Aspects of stomatal physiology during salt-stress-related disturbances of ion homeostasis

Franzisky, Bastian Leander

Doctoral Thesis

2020

Aspects of stomatal physiology during salt-stress-related disturbances of ion homeostasis

Franzisky, Bastian Leander

Diss_BLF.pdf (11.27 MB)

Abstract (English)

Soil salinity is a major challenge for agriculture, because most crop plants are sensitive to high salt concentrations in soil, an environment that results in reduced growth and yield. One major constraint imposed by salinity is the disruption of ion homeostasis attributable to the uptake competition of salts and nutrients and the accumulation of deleterious ions, which are toxic to plants at high concentrations. For a better understanding of ion-homeostasis-associated traits contributing to salt tolerance in salt-sensitive crops, such as Vicia faba and Zea mays, the capabilities of ion exclusion and tissue tolerance were assessed in diverse genotype selections under saline conditions. In addition, the impact of increased salt ion concentrations in leaves and in the apoplast on stomatal physiology and guard cell integrity was characterized in V. faba exposed to long term salinity in order to improve our knowledge of stomatal physiology and functioning under conditions of NaCl stress. The treatment of diverse V. faba varieties with 100 mM NaCl demonstrated that ion homeostasis-associated tolerance mechanisms are differentially managed for Na+ and Cl-. The longer-withstanding varieties were tolerant to the accumulation of Na+ suggesting that tolerance to Na+ predominantly occurred at the level of tissue tolerance after Na+ had entered the leaves. Conversely, tissue tolerance for Cl- was weak throughout all varieties suggesting that the tolerance to Cl- was facilitated instead by the restriction of the intrusion of Cl- into the plant’s shoots; this process might be crucial for the ability of V. faba to withstand NaCl salinity. The treatment of diverse Z. mays hybrids with mild and high doses of Cl- added to the soil revealed that most genotypes restricted Cl- root to shoot translocation. This suggests that Z. mays effectively prevents Cl- from entering the xylem and, thus, the acropetal transport of Cl-, thereby hindering harmful Cl- accumulations building up in the photosynthetically active leaf blades. A detailed analysis of guard cell physiology under long-term NaCl demonstrated that guard cell primary metabolism differentially responds to altered ion composition resulting from salt stress in comparison with whole leaf tissue in V. faba; such a differential response might be a prerequisite for the maintenance of guard cell functionality under conditions of stress, i.e. the adjustment of guard cell turgor that affects stomatal aperture and water loss. Moreover, the shift from a photoperiod dependent accumulation of sucrose in guard cells and the apoplast to a photoperiod independent under salinity suggests that a metabolic sucrose-mediated feedforward mechanism is involved in coordinating stomatal closure under conditions of long term NaCl and might be beneficial for reducing water loss under conditions of stress related carbon partitioning. In summary, this work shows that ion-homeostasis associated tolerance traits vary between crop species and that the differential metabolic acclimatisation of guard cells to disturbed ion homeostasis might represent an important aspect of tissue tolerance enabling the maintenance of stomatal regulation during long term salinity.

Abstract (German)

