The paramount influence of nitrate in increasing apoplastic pH of young sunflower leaves to induce Fe deficiency chlorosis, and the re-greening effect brought about by acidic foliar sprays

Field: Agricultural and Biological Sciences (Life Sciences)

The main objective of the present work was to clarify the causal relationship between leaf apoplastic pH increase and Fe chlorosis under alkaline growth conditions. It has been shown that nitrate supply in contrast to ammonium supply induced a pH increase in the apoplast of young green leaves of Helianthus annuus which was followed within 12 hours by leaf yellowing. Hence nitrate nutrition is the primary cause of a high leaf apoplastic pH which induces Fe deficiency chlorosis and not the impaired provision of ATP for plasmalemma H+ pumps in yellow leaves. Supply of bicarbonate in physiological concentrations had virtually no influence on leaf apoplastic pH. Spraying leaves with diluted acids (citric acid, sulphuric acid) resulted in a decrease of apoplastic pH followed by leaf re-greening. Interestingly, the Fe concentrations remained the same in the yellow control leaves and in the sprayed green leaves. From this it follows that Fe efficiency in leaves is mainly related to the Fe distribution between apoplast and symplast. It was demonstrated that Fe chlorosis induced by nitrate nutrition begins from the base of the youngest leaves, presumably from growing interveinal microsites showing high nitrate uptake rates. Leaf yellowing spread gradually from the leaf base to the tip and after seven days of nitrate supply the leaf was almost completely yellow (98%). Leaf yellowing was measured by means of a video imaging technique. Leaf apoplastic pH recordings were conducted after loading the fluorescent dye FITC-Dextran (4000 D) into the leaf apoplast of intact plants thus simulating in vivo conditions. It was also shown using the new loading technique that the fluorescent dye did not penetrate the leaf symplast. Die herausragende Wirkung von Nitrat auf die Erhöhung des Apoplasten-pH in jungen Blättern von Sonnenblumen und damit auf das Auslösen von Eisenmangelchlorose sowie die Wiederergrünung nach Besprühung mit Säuren Das wesentliche Ziel der vorliegenden Untersuchung war, die kausalen Zusammenhänge der pH-Erhöhung im Blattapoplasten und das Auftreten von Fe-Chlorose unter alkalischen Bedingungen zu klären. Es wurde gezeigt, dass Nitraternährung, im Unterschied zur Ernährung mit Ammonium, eine pH-Erhöhung im Blattapoplasten grüner Blätter von Helianthus annus auslöst, gefolgt von einer Gelbfärbung des Blattes innerhalb weniger Stunden (12 h). Deshalb ist Nitraternährung die primäre Ursache der pH-Erhöhung im Blattapoplasten, die dann Eisenmangelchlorose auslöst; die pH-Erhöhung im Apoplasten ist damit nicht die Folge einer unzureichenden Versorgung der H+-Pumpen mit ATP durch das bereits chlorotische Blatt. Die Zugabe von HCO3— in physiologisch vertretbaren Konzentrationen hatte keinen Einfluss auf den pH-Wert im Blattapoplasten. Blattbesprühungen mit verdünnten Säuren (Citronensäure, Schwefelsäure) bewirkten einen pH-Abfall im Apoplasten, gefolgt von einer Wiederergrünung der Blätter. Interessanterweise waren die Fe-Konzentrationen in den wiederergrünten und in den chlorotischen Kontrollblättern identisch. Hieraus wird gefolgert, dass die Fe-Effizienz in den Blättern im wesentlichen von der Fe-Verteilung zwischen Apoplast und Symplast abhängt. Es wurde gezeigt, dass die durch Nitraternährung ausgelöste Fe-Chlorose an der Basis des jüngsten Blattes beginnt, ausgehend vermutlich von „microsites“, die hohe Nitrat-aufnahmereraten zeigen und zum meristematischen Gewebe des wachsenden Blattes gehören. Die Gelbfärbung breitet sich allmählich von der Blattbasis zur Blattspitze hin aus, und nach sieben Tagen Nitraternährung war das Blatt fast vollständig gelb (98%). Die Gelbfärbung der Blätter wurde mittels Video-Imaging Technik gemessen. Zur pH-Messung im Blattapoplasten unter in vivo Bedingungen wurde der Fluoreszenzfarbstoff FITC-Dextran (4000 D) in den Blattapoplasten intakter Pflanzen geladen. Es konnte gezeigt werden, dass auch bei dieser neuen Beladungstechnik der Fluoreszenzfarbstoff nicht in den Symplasten eindringt.