Das Membranpotential von Zellen der Maiskoleoptile unter dem Einfluß von Kalium- und Kalzium-Ionen

Biochem. Physiol. Pflanzen 169, S. 385-391 (1976)

Das Membranpotential von Zellen der Maiskoleoptile unter dem Ein£1uB von Kalium- und Kalzium-Ionen II. Wirkungen von Gibberellinsiiure nnd Indolylessigsiiure A.

NELLES

Institut fiir Biochemie der Pflanzen, Halle/S. Forschungszentrum fUr Molekularbiologie und Medizin der Akademie der Wissenschaften der DDR

Cell Membrane Potential of Corn Coleoptiles Affected by Potassium and Calcium Ions II. Effects of Gibberellic Acid and Indole Acetic Acid Key T e r mIn d ex: ("ell membrane potential, effect of cations, coleoptile, growth regulators j Zea mays.

Summary The potassium-induced drop of the membrane pote'ltial of corn coleoptile cells is used to calculate the membrane potential as affected by calcium ions, gibberellic acid, indole acetic acid, and dwarfism. The influence of calcium ions upon the membrane potential is different in tall and dwarf plant species. This difference is diminished by the growth regulating substances. Whether calcium ions decrease or increase the membrane potential of dwarf plant cells depends on the potassium ion concentration. In contrast, the membrane potential of normal tall plant cells is decreased at all potassium ion concentrations used.

Einleitung In einer vorangegangenen Mitteilung (NELLES 1975) wurde ein empirischer Formalismus beschrieben, der es gestattet, die Abhangigkeit der elektrischen Potentialdifferenz ("Membranpotential") der Mcjskoleoptilenzellen yom Ionengehalt der Losung zu berechnen. Dieser Formalismus basiert auf der experimentellen Beobachtung, daB die spo~tane Anderung des Membranpotentials in einem einfachen Zusammenhang steht mit der Anderung der Ionenstiirke bzw. des Kalziumgehaltes def AuBenlosung. Bei einer Erhohung der Kaliumionenkonzentration des Mediums tritt eine )epolarisation der Zellen ein, deren rela tiver Wert (bezog-en auf dgs Potential (E A) in der AusgangslOsung) linear mit dem Logarithmus der Ionenstiirke und dem Logarithml.3 der Kalziumionenkol1zentration zusammenhiingt. Diese beiden Sachverhalte gestattcn die Berechnung des Zellpotentials als Funktion des Kalzium- bzw. Kaliumionengehaltes der Losung in einem weiten Konzentrationsbereich aus den in Gegenwart von zwei verschiedenen Kalziumkonzentrationen gemessenen relativen

(~~) und absoluten(LI E) Poten-

tialiil1derungen. Das Ziel dieser Arbeit ist, analoge Messungen an Koleoptilenzellen einer mit Gibberellinsiiure (GA3) bzw. Indolylessigsiiure (IES) vorbehandelten zwergwiichsigen Form 26

Biochem. Physio!. PlIanzen. Bd. 169

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(Zea mays L. d1dd) sowie der normalwiichsigen Form (d1NN) mitzuteilen und im Hinblick auf Wirkungen der Wachstumsregulatoren zu diskutieren.

Material und Methoden Als Versuchsmaterial dienten Koleoptilen einer zwergwiichsigen (d1dd) und einer normalwiichigen (d1NN) Mutante von Zea mays L., die wie friiher beschrieben (NELLES 1975b) angezogen und priipariert waren. Auch die MeBanordnung und die Herstellung der Mikroelektroden entsprach der friiheren Methode. Die verwendeten Liisungen enthielten stets 0,1 mM NaCl + 1,0 mM KCl sowie die jeweiligen Konzentrationen an Ca(NO a)2 und/oder 10-5 M Gibberellinsiiure (GAa) bzw. Indolylessigsiiure (IES). Die Austauschliisungen, durch die die Depolarisationseffekte ausgeliist wurden, enthielten neben den Konzentrationen an KNO a auch die Substanzen der urspriinglichen Liisung. Die angegebenen Fehler sind mittlere Fehler des Mittelwertes.

