Untersuchungen zur Charakterisierung der Aufnahme, des Transports und der Reduktion von Nitrat in Blättern und Wurzeln von Brassica napus L. und Lupinus albus L. unter Einsatz der kurzlebigen Radioisotope ¹¹C und ¹³N

Abstract

In dieser Arbeit wurde der Einfluss von Kalium auf die Aufnahme, den Transport und die Reduktion von Nitrat untersucht. Als Spezies mit einer bevorzugten Reduktion des Nitrats in den Blättern wurde <i>Brassica napus L.</i> (Sorte Liberator-00) gewählt, während <i>Lupinus albus L.</i> (Sorte Amiga) als Beispiel für eine Spezies mit überwiegender Nitrat-Reduktion in den Wurzeln diente.<br /> Unter Einsatz des kurzlebigen ¹³N wurden Aufnahmekinetiken von NO₃^- an Raps und Lupine erstellt, wobei zwischen Influx, Efflux und Netto-Aufnahme unterschieden wurde. Nach NH₄⁺-Ernährung reagieren beide Spezies beim ersten Kontakt mit NO₃^- mit einem Anstieg der Aufnahmerate, wobei ein Efflux von NO₃^- erst nach einigen Stunden einsetzt. Weiterhin wurde festgestellt, dass zur Induktion der NO₃^--Aufnahme bereits ein kurzfristiger NO₃^--Puls ausreicht. Raps und Lupine zeigen bei der Nitrataufnahme das charakteristische Bild von HATS (High Affinity Transport System) bei niedrigem und LATS (Low Affinity Transport System) bei hohem Nitratangebot. Die Aufnahmerate von Raps liegt dabei deutlich über den Aufnahmeraten von häufig untersuchten Spezies wie Gerste oder Weizen, während die Lupine eine deutlich niedrigere Aufnahmerate aufweist. <br /> Werden NO₃^--ernährte Pflanzen unter K⁺-Mangel angezogen, so sind NO₃^--Influx und NO₃^--Efflux reduziert. Wird den K-Mangelpflanzen wieder K⁺ angeboten, so steigt der Influx stärker als der Efflux und es kommt zu einer höheren Nettoaufnahme. Der Efflux nimmt erst zeitlich verzögert zu, so dass sich hier ein ähnliches Bild wie bei der Induktion der NO₃^--Aufnahme bei NH₄⁺-ernährten Pflanzen ergibt. In <i>Lupinus albus L.</i> NO₃^-, mit bevorzugter Reduktion von NO₃^- in der Wurzel, ist im Xylem-Exudat kein NO₃^- nachweisbar solange das NO₃^--Angebot unter 250 µM liegt. Bei <i>Brassica napus L.</i>, mit bevorzugter NO₃^--Reduktion im Blatt, tritt NO₃^- auch bei geringem Angebot im Xylem auf. <br /> In den Blättern der Lupine ist die Nitratreduktaseaktivität (NRA) erst bei einem Nitrat-Angebot von über 1 mM festzustellen, während sich die NRA in Spross und Wurzel der Lupine und in allen Organen von Raps auch bei einen NO₃^--Angebot von weniger als 100 µM bestimmen lässt. <br /> Unter K⁺-Mangel ist die NRA in beiden Spezies reduziert. Dabei kommt es zu einer Überlagerung von einer Hemmung der NRA durch Na⁺, das in Nährlösungen als ausgleichendes Kation für das fehlende K⁺ verwendet wurde, und einer vermutlich reduzierten Synthese der Nitratreduktase. <br /> Der Einsatz radioaktiver C-Isotope (¹¹C bzw. ¹⁴) lieferte widersprüchliche Daten. Bei einen Pulsexperiment zeigte die -K-Variante von <i>Brassica napus L.</i> eine höhere Verlagerung von Assimilaten in die Wurzel als die +K-Varianten. Bei einer kontinuierlichen Applikation lag der Transfer von Assimilaten jedoch deutlich niedriger als bei der +K-Variante bzw. einer Variante, die während des Versuchs auf Medium mit K⁺ umgestellt wurde. <br /> Der Gehalt an Malat in Blatt, Spross oder Wurzel wurde bei unterschiedlichem NO₃^--Angebot untersucht. Pflanzen im steady state lassen keinen großen Unterschied zwischen einem Angebot von 0,15 mM und 2,0 mM NO₃^- erkennen. Bei 0,15 mM NO₃^- ist allerdings das HATS aktiv, das einen höheren Energieeinsatz zur Aufnahme von NO₃^- als das bei 2 mM aktive LATS erfordert. Die höhere Malatkonzentration in der Wurzel der 150 µM NO₃^--Variante kann daher mit dem höheren Energiebedarf der Wurzeln zusammenhängen. <br /> Werden Raps und Lupine mit 150 µM NO₃^- angezogen, so ist unter K⁺-Mangel der Malatgehalt deutlich reduziert. Wird der K⁺-Mangel aufgehoben, so erfolgt ein starker Anstieg der Malatgehalte. Nach 1 d liegen die Werte deutlich über den Malatgehalten der +K-Variante, sie gehen aber in den folgenden Tagen langsam auf das Niveau der +K-Variante zurück. Die Induktion eines K⁺-Mangels führt zu einem langsamen Absinken der Malatgehalte in Raps oder Lupine. <br /> Wenn auch nicht unumstritten, so kann als Fazit der hier vorgestellten Untersuchungen das von <b>Ben Zioni et al.</b> (1971) vorgestellte Modell eines K⁺-Shuttles zwischen Xylem und Phloem zur Erklärung vieler der beschriebenen Effekte beitragen.