Die Anreicherung von Salz in Ackerböden stellt eine große Herausforderung für die Landwirtschaft dar, da die wichtigsten Kulturpflanzen salzsensitiv sind und es folglich zu Ernteausfällen kommen kann. Eine Folge der Bodensalinität ist die Störung der Ionenhomöostase der Pflanze, die aus der Konkurrenz zwischen Salzionen und Nährstoffen um die Aufnahme sowie der Akkumulation von schädlichen Salzionen resultiert. Um das Wissen über Toleranzmechanismen von salzsensitiven Kulturpflanzen wie der Ackerbohne (Vicia faba L.) und Mais (Zea mays L.) zu erweitern, wurden die physiologischen Eigenschaften die Aufnahme von Salzionen in die Pflanze zu vermindern (Ionenexklusion) und hohe Salzkonzentrationen in pflanzlichem Gewebe zu tolerieren (Gewebetoleranz) in unterschiedlichen Genotypen beider Spezies untersucht. Des Weiteren wurde der Einfluss von erhöhten Salzkonzentrationen in Blättern und dem Apoplast auf die stomatäre Physiologie und Schließzellintegrität in V. faba unter Salzstress charakterisiert. Die Behandlung einer Auswahl von 13 Ackerbohnensorten mit der Zugabe von 100 mM NaCl zur hydroponischen Nährlösung bis nekrotische Flecken auf den Blättern auftraten zeigte, dass Ionenhomöostase assoziierten Toleranzmechanismen der Ackerbohne bezüglich der Salzionen Na+ und Cl- unterschiedlich gehandhabt werden. Die widerstandsfähigeren Sorten waren gegenüber der Akkumulation von Na+ tolerant, was darauf hindeutet, dass die Toleranz gegenüber Na+ vorwiegend in Form von Gewebetoleranz nach der Aufnahme in die Pflanze auftritt. Die Gewebetoleranz für Cl- war bei allen Sorten schwach ausgeprägt, was impliziert, dass die Toleranz gegenüber Cl- durch die Limitierung des Cl- Transports in den Pflanzenspross erreicht wird. In Übereinstimmung mit der postulierten Cl--Empfindlichkeit von Leguminosen, stellt die Translokation von Cl- zum Pflanzenspross in V. faba einen Schlüsselprozess für die Toleranz gegenüber salzhaltigen Böden dar. Die Behandlung einer Auswahl von 8 Mais-Hybriden mit niedriger und hoher Zugabe von Chlorid zum Boden (63.2 und 757.1 mg Cl- kg-1 Boden TM; gegeben als CaCl2) zeigte, dass die physiologische Reaktion auf Cl- im Vergleich zu equimolarer Zugabe von z.B. Na+ schwächer ausfiel. Außerdem zeigten die Profile der Cl--Verteilung in den Maispflanzen, dass die meisten Hybriden die Cl--Translokation aus der Wurzel in den Pflanzenspross limitierten. Dies deutet darauf hin, dass Mais den Cl--Transport in das Xylem effektiv beschränkt und somit den akropetalen Cl--Transport verringert, was einer der Photosynthese schädlichen Akkumulation von Cl- in Blattspreiten vorbeugt. Die Untersuchung der Schließzellphysiologie von V. faba unter Salzstress zeigte, dass der Primärstoffwechsel von Schließzellen im Vergleich zum Gesamtblatt unterschiedlich auf eine gestörte Ionenhomöostase reagiert. Dies könnte eine wichtige Voraussetzung für die Aufrechterhaltung der Schließzellfunktionalität unter Salzstress sein, welche eine konstante Anpassung des Schließzellturgors und damit der stomatäre Apertur ermöglicht. Darüber hinaus wurde unter Salzstress die Veränderung einer von der Fotoperiode abhängigen Saccharose Akkumulation in Schließzellen und dem Apoplast zu einer permanenten, von der Fotoperiode unabhängigen Saccharose Akkumulation beobachtet. Dies weist auf einen metabolischen, Saccharose vermittelten ‚feedforward‘ Mechanismus hin, welcher an der Koordinierung des stomatären Schlusses unter Salzstress beteiligt ist und somit zur Reduktion des Wasserverlustes beiträgt. Diese Arbeit zeigt, dass Ionen-Homöostase assoziierte Toleranzmerkmale zwischen der Ackerbohne und Mais variieren und dass die vom Mesophyll abweichende metabolische Akklimatisation von Schließzellen an eine durch Salzionen gestörte Ionenhomöostase einen wichtigen Aspekt der Gewebetoleranz darstellen könnte, welcher die Aufrechterhaltung der stomatären Regulation während andauerndem Salzstress begünstigt.