Physiology of manganese toxicity and tolerance in Vigna unguiculata (L.) Walp.

In cowpea (Vigna unguiculata (L.) Walp. ) tolerance of manganese (Mn) excess depends on genotype, silicon (Si) nutrition, form of nitrogen (N) supply, and leaf age. The physiological mechanisms for improved Mn leaf-tissue tolerance are still poorly understood. On the basis of the density of brown spots per unit of leaf area and the callose content which are sensitive indicators of Mn toxicity, it was confirmed that cultivar (cv.) TVu 1987 was more Mn-tolerant than cv. TVu 91, young leaves were more Mn-tolerant, Si improved Mn tolerance, and NO3—-grown plants were more Mn-tolerant than NH4+-grown plants. A close positive relationship existed between the bulk-leaf Mn content and the vacuolar Mn concentration from the same leaves. Since no clear and consistent differences existed between leaf tissues differing in Mn tolerance, the results suggest that accumulation of Mn in the vacuoles and its complexation by organic anions do not play a role in Mn leaf-tissue tolerance in cowpea. A near linear relationship was found between leaf Mn contents and concentrations of free (H2O-soluble) and exchangeable-bound (BaCl2-extractable) Mn in the apoplastic washing fluid (AWF) extracted from whole leaves by an infiltration and centrifugation technique. There were no differences in apoplastic Mn concentrations owing to genotype and form of nitrogen nutrition. However, Si decreased the Mn concentration in the AWF. With increasing bulk-leaf Mn contents, concentrations of organic anions in the AWF also increased. The results suggest that complexation of Mn by organic anions in the leaf apoplast contribute to Mn tolerance due to genotype and more clearly due to NO3-N nutrition. Cell wall-bound peroxidase activity increased with leaf age and was higher in the Mn-sensitive cv. TVu 91 than in cv. TVu 1987. This was in agreement with a higher H2O2 production rate in cv. TVu 91. Also, a lower ratio of reduced to oxidized ascorbic acid in the AWF revealed that in Mn-sensitive leaf tissue, the apoplastic reduction capacity was lower than in Mn-tolerant leaf tissue when genotypes and leaves of different age were compared. We interpret our results as strong circumstantial evidence that Mn tolerance depends on the control of the free Mn2+concentration and of Mn2+-mediated oxidation/reduction reactions in the leaf apoplast. Physiologie der Mangantoxizitat und -toleranz bei Vigna unguiculata(L.) Walp. Bei Cowpea (Vigna unguiculata (L.) Walp. ) hangt die Toleranz gegenuber Mangan-(Mn)-Uberschus vom Genotyp, der Silizium-(Si)-Versorgung, der Form der Stickstoff-(N)-Ernahrung und dem Blattalter ab. Die physiologischen Ursachen der Mn Blattgewebe-Toleranz sind bisher noch unzureichend verstanden. Auf der Basis der Dichte brauner Punkte und dem Kallosegehalt, die empfindliche Indikatoren fur Mn-Toxizitat sind, lies sich eindeutig nachweisen, das der Genotyp TVu 1987 Mn-toleranter als der Genotyp TVu 91 ist, junge Blatter waren Mn-toleranter als alte Blatter, Si erhohte die Mn-Toleranz und NO3—-ernahrte Pflanzen waren Mn-toleranter als NH4+-ernahrte Pflanzen. Zwischen dem Gesamt-Mn-Gehalt und der vakuolaren Mn-Konzentration derselben Blatter bestand eine enge positive Beziehung. Da jedoch keine eindeutigen Unterschiede zwischen unterschiedlich Mn-tolerantem Blattgewebe auftraten, last sich folgern, das die Akkumulation von Mn in der Vakuole und Komplexierung durch organische Anionen keine Rolle fur die Mn- Toleranz im Blattgewebe von Cowpea spielt. Zwischen den Mn-Gehalten im Blatt und den Konzentrationen an freiem (H2O-loslichem) und austauschbar gebundenem (BaCl2-extrahierbarem) Mn in der apoplastischen Waschflussigkeit (AWF) konnte eine nahezu lineare Beziehung gefunden werden. Unterschiede in den apoplastischen Mn-Konzentrationen in Abhangigkeit von Genotyp und Form der Stickstoffernahrung gab es nicht. Siliziumversorgung verminderte jedoch die Mn-Konzentration in der AWF. Mit zunehmenden Mn-Gehalten des Gesamtblatts stieg auch die Konzentration organischer Anionen in der AWF. Die Ergebnisse lassen vermuten, das die Komplexierung von Mn durch organische Anionen im Blattapoplasten zur durch Genotyp und NO3—-Ernahrung bedingten Mn-Toleranz beitragt. Weiterhin wurden auch Parameter gemessen, die direkter mit der Oxidation von Mn und Phenolen im Blattapoplasten im Zusammenhang stehen. Die Zellwand-gebundene Peroxidaseaktivitat stieg mit zunehmendem Blattalter und war beim Mn-sensitiven Genotyp TVu 91 hoher als beim Genotyp TVu 1987. Dies war gleichzeitig mit einer hoheren H2O2-Produktionsrate verbunden. Auserdem bestatigte auch ein engeres Verhaltnis von reduzierter zu oxidierter Ascorbinsaure in der AWF die niedrigere apoplastische Reduktionskapazitat von Mn-sensitivem im Vergleich zu Mn-tolerantem Blattgewebe in Abhangigkeit von Genotyp und Blattalter. Wir interpretieren unsere Ergebnisse als deutlichen indirekten Hinweis darauf, das Mn-Toleranz von der Kontrolle der freien Mn2+ Konzentration und von Mn2+-vermittelten Oxidations-/Reduktionsreaktionen im Blattapoplasten abhangt.