Abteilung Pflanzen-Biotechnologie

Sink-Source Interaktion

Wie arbeiten Organe einer Pflanze zusammen?

Regulation des Primärstoffwechsels: sink / source Interaktionen

Pflanzen sind die auf unserem Planeten bei weitem bedeutendsten Primärproduzenten - d.h. sie liefern die stoffliche Grundlage für das Leben auf unserem Planeten. Allerdings produzieren sie nur tagsüber, wenn Licht zur Verfügung steht. Nachts sind sie selbst Verbraucher von energiereichen Kohlenstoff-verbindungen. Die nebenstehende Abbildung zeigt die Aufnahme von CO2 [nmol/g Frischgewicht*h] durch zwei verschiedene Arabidopsis-Pflanzen über einen ganzen Tag mit einer Lichtphase von morgens 8:00 Uhr (480 min) bis abends 16:00 Uhr (960 min). In der Nacht ist die Bilanz negativ, d.h. die Pflanze atmet. Die Wurzel atmet während des gesamten Tag-Nacht Wechsels. Wurzelatmung ist nicht leicht zu messen: Wenn Pflanzen in Erde wacchsen, sind die Wurzeln mit Mikroorganismen assoziiert, die einen erheblichen Beitrag zur CO2-Freisetzung liefern. Zieht man die Pflanzen in hydroponischen Kulturen an, ist es methodisch schwierig, die CO2-Abgabe an das Medium zu messen. Wir haben ein Verfahren entwickelt, bei dem wir Wurzelatmung in aeroponischer Kultur messen koennen. Dieses Verfahren erlaubt es, den Kohlenstoff-Austausch einer ganzen Pflanze mit ihrer Umgebung zu bilanzieren.

Während der Lichtphase erzeugt die Pflanze Kohlenhydrate, die dem Aufbau der Biomasse dienen – aber auch zur Deckung des Energiebedarfs verbraucht werden. Tagsüber bilden die grünen Blätter viel mehr Kohlenhydrate als sie selbst benötigen. Einen Teil davon speichern sie für die Nacht, den Rest geben sie an andere Organe ab: die jungen, noch wachsenden Blätter, die Wurzel, die dafür Wasser und Mineralien liefert, oder die Blüte, die die Fortpflanzung sicherstellt.
Blätter, die mehr Kohlenhydrate bilden, als sie verbrauchen, werden als "Quellen" (sources) bezeichnet. Organe, die mehr importieren als exportieren, werden "Senken" (sinks) genannt. In der Pflanze arbeiten sources und sinks in enger Abstimmung miteinander: verbraucht werden kann nur, was auch vorhanden ist – aber wie viel produziert wird, hängt auch von der Nachfrage ab. Wir gehen der Frage nach, wie die Abgabe geregelt wird: bestimmen die Blätter, wie viel sie "hergeben" - oder müssen sie liefern, was die Verbraucher benötigen?

Bei den Beziehungen zwischen sources und sinks spielen neben den Transportvorgängen im Phloem die Speicherkohlenhydrate eine wichtige Rolle. Wir  gehen der Frage nach, ob eine effizientere "Einlagerung" von Zuckern in Pflanzenzellen die Photosyntheseleistung steigern kann. Für die Speicherung der Zucker ist von großer Bedeutung, in welchem Zellkompartiment sie abgelegt werden: während die Vakuole ein nahezu unbegrenztes Reservoir darstellt, kann die Anhäufung von Stärke in Plastiden die Photosyntheseleistung drosseln. Dennoch ist Stärke bei den meisten Pflanzen das wichtigste Speicherkohlenhydrat. Wir untersuchen, wie die Pflanze ermittelt, welche Menge an Stärke sie einlagert, um ihr Wachstum im Tag-Nacht Wechsel zu optimieren.
Da Kohlenhydrate nicht nur transportiert werden, sondern in den sources auch als Speicher für die Nacht dienen, ergibt sich eine komplexe Dynamik der Zucker pools, die wir mit Hilfe von Methoden der mathematischen Modellierung untersuchen. Die Situation wird noch komplizierter durch den Umstand, dass Zucker auch in die Osmoregulation der Zelle involviert sind und bei der Akklimatisierung an ungünstige Umweltbedingungen als Zellschutz-Moleküle anghäuft werden. Auch dieser Umwelt-Interaktion gehen wir nach.

