Die Suche nach Nährstoffspeicherung in der mehrjährigen Pflanze Arabis alpina

Aufgrund der unterschiedlichen lebensgeschichtlichen Strategien können Pflanzen in einjährige und mehrjährige Pflanzen unterteilt werden. Einjährige Pflanzen vollenden ihren Lebenszyklus von der Keimung bis zur Samenbildung innerhalb einer Vegetationsperiode, wobei mehrjährige Pflanzen etliche Jahre überleben und dementsprechend mehrmals Samen bilden.
Im Gegensatz zu einjährigen Pflanzen, welche die Mehrheit der Nährstoffe für die Samenproduktion am Ende der Vegetationsperiode verwenden, haben mehrjährige Pflanzen bestimmte Anpassungen für die Speicherung der Nährstoffe entwickelt, die dann für die Wachstumsprozesse in der darauffolgenden Vegetationsperiode genutzt werden. Diese sind entweder spezialisierte Pflanzenorgane oder Gewebe.

Die wohl bekanntesten Beispiele für Speicherorgane sind die Knollen der Kartoffel oder die Stolonen des Hundszahngrases, in welchen Stärke während der Dormanzperiode akkumuliert wird.
Bäume passten bestimmte Gewebe des Baumstamms für die Nährstoffspeicherung an. Demnach wird der während der Blattseneszenz frei werdende Stickstoff in den Parenchymzellen der Rinde und des Holzes der Pappel in Form der sogenannten „bark storage“ Proteine gespeichert. Außerdem speichern Pappeln in den Parenchymzellen der Rinde und des Holzes Schwefel als Sulfat. Auch Kambiumgewebe der Baumstämme können als Speichergewebe fungieren, was für Stärke- und Lipidspeicherung im Fall von Cryptomeria japonica (dt. Sicheltanne) gezeigt wurde.
Wir möchten die komplett unerforschte Frage der Nährstoffspeicherung und deren Bezug zur Mehrjährigkeit mit Hilfe der arktisch-alpinen mehrjährigen Modellpflanze Arabis alpina (dt. Alpen-Gänsekresse) aus der Familie Brassicaceae beantworten. Das komplette Projekt wurde daher aus dieser Idee neu entwickelt.

A. alpina weist keine offensichtlichen Strukturen zur Nährstoffspeicherung auf. Der oberirdische Teil der Pflanze kann jedoch in seneszierende Samen bildende und vegetative überlebende Bereiche unterteilt werden.
Nach Entwicklung der Idee und der Projektplanung gab es für uns einige grundlegende Schritte anzugehen. Wir haben mit Beobachtungen angefangen. Hierzu haben wir uns überlegt, die Nährstoffspeicherung mit Hilfe einer einfachen Methode zu lokalisieren. Bei der Methode handelte es sich um das Anfertigen der Schnitte durch unterschiedliche Pflanzengewebe während der unterschiedlichen Wachstumsstadien der Pflanze. Anhand unserer Beobachtungen erhielten wir schließlich den Hinweis darauf, dass die Nährstoffspeicherung in A. alpina in einem Zusammenhang mit dem sekundären Dickenwachstum steht, weswegen wir auch nun unser Zielgewebe identifiziert haben. Wir wissen außerdem, wie unser Zielgewebe sich mit der fortschreitenden Zeit entwickelt. Aufgrund dieser Erkenntnisse können wir nun unsere Ziele im Kontext des gesamten Projekts verfeinern und weitere Experimente durchführen, die uns den Aufschluss darüber geben, welche regulatorischen Wege die Hauptrolle beim sekundären Dickenwachstum und der damit verbundenen Nährstoffspeicherung in A. alpina eine Rolle spielen.

Die Mehrheit der für die Grundnahrungsmittelproduktion angebauten Pflanzen ist einjährig. CEPLAS Research Area A befasst sich mit der Identifizierung und der Charakterisierung der Merkmale mehrjähriger Pflanzen, wobei das übergeordnete Ziel schließlich die durch das Anwenden dieser Kenntnisse erzielte Ertragssteigerung ist. Durch die von uns erzielten Erkenntnisse im Bereich des Themas sekundäres Dickenwachstum und die damit verbundene Speicherung von Nährstoffen hoffen wir dabei unseren Beitrag zu leisten.

Anna Sergeeva, Institut für Botanik, HHU

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Planter’s Punch

Unter der Rubrik Planter’s Punch wird jeden Monat ein bestimmter Aspekt des CEPLAS Forschungsprogramms vorgestellt. Alle Beiträge werden von Mitgliedern der Graduiertenschule und des Postdoc Programms erstellt.

Zugehörige Publikation

Begum, S., Nakaba, S., Oribe, Y., Kubo, T., Funada, R. (2010) Changes in the localization and levels of starch and lipids in cambium and phloem during cambial reactivation by artificial heating of main stems of Cryptomeria japonica trees. Annals of Botany, 106(6), 885-895. [Abstract]

Dürr, J., Bücking, H., Mult, S., Wildhagen, H., Palme, K., Rennenberg, H., Ditengou, F., Herschbach, C. (2010) Seasonal and cell type specific expression of sulfate transporters in the phloem of Populus reveals tree specific characteristics for SO42- storage and mobilization. Plant Molecular Biology, 72(4), 499-517. [Abstract]

Wang, R., Farrona, S., Vincent, C., Joecker, A., Schoof, H., Turck, F., Alonso-Blanco, C., Coupland, G., Albani, M. C. (2009) PEP1 regulates perennial flowering in Arabis alpina. Nature, 459, 423-427. [Abstract]

Wildhagen, H., Dürr, J., Ehlting, B., Rennenberg, H. (2010) Seasonal nitrogen cycling in the bark of field-grown grey poplar is correlated with meteorological factors and gene expression of bark storage proteins. Tree Physiology, 30, 1096-1110. [Abstract]

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Heinrich Heine University
University of Cologne
Max Planck Institute for Plant Breeding Research
Forschungszentrum Jülich