Chloride transport and salt tolerance mechanisms in plants

Saleh, Livia

Sodium and chloride are the most prominent ions associated with arable land affected by salinity worldwide. While many studies focussed on the mechanisms of sodium transport, accumulation and exclusion under salt stress, the role of chloride was overlooked. Although, the interest on the mechanisms of chloride transport and its role in salt tolerance mechanisms started to grow, there are still a lot of unanswered questions. Two close related plant species representing the extremes concerning salt tolerance were employed for this approach: the glycophyte Arabidopsis thaliana and the halophyte Thellungiella salsuginea. Screening of growth parameters, the ionic and the osmotic parameters of both plant species grown on different salt concentrations has been realized. In parallel salt-stress experiments calcium has been omitted in the growth medium. Furthermore, oxidative stress responses, in detail the changes in the total low molecular weight antioxidative capacity, superoxide scavenging activity, and the activity of peroxidases, catalases and glutathione reductases were examined by the TAC, SOSA, LUPO, CAT and GR assays, respectively. The first three assays (TAC, LUPO and SOSA) were developed and further optimised during this study. Concerning chloride transport and the overall changes inside a living plant cell exposed to salt stress, in vivo fluorescent ratiometric techniques were employed during this study. Arabidopsis thaliana plants expressing different fluorescent indicators offered the insight into redox poise, pH, and anion content changes in the cytoplasm and in subcellular compartments during salt treatment. The effects of calcium, trivalent cations, polyamines, oxidative substances and common blocker and inhibitors of anion channels on the chloride influx have been tested in course of this endeavour. By cloning and over-expression of members of the chloride channel family (ClCs) from Arabidopsis thaliana in an appropriate plant system together with a chloride-sensitive fluorescent indicator, the role of chloride compartmentalisation under salt stress conditions was tackled out. A point mutation in the selectivity filter of a NO3-/H+ antiporter AtClC-A for example has shown a switch from nitrate to chloride transport into the vacuole. In addition, an attempt to purify and functionally characterize chloride channel proteins in a bacterial expression system has been made.

Natrium und Chlorid sind im Zusammenhang mit Versalzung der landwirtschaftlich genutzten Flächen weltweit, die meistvertretenen Ionen. Versalzung wirkt sich negativ auf das Pflanzenwachstum aus und führt dadurch zu Ertragseinbüßen. Bisher konzentrierte sich die Erforschung des Salzstresses in Pflanzen auf die Mechanismen des Natrium-Transports, seine Akkumulierung und Ausschluss. Die Rolle von Chlorid ist hingegen weniger erforscht. Auch wenn das Interesse an der Aufklärung der Chloridtransportmechanismen wächst, es bleiben immer noch viele unbeantwortete Fragen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es einigen dieser Fragen nachzugehen. Dafür wurden zwei nah verwandte Pflanzenarten ausgesucht, die Extreme in der Salztoleranz darstellen: der Glykophyt Arabidopsis thaliana und der Halophyt Thellungiella salsuginea. Bestimmungen der Keimrate, der Wachstumsparameter und der ionischen und osmotischen Komponenten der auf verschiedenen Salzkonzentrationen wachsenden Pflanzen wurden durchgeführt. In parallelen Experimenten, wurde Kalzium im Wachstumsmedium weggelassen, was zu einer signifikant niedrigeren Natrium- und Chlorid-Akkumulation führte. Weiterhin wurden im Verlauf dieser Arbeit die Reaktionen der Pflanzen auf oxidativen Stress untersucht. Dies beinhaltete Messungen der Änderungen in der gesamt-antioxidativen Kapazität, der Superoxid-scavenging Aktivität, der Aktivität der Peroxidasen, Katalasen und Glutathion-Reduktasen. Entsprechende Verfahren wurden entwickelt und weiter verbessert. Ratiometrische in vivo-Fluoreszenzmesstechniken wurden während dieser Studie genutzt um den Anionentransport und die Änderungen in der zellulären Anionenkonzentration in Pflanzen unter Salzstress zu untersuchen. Zusätzlich wurden mit Hilfe bestimmter in Arabidopsis exprimierter Fluoreszenzindikatoren die Änderungen im Redoxgleichgewicht und dem pH unter Einfluss von Salz untersucht. Getestet wurde die Wirkung von Kalzium, trivalenter Kationen, Polyaminen, oxidativen Substanzen und Inhibitoren der Anionentransporter auf den Anionentransport. Die Rolle von Kompartimentalisierung der Anionen sollte durch Klonierung und Ko-expression der Chloridkanäle (ClCs) aus Arabidopsis thaliana zusammen mit einem anionen-sensitiven Fluoreszenzindikator beleuchtet werden. Eine Punktmutation im Selektivitätsfilter von AtClC-A führte zu einer Änderung in der Selektivität und dadurch zu einer Umstellung vom NO3-- zu Cl-- Transport in die Vakuole. Für eine weitere strukturelle und funktionelle Charakterisierung wurde die Aufreinigung der Anionenkanäle angestrebt.

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Saleh, Livia: Chloride transport and salt tolerance mechanisms in plants. 2011.

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