title: Hints of rhizobia induced alleviation of tungsten stress in Glycine max via increased levels of primary and secondary metabolites
Creators: name: Steccari, Irene
Publisher: name: :none
Year: 2019

description: Die Koordinationschemie des Übergangsmetalls Wolfram (W) und des essentiellen pflanzlichen Mikronährstoffs Molybdän (Mo) sind in struktureller und funktioneller Hinsicht ähnlich. Aus diesem Grund liegt es nahe, daß W die enzymatische Aktivität von Molybdoenzymen wie der pflanzlichen Nitratreduktase hemmt, indem Mo im Molybdopterin-Co-Faktor (Mo-Co) ersetzt wird. Dies würde die N-Assimilation stark beeinträchtigen und einen N-Mangel bei Pflanzen verursachen. Einige Studien legen nahe, dass ein anderes Enzym, die Nitrogenase von symbiotisch lebenden Wurzelbakterien, die einen Fe-Mo-Co-Faktor für die N2-Fixierung aufweist, ihre Funktionalität nach W-Exposition beibehalten kann, da sie von einer Symbiosomenmembran geschütz werden. Das würde die N-Versorgung der Pflanzen sichern. Darüber hinaus gibt es Hinweise darauf, dass Wurzeln und Knöllchen von symbiotisch gewachsenen Hülsenfrüchten in Gegenwart hoher Konzentrationen von W einen höheren Anteil an Proteinen aufweisen, die an der Hormon- und Flavonoid-Biosynthese beteiligt sind, also Verbindungen, die an der Stressregulation beteiligt sind. Um zu klären, ob und wie die symbiotische N2-Fixierung die Metabolitenhäufigkeit während der W-Exposition im Vergleich zu nicht-symbiotischen Pflanzen verändert und ob dies mit einer erhöhten Toleranz gegenüber Schwermetalltoxizität zusammenhängt, habe ich eine integrative Analysemethode (Sequentielle Extraktion) zum Nachweis von Primär- und Sekundärmetaboliten ausgearbeited und angewendet. Mit Bradyrhizobium japonicum (Nfix) oder Nitrat (Nfed; 10 mM KNO3) vertilisierte Sojabohnenpflanzen wurden in einem halbhydroponischen Aufbau angezogen. Drei Wochen nach vollständiger Ausbildung der Symbiose, wurden die Pflanzen zur Untersuchung der W- und Mo-spezifischen Reaktion zwei Wochen lang hohen Konzentrationen an W (0,5 mM Na2WO4) oder Mo (0,5 mM Na2MoO4) ausgesetzt und anschließend zur metabolischen Analyse geerntet. Meine Ergebnisse zeigten, dass Nfix- im Vergleich zu Nfed-Pflanzen, sowohl in Gegenwart von W als auch Mo eine stärkere metabolische Reaktion aufwiesen. Während bei beiden, Nfix- und Nfed-Pflanzen, nach W-Verabreichung eine Abnahme der Sproßbiomasse beobachtet wurde, wiesen symbiotisch gewachsene Sojabohnen eine höhere Wurzel- und Knöllchenbiomasse / -zahl auf. Ich fand zudem eine Zunahme von Phenolverbindungen, Flavonoiden und löslichen Zuckern in Nfix-Wurzeln und Blättern, was auf eine höhere Antioxidationskapazität im Vergleich zu Nfed-Pflanzen hindeutet. Darüber hinaus konnte ich in Nfix-Pflanzen einen Anstieg von organischen Säuren, Polyaminen (z.B. Putrescin, Spermidin) und Aminosäuren (z.B. Prolin, Alanin) als Reaktion auf 0,5 mM W nachweisen. Im Vergleich dazu behielten Molybdän-exponierte Pflanzen ihre Biomasse auf Kontrollniveau. Dennoch zeigten Wurzeln von Nfix-Pflanzen hier höhere Werte in Aminosäuren, löslichen Zuckern, Phenolen und Flavonoiden. Meine Ergebnisse deuten auf eine Linderung des Wolframstresses durch verbesserten Osmoseschutz, sowie erhöhte radikalfangende und metallchelatisierende Kapazität bei symbiotischen Pflanzen hin.
description: The coordination chemistries of the transition metal tungsten (W) and the essential plant micro nutrient molybdenum (Mo) are similar in structural and functional aspects; for this reason, W is proposed to inhibit enzymatic activity of molybdoenzymes such as nitrate reductase, by replacing Mo in the molybdopterin co-factor (Mo-Co). This would severely effect N-assimilation, causing N-deficiency. A few studies suggest that another enzyme, the nitrogenase of symbiotically plant living rhizobacteria, which presents a different Fe-Mo co-factor for N2 fixation, can retain its functionality after W exposure. Moreover, there is some evidence that roots and nodules of symbiotically grown leguminous plants exhibit higher levels of proteins involved in hormone and flavonoid biosynthesis, compounds involved in stress regulation, in the presence of high concentrations of W. The aim of my thesis was to develop an integrative analytical method for comprehensive primary and secondary metabolite detection in order to clarify if and how symbiotic N2 fixation changes metabolite abundances during tungsten exposure, compared to non-symbiotic plants and if this relates to enhanced tolerance against heavy metal toxicity. Soybean plants inoculated with Bradyrhizobium japonicum (Nfix) and a non-symbiotic control supplied with nitrate (Nfed – 10 mM KNO3) were grown in a semi hydroponic setup. After three weeks, when symbiosis was fully established, in order to investigate the W and Mo specific response, plants were exposed to W (0.5 mM Na2WO4) or high Mo (0.5 mM Na2MoO4) for two weeks and subsequently harvested for metabolomic analysis applying a novel sequential extraction procedure. My results showed that Nfix plants exhibit a stronger metabolic response compared to their non-symbiotic counterparts in presence of both W and Mo. While a decrease in biomass was observed in both Nfix and Nfed treatments when exposed to tungsten, symbiotically grown soy beans were able to retain shoot growth, healthier roots, and nodule mass/count. I found an increase in phenolic compounds, flavonoids, and soluble sugars in Nfix roots and leaves exposed to tungsten which resulted in a higher antioxidant capacity in comparison to Nfed plants. Furthermore, I could show an increase in organic acids, polyamines (i.e. putrescine, spermidine) and amino acids (i.e. Proline, Alanine) in Nfix plants in response to 0.5 mM W. Plants exposed to molybdenum retained their biomass to control level, however, roots of Nfix plants exhibited higher values in amino acids, soluble sugars, phenols and flavonoids. My results suggest a symbiont induced alleviation of tungsten stress via enhanced osmo-protective, radical-scavenging and metal-chelating capacity.