Ergebnisse und Diskussion Die Erhohung der Kaliumionenkonzentration von 1 auf 5 mM (Index 4) bzw. von 1 auf 10 mM (Index 9) in der Losung fUhrt zu einer Depolarisation der Zellen, deren LIE relativer Wert EA in unseren Versuchen stets linear vom Logarithmus der Ionenstarke der Losung abhiingt. Dies gilt sowohl fUr die Koleoptilen der zwergwiichsigen Form (NELLES 1975) und die der mit GA3 bzw. IES beha!ldelten zwergwiichsigen Form als auch fiir die der normalwiichsigen Form (Tabelle 1). Ein logarithmisch-linearer Zusammenhang besteht auch zwischen der relativen LIE Potentialanderung EA und dem Kalziumgehalt des Mediums im Falle des mit GA3 inkubierten und des normalwiichsigen (d1NN) Gewebes (Tabelle 1). Die mit Indolylessigsaure inkubierten Proben zeigten hingegen keine lineare Abhangigkeit der relativen Potentialerniedrigung vom Kalziumgehalt (Tabelle 1). Bemerkenswert ist die deutlich unterschiedliche Reaktion des Membranpotentials in den Zellen der normalwiichsigen (d1 NN) von denen der zwergwiichsigenForm (d1dd). LIE Die Kalium-induzierte relative Depolarisation EA hiingt offenbar bei der normalwiichsigen Form weit weniger von der Gegenwart von Kalziumionen ab, als dies in der zwergwiichsigen Form der Fall ist. Dies bedeutet, daJ3 die Membranpotentiale der Zellen der normalwiichsigen Mutante auch in kalziumhaltigen Medien empfindlich auf Veranderung en der Kaliumionenkonzentration reagieren, wahrend diejenigen der zwergwiichsigen Mutante in ihrer Reaktionsfahigkeit merklich herabgesetzt sind. Diese Unterschiede sollten mit steigenden Kalziumkonzentrationen immer deutlicher werden. Aus den in der Tabelle 1 zusammengestellten MeJ3daten kann der Verlauf des Membran potentials sowohl als Funktion des Kalziumgehaltes als auch des Kaliumgehaltes des Mediums berechnet werden (NELLES 1975). Dazu ist es zunachst notwendig, die

...

il I i : 387

Membranpotential der Maiskoleoptilenzellen unter EinfluB von K+ und Ca++. II.

Tabelle 1. Durch Zugabe von 4 bzw. 9 mM KNO a zum Medium hervorgerufene relative

(~~)

und abso-

lute (LIE) Zellpotentialiinderung in unbehandelten und mit Gibberellinsiiure bzw. lndolylessigsiiure behandelten zwergwiichsigen (d1 dd) sowie normalwiichsigen (d1 NN) Maiskoleoptilen

[Ca] [mM]

- LlEl [mY]

d1 dd in 10-5 M Gibberellinsaure

o 0,125 1,0 2,0 4,0

0,231 0,2175 0,1456 0,1337 0,1092

± ± ± ± ±

d1dd in 10-5 M Indolylessigsaure

o 0,125 1,0 3,0 5,0

+ 0,1 mM NaCl + 1,0 mM 26,98 ± 27,32 ± 18,52 ± 17,17 ± 12,96 ±

0,010 0,013 0,009 0,011 0,010

2,25 2,82 2,99 3,77 4,40

KCl

+ [Ca]

0,334 0,3183 0,2491 0,2180 0,2039

± ± ± ± ±

0,016 0,021 0,010 0,017 0,014

39,06 ± 39,33 ± 31,14 ± 26,60 ± 26,24 ±

2,79 3,30 2,70 3,34 3,38

+ 0,1 mM NaCl + 1,0 mM KCl + [Ca] 3,31

0,313 0,2855 0,230 0,173 0,138

± ± ± ± ±

0,009 0,019 0,011 0,008 0,012

36,21 ± 35,73 ± 28,86 ± 20,93 ± 16,75 ±

2,36 2,56 3,17 2,05 3,26

+ 1,0 mM KCl + [Ca] 0,2685 ± 0,014 29,06 ± 25,76 ± 0,192 ± 0,008 22,78 ± 0,1689 ± 0,009 19,13 ± 0,1482 ± 0,013 17,96 ± 0,1413 ± 0,012

3,61 3,43 3,59 4,57 3,61

0,357 ± 0,2663 ± 0,2482 ± 0,2385 ± 0,2348 ±

0,013 0,010 0,008 0,017 0,020

39,95 ± 34,88 ± 30,37 ± 29,24 ± 27,62 ±

2,87 1,66 1,66 4,78 4,3

+ 1,0 mM KCl + [Ca] 0,257 ± 0,009 29,05 ± 25,50 ± 0,188 ± 0,013 0,156 ± 0,008 20,5 ± 16,90 ± 0,133 ± 0,008 0,104 ± 0,009 12,95 ±