Publikationen zum Thema

  1. Küstner, L., Nägele, T., Heyer, A.G.: Mathematical modeling of diurnal patterns of carbon allocation to shoot and root in Arabidopsis thaliana. npj Systems Biology and Applications. 5, 4-- (2019).
  2. Brauner, K., Birami, B., Brauner, H.A., Heyer, A.G.: Diurnal periodicity of assimilate transport shapes resource allocation and whole-plant carbon balance. The Plant Journal. 94, 776–789 (2018).
  3. Birami, B., Gattmann, M., Heyer, A.G., Grote, R., Arneth, A., Ruehr, N.: Heat waves alter carbon allocation and increase mortality of Aleppo pine under dry conditions. Frontiers in Forests and Global Change. 1, 8 (2018).
  4. Brauner, K., Stutz, S., Paul, M., Heyer, A.G.: Measuring whole plant CO2 exchange with the environment reveals opposing effects of the gin2–1 mutation in shoots and roots of Arabidopsis thaliana. Plant Signaling Behav. 10, e973822 (2015).
  5. Brauner, K., Hörmiller, I., Nägele, T., Heyer, A.G.: Exaggerated root respiration accounts for growth retardation in a starchless mutant of Arabidopsis thaliana. Plant J. 79, 82--91 (2014).
  6. Nägele, T., Stutz, S., Hörmiller, I.I., Heyer, A.G.: Identification of a metabolic bottleneck for cold acclimation in Arabidopsis thaliana. Plant J. 72, 102–114 (2012).
  7. Zuther, E., Hoermiller, I.I., Heyer, A.G.: Evidence against sink limitation by the sucrose-to-starch route in potato plants expressing fructosyltransferases. Physiol. Plant. 143, 115--125 (2011).
  8. Wingenter, K., Trentmann, O., Winschuh, I., Hörmiller, I.I., Heyer, A.G., Reinders, J., Schulz, A., Geiger, D., Hedrich, R., Neuhaus, H.E.: A member of the mitogen-activated protein 3-kinase family is involved in the regulation of plant vacuolar glucose uptake. Plant J. 68, 890--900 (2011).
  9. Henkel, S., Nägele, T., Hörmiller, I., Sauter, T., Sawodny, O., Ederer, M., Heyer, A.G.: A systems biology approach to analyse leaf carbohydrate metabolism in Arabidopsis thaliana. EURASIP Journal on Bioinformatics and Systems Biology. 2011, 2 (2011).
  10. Wingenter, K., Schulz, A., Wormit, A., Wic, S., Trentmann, O., Hoermiller, I.I., Heyer, A.G., Marten, I., Hedrich, R., Neuhaus, H.E.: Increased Activity of the Vacuolar Monosaccharide Transporter TMT1 Alters Cellular Sugar Partitioning, Sugar Signaling, and Seed Yield in Arabidopsis. Plant Physiol. 154, 665--677 (2010).
  11. Nägele, T., Henkel, S., Hörmiller, I., Sauter, T., Sawodny, O., Ederer, M., Heyer, A.G.: Mathematical modeling of the central carbohydrate metabolism in Arabidopsis reveals a substantial regulatory influence of vacuolar invertase on whole plant carbon metabolism. Plant Physiol. 153, 260--272 (2010).
  12. Livingston, D.P., Hincha, D.K., Heyer, A.G.: Fructan and its relationship to abiotic stress tolerance in plants. Cellular and Molecular Life Sciences. 66, 2007--2023 (2009).
  13. Hincha, D.K., Livingston, D.P., Premakumar, R., Zuther, E., Obel, N., Cacela, C., Heyer, A.G.: Fructans from oat and rye: Composition and effects on membrane stability during drying. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes. 1768, 1611--1619 (2007).
  14. Hannah, M.A., Kramer, K.M., Geffroy, V., Kopka, J., Blair, M.W., Erban, A., Vallejos, C.E., Heyer, A.G., Sanders, F.E.T., Millner, P.A., Pilbeam, D.J.: Hybrid weakness controlled by the dosage-dependent lethal (DL) gene system in common bean (Phaseolus vulgaris) is caused by a shoot-derived inhibitory signal leading to salicylic acid-associated root death. New Phytol. 176, 537--549 (2007).
  15. Hannah, M.A., Zuther, E., Buchel, K., Heyer, A.G.: Transport and metabolism of raffinose family oligosaccharides in transgenic potato. J. Exp. Bot. 57, 3801--3811 (2006).
  16. Zuther, E., Kwart, M., Willmitzer, L., Heyer, A.G.: Expression of a yeast-derived invertase in companion cells results in long-distance transport of a trisaccharide in an apoplastic loader and influences sucrose transport. Planta. 218, 759--766 (2004).
  17. Heyer, A.G., Raap, M., Schroeer, B., Marty, B., Willmitzer, L.: Cell wall invertase expression at the apical meristem alters floral, architectural, and reproductive traits in Arabidopsis thaliana. Plant Journal. 39, 161–169 (2004).
  18. Heyer, A.G., Wendenburg, R.: Gene Cloning and Functional Characterization by Heterologous Expression of the Fructosyltransferase of Aspergillus sydowi IAM 2544. Applied and Environmental Microbiology. 67, 363–370 (2001).
  19. Wolff, D., Czapla, S., Heyer, A.G., Radosta, S., Mischnick, P., Springer, J.: Globular shape of high molar mass inulin revealed by static light scattering and viscometry. Polymer. 41, 8009--8016 (2000).
  20. Hellwege, E.M., Czapla, S., Jahnke, A., Willmitzer, L., Heyer, A.G.: Transgenic potato (Solanum tuberosum) tubers synthesize the full spectrum of inulin molecules naturally occurring in globe artichoke (Cynara scolymus) roots. Proceedings of the National Academy of Sciences. 97, 8699–8704 (2000).

Home

 

Abteilung Pflanzen-Biotechnologie

Pfaffenwaldring 57 , 70569 Stuttgart