<strong>Studies to charaterize uptake, transport and reduction of nitrate in leaves and roots of Brassica napus L. and Lupinus albus L. using short-lived radio isotopes ¹¹C and ¹³N</strong><br /> This study examines the effect of potassium on nitrate uptake, nitrate transport and nitrate reduction in plants. Brassica napus L (species Liberator-00) was selected as a species with predominant nitrate reduction in the leaves, while Lupinus albus L. (species Amiga) was representing plants with a predominant reduction in the roots.<br /> Usage of the short-lived radioisotope 13N permitted to generate NO₃^---uptake kinetics of oilseed rape and white lupin with distinction between influx, efflux and net uptake. Upon first contact with NO₃^-following NH₄⁺-nutrition both species show an increasing uptake rate of nitrate. Initially nitrate efflux is missing but it starts after several hours. Further on it was stated that a short term pulse of NO₃^- is sufficient for induction of NO₃^--uptake.<br /> Oilseed rape and white lupin show the typical picture of nitrate uptake kinetics at low supply (HATS=high affinity transport system) or high supply (LATS=low affinity transport system). Nitrate uptake rate of oilseed rape is much higher than the one of commonly studied species like wheat or barley, while nitrate uptake rate of white lupin is much lower.<br /> Plants grown under K⁺-deficiency show lower NO₃^--influx and lower efflux. As soon as K⁺ is applied NO₃^--influx increases stronger than efflux, causing a higher net uptake of NO₃^-. Nitrate efflux increases after a lag period, showing a similar reaction like the induction of NO₃^--uptake after previous NH₄⁺-nutrition.<br /> In Lupinus albus L. where the roots are the main site for nitrate reduction it is not possible to detect NO₃^-- in xyleme exudate as long as NO₃^- supply is below 250 µM. For Brassica napus L., with preferred reduction of NO₃^- in the leaves, NO₃^- can be detected in xyleme exudate even at low supply.<br /> Nitrate reductase activity (NRA) in leaves of white lupin is not present at nitrate supply below 1 mM. However NRA can be determined in roots and shoot of white lupin as well as in all plant parts of oilseed rape even at NO₃^--supply lower than 100 µM.<br /> NRA in both species is reduced under K⁺-deficiency. For the deficient plants an interaction of inhibition of nitrate reductase (NR) by Na⁺, which is used to replace K⁺ as a cation in nutrient solutions, and a probably reduced synthesis of NR seems to take place.<br /> Using radiolabelled carbon-isotopes showed mismatching data. In a pulse experiment the K⁺-deficient plants of Brassica napus L. showed higher export of assimilates to the roots than the K+⁺-supplied control. At continuous application the transfer of assimilates to the root was much less in the -K-plants compared to +K plants or plants that have been switched from -K to +K medium during the experiment.<br /> The concentration of malate in leaves, stem or roots was checked at different levels of nitrate supply. Plants at steady state showed little difference between nitrate supply of 0.15 mM or 2.0 mM. Nevertheless at 0.15 mM the HATS is responsible for NO₃^- uptake, demanding an increased energy input for NO₃^- uptake than the LATS which is active at 2 mM. Increased malate concentration in the roots of the 150 µM-plants could be associated with the increased energy demand of the roots.<br /> Oilseed rape and white lupin, grown with 150 µM NO₃^-, showed reduced malate content under K⁺-deficiency. As soon as K⁺ is resupplied a strong increase of malate can be determined. One day after supply with K⁺ malate reaches a level above the one of continously K⁺-supplied plants, but during the next days the concentration declines. Induction of K⁺-deficiency slowly leads to a reduction of malate contents in oilseed rape and white lupin.<br /> Also not undisputed, the model of a K⁺-shuttle between xyleme and phloeme presented by Ben Zioni et al. (1971) can contribute to the explanation of the described effects.