The interaction between aluminium toxicity and drought stress in common bean (Phaseolus vulgaris L.) [Elektronische Ressource] : physiological and molecular aspects / Zhongbao Yang

Zhongbao Yang

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2011
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Extrait

The Interaction between Aluminium Toxicity
and Drought Stress in Common Bean
(Phaseolus vulgaris L.)
Physiological and Molecular Aspects



Von der Naturwissenschaftlichen Fakultä t der
Gottfried Wilhelm Leibniz Universitä t Hannover
zur Erlangung des Grades

Doktor der Naturwissenschaften
Dr. rer. nat.
genehmigte Dissertation



von
Master of Agriculture Zhongbao Yang
geboren am 28.11.1979 in Tancheng, VR China


2011

























Referent: Prof. Dr. rer. agr. Walter J. Horst
Gottfried Wilhelm Leibniz Universitä t Hannover
Korreferent: Prof. Dr. rer. nat. Hans-Peter Braun
Gottfried Wilhelm Leibniz Universitä t Hannover
Tag der Promotion: 07.Juli 2011

ABSTRACT
Aluminium (Al) toxicity and drought are two major abiotic stress factors limiting common bean
(Phaseolus vulgaris L.) production in the tropics. The Al-impeded root growth may strongly limit the
water exploitation of roots from subsoil and thus less ability to withstand drought stress in the acid soils.
In light of the importance of root development under Al toxicity and drought stress, in this study the
short-term effects of combined Al toxicity and drought stress on root growth with special emphasis on
physiological and molecular mechanisms in the root apex was investigated.
Using hydroponics, PEG 6000 (polyethylene glycol)-induced osmotic (drought) stress reversed the
Al-induced inhibition of root elongation by reducing Al accumulation in the root tips in the Al-sensitive
genotype VAX 1, which was related to the reduction of cell-wall (CW) porosity resulting from
PEG 6000-induced dehydration of the root apoplast. Less Al stress in PEG-treated roots was confirmed
by the expression of the Al-sensitivity indicator genes: multidrug and toxin extrusion family protein
(MATE) and 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid oxidase (ACCO). Transcriptional analysis using
SuperSAGE (serial analysis of gene expression) and quantitative RT-PCR (qRT-PCR) suggested that
genes related to CW assembling and modification such as xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase
(XTH), glucan endo-1,3-beta-glucosidase (BEG) and hydroxyproline-rich glycoprotein (HRGP) play
important roles in PEG-induced decrease of CW porosity leading to reduced Al accumulation in root
tips. A large-scale proteomic analysis revealed that dehydrin (DHN) may play a key role in the
protection of osmotic stress-induced physical breakage of CW and thus the maintenance of reversible
CW extensibility.
Under soil conditions, drought reduced Al toxicity in the common bean genotype VAX 1, indicated as
the reversion of Al-induced enhancement of callose content and of MATE gene expression in the root
tips. However, in contrast to PEG-induced reduction of Al injury in hydroponics, combined Al and
drought stress in soil resulted in a more severe inhibition of root elongation than either stress alone. This
is consistent with enhanced further up-regulation by Al of the drought-induced ACCO gene involved in
the biosynthesis of ethylene by Al and the down-regulation by Al of drought-induced
genes/transcription factors in the root tips: the 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase (NCED) gene
involved in ABA biosynthesis, the transcription factors bZIP and MYB involved in the regulation of
ABA-dependent genes, the ABA-dependent sucrose synthase (SUS) gene, the late embryogenesis
abundant (PvLEA18) gene, the KS-type dehydrin (KS-DHN) gene, and the lipid transfer family protein
(LTP) gene.
Together, the results provide circumstantial evidence that PEG-induced osmotic stress and low soil
moisture alleviates Al toxicity, but Al renders the root apex more sensitive to low soil moisture
particularly by impacting the gene regulatory network involved in ABA signal transduction and ABA
signal cross-talk with other phytohormones necessary for maintaining root growth under drought.
Key words: aluminium toxicity and drought stress, common bean, cell wall porosity
I
KURZZUSAMMENFASSUNG
Aluminium (Al)-Toxizitä t und Trockenstress sind zwei wichtige abiotische Stressfaktoren, die die
Produktivitä t von Buschbohne (Phaseolus vulgaris L.) in den Tropen begrenzen. Durch Al-Angebot
gehemmtes Wurzelwachstum kann die Wasseraufnahme aus dem Unterboden stark beeinträ chtigen und
