Sensing the response of sugar beet and spring barley to abiotic and biotic stresses with proximal fluorescence techniques

Abstract

The aim of these studies was to evaluate the potential of non-destructive fluorescence techniques for the detection and differentiation of abiotic and biotic stress situations. For this purpose, sugar beet cultivars were grown under water shortage and low nitrogen supply, and inoculated with powdery mildew (<em>Erysiphe betae</em> (Vanha) Weltz.). With focus on drought stress, we investigated the impact of recurrent drought on the ‘drought memory’ and the physiological performance of the plants. Finally, spring barley cultivars of different susceptibly to powdery mildew (<em>Blumeria graminis</em> f. sp. <em>hordei</em> (DC.) Speer) and leaf rust <em>(Puccinia hordei</em> G.H. Otth.) were used to exploit the pathogen-plant interaction and the consequences for the fluorescence signature at leaf level. Here, the major aim was to analyse genotype-specific responses using spectrally-resolved and imaging-based fluorescence techniques. Experiments were structured in individual chapters, and results can be summarized as follows:<br /> 1. Mul t i -paramet ric fluorescence recording was a valuable tool to sense abiot ic and biot ic st ress symptoms in sugar beet plants . However, a robust differentiation of individual stresses by one specific fluorescence index was not possible. The most relevant fluorescence indices to detect water deficit and/or powdery mildew infection were the ‘Simple Fluorescence Ratio’ (SFR_G) and the ‘Nitrogen Balance Index’ (NBI_G), particularly due to their strong relationship with the chlorophyll concentration. In general, of the evaluated stress factors water deficit had the most pronounced impact on plant physiology.<br /> 2. Fluorescence indices based on the far-red chlorophyll fluorescence were reliable indicators for sensing temporary drought stress in sugar beet, regardless of whether the genotypes were cultivated in the field or under greenhouse conditions. This was particularly applicable for the ‘Blue-to-Far-Red Fluorescence Ratio’ (BFRR_UV) and the SFR_G. For the latter, we demonstrated that green light excitation was found to be the best suitable light source for chlorophyll fluorescence recordings, as it better reveals the responses of the stressed sugar beet plants. Besides, all evaluated cultivars had distinct responses concerning the extent of the changes during the stress and re-watering i.e. recovering phases. These findings were confirmed by gas exchange and destructive reference measurements.<br /> 3. Temporal water withholding followed by re-watering caused changes in the fluorescence lifetime (410 to 560 nm), red fluorescence intensity (FR_G) and the SFR_G; in general, the observed alterations were similar in the three consecutive drought-recovery phases. Nevertheless, the fluorescence parameters do not indicate any hints towards improved physiological response to preliminary stresses. With this, the ‘memory effect’ could not be confirmed. Destructive reference-analysis of the osmotic potential, proline and total chlorophyll concentration exhibited a different picture, as all metabolic indices showed minor changes during the second experimental phase.<br /> 4. Spectrally-resolved and image-based fluorescence techniques enabled the detection of pathogen infection, i.e. disease development in spring barley. Thereby, susceptible and resistant varieties showed distinct modifications in mean lifetime from 410 to 560 nm, both in the SFR_G and the BFRR_UV. Based on the modification of these parameters in the timecourse of the experiment it was possible to characterize the varieties according to their susceptibility degree. The multispectral fluorescence imaging system provides basic information to distinguish between both diseases, since powdery mildewed leaves significantly exhibit a higher blue and green fluorescence intensity as compared to leaf rust diseased leaves. We further highlight the importance of different excitation and emission ranges for sensing and differentiation of leaf diseases, as the UV-excited blue fluorescence and the blue-excited green fluorescence offer the most promising information for further studies on these topics.

