsprechende Veränderungen auf Transkriptebene einher. So wird die Expression der Gene, welche für die Pyruvatkinase, die Pyruvatdehydrogenase und die Pyruvat-Phosphat-Dikinase codieren, in Abhängigkeit von der Seneszenzphase und dem jeweiligen Stickstoffstatus reguliert.

In order to identify genetic and metabolic factors that regulate leaf senescence in response to whole plant development and N supply, chlorophyll content, root/shoot ratio, hormonal changes, anion levels, C/N ratio, transcriptomic and global metabolic rearrangements were analyzed in barley primary and 4th leaves at different nitrogen regimes. Moreover, phloem exudates of primary leaf were collected in EDTA solution and analyzed for sugar and amino acid levels to monitor export activity. The results showed that leaves undergoing senescence have a capacity to sense the availability of nitrogen and accordingly to modulate senescence progression and sustain barley plant growth. This is reflected by global hormonal (tZ and ABA), transcriptomic, and metabolic rearrangement in response to leaf development and N status. Especially, TCA cycle-components were affected under N deficiency condition. This metabolic rearrangement was also reflected by transcriptomic change. Such as, genes coding pyruvate kinase, pyruvate dehydrogenase, and pyruvate dikinase were regulated by senescence and N status.