2,60 3,39 2,88 2,51 2,37

0,365 ± 0,278 ± 0,255 ± 0,225 ± 0,181 ±

40,81 ± 37,35 ± 33,37 ± 29,62 ± 22,08 ±

3,37 4,40 3,39 2,88 2,62

0,203

±

0,006

23,93

±

2,28

0,151

±

0,010

18,71

±

dlNN in 0,1 mM NaCl

o 0,125 0,5 1,0 2,0

d1 dd in 0,1 mM NaCl

o 0,125 0,25 0,5 1,0

0,011 0,015 0,011 0,016 0,011

Anstiegc k(Ca) der linearen Zusammenhange zwischen der relativen Potentialerniedrigung und der Ionenstarke der Losung nach G. (III) oder aus der Beziehung (I) jener Arbeit zu berechnen. Diese GroBe k(Ca) kann fUr jede beliebige von Null verschiedene Kalziumkonzcntration errechnet werden. Der Quotient

2,3· RT 1 F k(Ca)

=

* 58 EA = - k(Ca) [mY]

liefert dann eine GroBe E A * mit der Dimension [m V], die dem Membranpotential E A adaquat ist (NELLES 1975). Zwischen der GroBe EA* und dem Membranpotential EA soUte in weiten Konzentrationsbereichen von Kalzium ein linearer Zusammenhang bestehen (im FaUe des IES-behandelten Gewebes scheint dies nicht gut erftillt zu sein, weshalb hier eine quadratische Funktion zur Berechnung von E A aus E A * angesetzt wurde!). 26*

r I

A.

388

NELLES

Aus den gemessenen Kalium-induzierten absoluten Potentialerniedrigungen LI E kann aus der Beziehung (I) LIE EA = ---k(Ca)·1K 1A (worin 1K bzw. 1A die 10nenstarken der Ausgangs16sung bzw. der Losung mit erhohtem Kaliumionengehalt sind) flir die bei den Messungen eingesetzten Kalziumkonzentrationen das zugehorige ZelIpotential EA berechnet werden. Damit bekommt man hier vier (da der Wert fur 0 mM Ca nicht berechenbar ist) "experimentelle" Werte des Zellpotentials (TabelIe 2). Tragt man nun diese Werte gegen die GroBe E A* auf, so erhalt man die Moglichkeit, flir jeden beliebigen Wert von E A* - d. h. fur jede beliebige Kalziumkonzentration - das Zellpotential EA zu bestimmen. (Da dieser Zusammenhang ein linearer sein solIte, geniigen im Prinzip Mesungen von LI E und LI E bei nur 2 von EA Null verschiedencn Kalziumkonzentrationen.) Zur Berechnung der in der Tabelle 3 eingetragenen Zellpotentiale EA wurde nach der Methode der kleinsten Quadrate die optimale Geradengleichung (im FaIle des IES-behandelten Gewebes die Gleichung 2. Grades) bestimmt und daraus das zu jeder Kalziumkonzentration gehorende Zellpotential berechnet (Abb. 1). Wegen der relativ groBen Schwankungsbreite der relativen und absoluten Potentialerniedrigung ist bei diesen berechneten Zellpotentialen mit einem Fehler von wenigstens 10 % zu rechnen, der jedoch weniger den Verlauf der Abhangigkeiten von der Kalziumkonzentration als vielmehr die absoluten Werte der Zellpotentiale betreffen solIte. Aus der Abhangigkeit der Zellpotentiale von der Kalziumkonzentration geht hervor, daB die ZelIpotentiale der normalwuchsigen Form weniger stark vom Kalziumgehalt des Mediums abhangen solIten als diejenigen der zwergwuchsigen Form. Die 1nkubation der

110

1

2 -[Caj[mM}5

8

Abb. 1. Berechnete Zellpotentiale E A in Abhiingigkeit vom Kalziumgehalt des Mediums in unbehandelten ( L,) und mit GAa (e) bzw. IES (0) behandelten zwergwiichsigen sowie normalwiichsigen (x) Maiskoleoptilen.

i

1+1;:;,

24

Membranpotential der Maiskoleoptilenzellen unter EinfluJ3 von K+ und Ca++. II.