<strong>Bestimmung der Reaktion von Zuckerrüben und Sommergerste gegenüber abiotischen und biotischen Stress mittels proximaler Fluoreszenztechniken</strong><br /> Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das Potenzial von zerstörungsfreien Fluoreszenzverfahren für den Nachweis und die Differenzierung von abiotischen und biotischen Stresssituationen zu beurteilen. Zu diesem Zweck wurden Zuckerrüben-Sorten einem Wassermangel und einer geringen N-Zufuhr ausgesetzt sowie mit Echtem Mehltau (<em>Erysiphe betae</em>) (Vanha) Weltz.) inokuliert. Mit Fokus auf Trockenstress, untersuchten wir den Einfluss wiederkehrender Dürre auf den ‘drought memory’ Effekt und die physiologischen Eigenschaften der Pflanzen. Zum Schluss wurden Sommergerste-Sorten verwendet, die unterschiedlich anfällig gegenüber Echtem Mehltau (<em>Blumeria graminis</em> f. sp. <em>hordei</em> (DC.) Speer) und Braunrost (<em>Puccinia hordei</em> G.H. Otth.) sind, um Pflanzen- Pathogen-Interaktionen und die Folgen für die Fluoreszenzsignatur auf Blattebene zu bewerten. Das wesentliche Ziel hierbei war, Genotyp-spezifische Reaktionen mittels spektral aufgelöster und bildgebender Fluoreszenztechniken zu identifizieren. Die Experimente wurden in einzelne Kapitel untergliedert, und die Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden: <br /> 1. Für die Detektion der abiotischen und biotischen Stresssymptome an Zuckerrübenpflanzen erwiesen sich multi-parametrische Fluoreszenzaufnahmen als sehr geeignet. Eine robuste Differenzierung der einzelnen Stressoren durch einen spezifischen Fluoreszenz-Index war jedoch nicht möglich. Das ‘Simple Fluorescence Ratio’ (SFR_G) und der ‘Nitrogen Balance Index’ (NBI_G) waren, insbesondere durch ihre starke Beziehung zum Chlorophyllgehalt, die wichtigsten Fluoreszenz-Indices, um Wassermangel und/oder Mehltauinfektionen zu erkennen. Generell war Wassermangel der Stressfaktor, der sich am stärksten auf die Pflanzenphysiologie ausgewirkt hat. <br /> 2. Fluoreszenz-Indices auf Basis der Nah-Infraroten Chlorophyllfluoreszenz waren zuverlässige Indikatoren, um temporären Wassermangel an Zuckerrüben zu erfassen, unabhängig davon, ob die Sorten im Feld oder im Gewächshaus angebaut wurden. Dies traf insbesondere für das ‘Blue-to-Far-Red Fluorescence Ratio’ (BFRR_UV) und das SFR_G zu. Für letzteres haben wir zeigen können, dass Grün-Anregung die bestgeeignetste Lichtquelle für Chlorophyll- Fluoreszenz-Aufnahmen war, da es die Reaktionen der gestressten Zuckerrübenpflanzen besser aufdeckte. Zudem wiesen alle untersuchten Sorten unterschiedliche Reaktionen hinsichtlich des Ausmaßes der Änderungen auf Stress und Wiederbewässerung, d.h. der Erholungsphase, auf. Diese Ergebnisse wurden durch Gasaustausch- und destruktive Referenzmessungen bestätigt. <br /> 3. Zeitweiser Wasserentzug, gefolgt von Wiederbewässerung, verursachte Veränderungen in der Fluoreszenzlebenszeit (410 bis 560 nm), Rot-Fluoreszenzintensität (FR_G) und dem SFR_G; generell ähnelten sich die beobachteten Veränderungen in den drei aufeinanderfolgenden Trocken-und Wiederbewässerungsphasen. Dennoch zeigten die Fluoreszenzparameter keinen Hinweis in Richtung einer verbesserten physiologischen Reaktion als bei vorherigem Stress. Somit ließ sich der „Memory-Effekt“ nicht bestätigen. Destruktive Referenzanalysen des osmotischen Potentials sowie der Prolin- und Gesamtchlorophyllkonzentration dagegen ließen für alle Stoffwechselindizes in der zweiten Versuchsphase gering Veränderungen erkennen. <br /> 4. Spektral aufgelöste und Bild-basierte Fluoreszenztechniken ermöglichten den Nachweis von Pathogeninfektionen, d.h. der Krankheitsentstehung an Sommergerste. Dabei zeigten anfällige und resistente Sorten unterschiedliche Veränderungen in der mittleren Lebenszeit von 410 bis 560 nm, sowie beim SFR_G und dem BFRR_UV. Basierend auf den Änderungen dieser Parameter im Zeitverlauf des Experiments war es möglich, die Sorten entsprechend ihres Anfälligkeitsgrads zu charakterisieren. Das multispektrale Fluoreszenzbild-gebungssystem lieferte grundlegende Informationen für die Unterscheidung beider Krankheiten, da mit Mehltau befallene Blätter eine deutlich höhere blaue und grüne Fluoreszenzintensität als die mit Zwergrost befallenen Blätter aufwiesen. Zusätzlich haben wir die Bedeutung der verschiedenen Anregungs- und Emissionsbereiche zur Erfassung und Differenzierung von Blattkrankheiten herausgestellt, da die UV-angeregte Blaufluoreszenz und die blau-angeregte Grünfluoreszenz die vielversprechendsten Daten für weitere Studien in diesem Bereich zeigten.