damit die Trockenresistenz von Buschbohne auf sauren Bö den vermindern. Angesichts der Rolle des
Wurzelwachstums fü r Al-Toxizitä t und Trockenstress wurde in dieser Arbeit die kurzfristige Wirkung
von kombiniertem Al und Trockenstress auf das Wurzelwachsum mit besonderer Berü cksichtigung
physiologischer und molekularer Mechanismen in der Wurzelspitze untersucht.
In Hydroponik verminderte PEG 6000 (Polyethylenglycol) induzierter osmotischer (Trocken) Stress
die Hemmung des Wurzellä ngenwachstums durch Al durch eine verminderte Al Akkumulation in der
Wurzelspitzen im Al-sensitiven Buschbohnengenotyp VAX 1. Dies wurde zurü ckgefü hrt auf eine
Verminderung der Zellwandporositä t hervorgerufen durch die Dehydrierung des Wurzelapoplasten
durch PEG. Geringerer Al Stress in PEG behandelten Wurzeln wurde bestä tigt durch eine verminderte
Expression Al-sensitiver Indikatorgene: multidrug and toxin extrusion family protein (MATE) and
1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid oxidase (ACCO). Eine Transcriptionsanalyse mit SuperSAGE
(serial analysis of gene expression) and quantitative RT-PCR (qRT-PCR) ergab, dass an der
Zellwandsynthese und -struktur beteiligte Gene wie z.B. Xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase
(XTH), Glucan endo-1,3-beta-glucosidase (BEG) und Hydroxyproline-rich glycoprotein (HRGP) eine
wichtige Rolle bei der durch PEG verursachten verminderten Zellwandporisitä t, die zu einer
verminderten Al Akkumulation in Wurzelspitzen fü hrt, spielen. Eine umfassende proteomische Analyse
ergab, dass Dehyrin eine Schlü sselrolle fü r den Schutz der Zellwand vor irreversibler Schä digung durch
Entwä sserung bei osmotischem Stress durch PEG zukommen kö nnte.
Im Boden fü hrte Trockenstress zu verminderter Al Toxizitä t. Hierauf ließ eine geringere Al-induzierte
Kallose-Bildung und Expression des MATE Genes schließ en. Im Unterschied zu einer geringeren
Hemmung des Wurzelwachstums durch Al in Gegenwart von PEG in Hydroponik, erhö hte Al-Angebot
im Boden die Hemmung des Wurzelwachstums durch Trockenstress. Dies ist konsistent mit einer
verstä rkten Heraufregulierung durch Al des an der Ethylen-Synthese beteiligten ACCO Gens und der
Herunterregulierung durch Al von durch Trockenstress verstä rkt exprimierten
Genen/Transkriptionsfaktoren in den Wurzelspitzen: des an der ABA-Synthese beteiligten
9-cis-Epoxycarotenoid dioxygenase (NCED) Gens, den Transkptionsfaktoren bZIP and MYB, die an der
Regulation ABA abhä ngiger Gene beteiligt sind, des ABA abhä ngigen Sucrose synthase (SUS) Gens,
des Late embryogenesis abundant (PvLEA18) Gens, des KS-type dehydrin (KS-DHN) Gens und des
Lipid transfer family protein (LTP) Gens. Insgesamt lassen die Ergebnisse darauf schließ en, dass PEG
indizierter osmotischer Stress und Trockenstress Al Toxizitä t vermindern. Aluminium-Angebot im
Boden macht die Wurzelspitze allerdings empfindlicher gegenü ber Trockenstress, da Al insbesondere
das die ABA Signaltransduktion regulierende Gen-Netzwerk und die Kommunikation von ABA mit
anderen Phytohormonen, was Voraussetzungen fü r die Aufrechterhaltung des Wurzelwachstums unter
Trockenstress sind, beeinträ chtigt.
Schlagworte: Aluminium-Toxizitä t und Trockenstress, Buschbohne, Zellwandporositä t
II
CONTENTS
ABSTRACT .......................................................................................................................... I
KURZZUSAMMENFASSUNG ........................ II
CONTENTS ...................... III
ABBREVIATIONS ............................................................................................................ VI
GENERAL INTRODUCTION ........................... 1
CHAPTER 1 ....................................................................................................................... 10
ALTERATION OF CELL-WALL POROSITY IS INVOLVED IN OSMOTIC STRESS-INDUCED
ENHANCEMENT OF ALUMINIUM RESISTANCE IN COMMON BEAN (PHASEOLUS VULGARIS L.) 10
Abstract ......................................................................................................................... 11
Introduction .................. 12
Materials and Methods ................................. 14
Plant materials and growing conditions .................................... 14
Diffusion of low molecular weight (LMW) PEG through DMTs and the effect of
LMW PEG on root growth and Al accumulation in the root apex............................ 15
Measurement of root-elongation rate ........................................................................ 15
Collection of root exudates and determination of organic acids in exudates and root
apices ...............................................