Relevance of a decrease in the amount of magnesium in the guard cells for light-induced stomatal opening and guard cell photosynthesis in field bean (Vicia faba L.)

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph-Martin Geilfus
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 471624304

Der Nährstoff Magnesium (Mg2+) ist u.a. relevant für den fotosynthetischen Elektronentransport, die Aktivität der Plasmamembran (PM)-ständigen Protonen (H+)-translozierenden ATPase oder für die Zuckerverteilung. Mg2+-defiziente Zellen des Mesophyllgewebes zeigen eine verminderte Effizienz des Fotosystems (FS) II und reichern Zucker an (Zuckerstau). Auf Ebene des Mesophyllgewebes ist die Relevanz von Mg2+ für all diese Prozesse gut dokumentiert. Allerdings ist unklar, ob selbige Prozesse auch innerhalb der Schließzellen (SZ) beeinträchtigt sind, sollten diese zu wenig Mg2+ beinhalten. Da sich Hinweise darüber verdichten, dass die SZ-Fotosynthese, die SZ-Zuckerverteilung sowie die SZ-H+-Extrusion, also jeweils Prozesse die von Mg2+ abhängig sind, von entscheidender Bedeutung für die Regulierung der stomatären Apertur sind, soll nun geklärt werden, ob sinkende Mengen von Mg2+ in SZ das lichtinduzierte Öffnen der Stoma beeinträchtigen. An der Relevanz der Mg2+-abhängigen Aktivität der SZ-PM-H+-ATPase für die Regulierung der stomatären Apertur besteht hingegen kein Zweifel: Während der Morgendämmerung treibt dieses Enzyme über die Hydrolyse von ATP H+ in den Apoplast und somit das Öffnen der Stomata an, wobei die SZ-Fotosynthese eine Quelle für dieses ATP ist. Ein Zuckerstau ändert das osmotische Potential in den SZ, was Einfluss auf das Anschwellen Derselbigen hat. Die dringende Frage lautet: Gibt es einen Zusammenhang zwischen der Menge an Mg2+ in den SZ und dem lichtinduzierten Öffnen der Stoma?Dieses Forschungsvorhaben geht der Frage nach, ob eine verringerte Menge an Mg2+ in den SZ der Ackerbohne das lichtinduzierte Öffnen der Stoma beeinträchtig. Es wird angenommen, dass dies der Fall ist und u.a. an einer Beeinträchtigung der Effizienz des SZ-FS II (u.a. Rückgang des fotosynthetisch produzierten ATPs) sowie an einer verminderten PM-H+-ATPase-vermittelten Extrusion von H+ aus den SZ liegt. Darüber hinaus wird angenommen, dass die Zuckerverteilung in den SZ gestört ist, wodurch die Regulierung der Apertur wegen der osmotisch-aktiven Eigenschaften dieser Zucker gestört sein könnte. Die Reaktion der SZ-PM-H+-ATPase auf den Lichtreiz wird in Abhängigkeit des SZ Mg2+-Gehaltes ratiometrisch an intakten SZ in Epidermisstreifen getestet. Die Effizienz des FS II wird an isolierten (intakten) SZ mittels eines Mikroskopie-basierten Puls-Amplituden-Modulation-Fluorometers untersucht. Um die SZ-interne Verteilung der Zucker zu nachzuvollziehen, werden SZ und SZ-Chloroplasten einer GC-EI/TOF-MS- bzw. einer UPLC-MS/MS-Analyse unterzogen, um relevante Zucker und Enzyme des Calvinzyklus zu quantifizieren. Ein Vergleich beider Fraktionen zeigt, ob die Kohlenhydratverteilung in SZ beeinträchtigt ist, wenn diese zu wenig Mg2+ enthalten. Von diesem Forschungsvorhaben ist ein besseres Verständnis der Relevanz von Mg2+ für Regulierung der stomatären Apertur zu erwarten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen