Molekularbiologische Untersuchungen zur Schwermetall- und Salztoleranz in der Symbiose zwischen dem arbuskulären Mykorrhizapilz Glomus und Tomate

Ouziad, Fouad (2003). Molekularbiologische Untersuchungen zur Schwermetall- und Salztoleranz in der Symbiose zwischen dem arbuskulären Mykorrhizapilz Glomus und Tomate. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde anhand molekularbiologischer Methoden der Einfluß der Mykorrhizierung mit dem arbuskulären Mykorrhizapilz Glomus intraradices BrI bzw. Glomus geosporum auf die Schwermetall- bzw. Salztoleranz der Wirtspflanze Tomate unter-sucht. Mittels PCR-Experimenten wurden Teilsequenzen für Phytochelatin synthase- (LePCS), Metallothionein- (Lemt1, Lemt2, Lemt3, Lemt4), Nramptransporter- (LeNramp1, LeNramp2, LeNramp3), Aquaporin- (LePIP1, LePIP2, LeTIP) und Na+/H+-Antiportergene (LeNHX1, LeNHX2) aus Tomate amplifiziert und kloniert. Bei der Anzucht von Tomatenpflanzen unter Schwermetallbelastung, durch Verwendung von Schwermetallerde oder Zusatz von Schwermetallen (CdCl2), mit und ohne Glomus intra-radices BrI zeigen die erhaltenen Ergebnisse eine deutliche Stimulierung des Wachstums von mykorrhizierten Tomatenpflanzen im Vergleich zu den Kontrollpflanzen. Das LePCS-Gen ist unter den angegebenen Versuchsbedingungen konstitutiv exprimiert und dessen Expression wird unter Schwermetallstress durch die Mykorrhizierung nicht beeinflußt. Durch Northern-Analysen und Real-Time PCR-Quantifizierung wurde gezeigt, daß die Transkriptmengen von LeNramp1 und LeNramp2 mit der Mykorrhizierung und unter Schwermetallstress reduziert wird, wohingegen bei LeNramp3 keine Effekte bezüglich einer Mykorrhizierung zu beobachten sind. Transkript-Analysen der Metallothioneingene Lemt1, Lemt3 und Lemt4 wiesen keine deutlichen Unterschiede in der Expression zwischen mykorrhizierten und nicht mykorrhi-zierten Pflanzen unter Schwermetallbelastung auf. Im Gegensatz dazu konnte mittels Northern-Analysen und Real-Time PCR-Quantifizierung gezeigt werden, daß die Transkript.-menge von Lemt2 mit der Mykorrhizierung unter Schwermetallstress um den Faktor 12 reduziert wird. Durch RNA In situ-Hybridisierungen konnten Transkripte von LeNramp1 in den nicht myko-rrhizierten Wurzeln in unmittelbarer Umgebung des Zentralzylinders nachgewiesen werden. In den mykorrhizierten Wurzeln waren keine Signale nachweisbar. Lemt2 wird stark in den nicht mykorrhizierten jungen Wurzelbereichen in den Rindenparenchym- und Rhizodermis-zellen exprimiert. Im Gegensatz dazu ist die Expression von Lemt2 in den mykorhizierten Wurzeln auf einige Rindenparenchymzellen beschränkt. Unter den gegebenen Versuchsbedingungen läßt sich durch Vergleich der ermittelten Frischgewichte zwischen den mykorrhizierten und nicht mykorrhizierten Versuchspflanzen unter Salzstress keine Wachstumsstimulierung durch die Mykorrhizierung erkennen In den Wurzeln wird die Transkriptmenge von LePIP1 und LeTIP mit der Mykorrhizierung unter Salzbelastung herunterreguliert, während die Expression des LePIP2-Gens durch die Mykorrhizierung unter den gewählten Bedingungen nicht beeinflußt wird. In den Blättern mykorrhizierter Pflanzen sind für die drei Gene eine deutliche Erhöhung der Transkript-mengen unter Salzstress zu beobachten Unter den angegebenen Versuchsbedingungen wurde keine Induzierung der Na+/H+-Antiporter LeNHX1 und LeNHX2 unter Salzstress festgestellt. Durch Northern-Analysen konnten keine Unterschiede in der Expression beider Gene zwischen mykorrhizierten und nicht mykorrhizierten Tomatenpflanzen unter Salzbelastung beobachtet werden. Die Ergebnisse zeigen, daß die an der Schwermetall- bzw. Salztoleranz wahrscheinlich beteiligten Gene mit der Mykorrhizierung in der Transkriptionsrate in der Regel herunter-reguliert werden, allerdings von Gen zu Gen in unterschiedlichem Maße.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

The role of the arbuscular mycorrhizal (AM) fungi Glomus intraradices BrI respectively Glomus geosporum on heavy metal and salt tolerance in their host tomato was studied. Parts of the genes for phytochelatin synthase (LePCS), Metallothioneins (Lemt1, Lemt2, Lemt3, Lemt4), Nramptransporters (LeNramp1, LeNramp2, LeNramp3), aquaporins (LePIP1, LePIP2, LeTIP) and Na+/H+-antiporters (LeNHX1, LeNHX2), all from tomato, were amplified by PCR and sequenced. Tomato plants cultivated in the presence of heavy metals and inoculated with Glomus intraradices BrI showed a significant stimulation of growth in comparison to non-mycorrhizal plants. The gene for phytochelatin synthase was constitutively expressed. Any difference in the expression levels of LePCS between mycorrhizal plants and controls was not significant. The transcript levels of the Nramptransportergenes LeNramp1 and LeNramp2 were reduced in mycorrhizal tomato in comparison to controls but the transcript amount of LeNramp3 was the same as in controls. This result was shown by Northern analyses and real time PCR. Northern analyses and real time PCR showed that transcripts of Lemt2 are significantly reduced in mycorrhizal plants by the factor of 12, whereas transcript levels of Lemt1, Lemt3 and Lemt4 remain more or less unaltered in mycorrhizal plants in comparison to non-colonized controls. In-situ hybridization experiments showed that transcripts of LeNramp1 were localized near the central cylinder in non-colonized roots, whereas no signals were detectable in mycorrhizal roots. Non-mycorrhizal plants showed a strong expression of Lemt2 in the parenchyma and the rhizodermal cells, whereas the expression of Lemt2 in mycorrhizal roots is restricted to few cortical parenchyma cells. A significant difference in growth stimulation between plants colonized with Glomus geosporum and controls under salt stress was not detected. The transcript levels of LePIP1 and LeTIP were downregulated under salt stress in myco-rrhizal roots, whereas the transcript amount of LePIP2 was the same in controls. A significant increase in the expression of these three genes under salt stress was observed in the leaves of mycorrhizal plants. Differences in gene expression of LeNHX1 and LeNHX2 in mycorrhizal plants and controls under salt stress could not be observed. It is generally concluded that colonization of the roots by AM fungi affects the expression for genes coding for proteins presumably involved in salt or heavy metal resistance, respectively, however, from gene to gene in a different manner.

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