389

Tabelle 2. Experirnentelle (k(Ca)exp) und berechnete (k(Ca) Werte der Anstiege k(Ca), Grope EA* und Zellpotentiale E A in unbehandelten und rnit GAs bzw. IES behandelten zwergwiichsigen sowie norrnalwiichsigen M aiskoleoptilen. k(Ca)exp

[Cal [mM]

k(Ca)

- EA* [mY]

- EA [mY]

d1dd in: 10-5 M GAs + 0,1 mM NaCl + 1,0 mM KCl + [Cal 0,350 0,372 0376 154,3 0,125 115,8 0,493 0,501 1,0 0,650 89,2 2,0 0,652 63,7 0,921 0,910 4,0

124,9 125,1 123,9 126,0

d1dd in: 10-5 M IES + 0,1 mM NaCl + 1,0 mM KCl + [Cal 0,325 173,7 0,334 0,125 0,335 0,458 126,6 1,0 0,459 93,7 0,265 0,619 3,0 0,709 81,8 5,0 0,715

125,3 124,9 121,1 121,5

°

°

d1NN in: 0,1 mM NaCl 0,374 0,125 0,316 0,385 0,5 1,0 0,476 0,662 2,0

°

+ 1,0 mM KCl + [Cal 0,324 0,397 0,497 0,687

d]dd in: 0,1 mM NaCl + 1,0 mM KCl + [Cal 0,382 0,125 0,333 0,326 0,25 0,328 0,330 0,344 0,5 0,340 1,0 0,352 0,381

°

179,0 146,1 116,7 84,4

132,9 128,4 125,7 122,8

174,2 175,8 170,6 152,2

127,0 121,2

Koleoptilensegmente der zwergwuehsigen Form in Gegenwart von 10-5 M Indolylessigsaure setzt die Reaktion des Zellpotentials herab. Gibberellinsaure (10- 5 M) im Inkubationsmedium hebt die Reaktion ganz auf, die Zellen reagieren unter dies en Bedingungen (0,1 mM NaCI + 1,0 mM KCI) nieht auf Veranderungen des Kalziumgehaltes des Inkubationsmediums. Bei Kenntnis des Anstieges k (Ca) und des Zellpotentials EA fUr eine festgelegte Kalziumkonzentration kann aus der Beziehung (IX) (NELLES 1975) EK

=

P/2+[K]] EA· [1 - k(Ca) . log h

(worin f3 die Summe der mit dem Quadrat der Ladungszahl multiplizierten Ionenkonzentrationen au13er Kaliumionen f3 = Z Zi2 • Ci und [K] die gesamte Kaliumkonzeni=!=K tration des Mediums ist) das Membranpotential EK als Funktion des Kaliumionengehaltes der Losung bereehnet werden (Abb. 2). Es zeigt sieh, da13 in allen Fallen die Gegenwart von Kalziumionen im Medium die Reaktion des Zellpotentials auf eine Veranderung der Kaliumionenkonzentration herabsetzt. Dieser Effekt des Kalziums

e

ii

390

A.

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scheint eine ganz allgemeine Erscheinung zu sein (HIGINBOTHAM 1973] und durch die Wachstumsregulatoren ebensowenig annulliert zu sein wie in der genetischen Mutante. Das AusmaB dieses Kalziumeffektes ist jedoch deutlich beeinfluBt. 1m kalziumfreien Medium bewirkt eine Erhohung der Kaliumionenkonzentration urn eine Zehnerpotenz bei den Zellen der zwergwuchsigen Form eine Abnahme des Zellpotentials von 53,4 m V, wahrend diese Abnahme nach Inkubation mit 10- 5 M IES nur 41,8 mV betragt (NELLES 1975). Den gleichen Wert von etwa 42 mV errechnet man aus den Daten fUr gibberellinbehandeltes zwergwuchsiges sowie normalwuchsiges Gewebe (in Gegenwart von 0,05 mM Kalzium). In dieser Hinsicht verhalten sich offenbar Zellen normalwuchsiger Pflanzen und hormonbehandelte gleichartig, aber verschieden von denjenigen der zwergwuchsigen Mutante. Deutlicher ausgepragt sind die Unterschiede in der Reaktion der Zellpotentiale nach Zusatz von Kalziumionen zur InkubationslOsung. In normalwuchsigen (d1NN) Koleoptilenzellen sind die Zellpotentiale in Gegenwart von Kalziumionen im gesamten untersuchten Kaliumionen-Konzentrationsbereich (0,5-10 mM) stets niedriger als im kalziumfreien Medium. Daher ist fUr jede Kaliumkonzentration eine mindestens geringe Depolarisation nach Inkubation mit Kalziumionen zu erwarten (vertikale Schnitte in Abb.2). In den Fallen der zwergwuchsigen Mutante dagegen solIte oberhalb bestimmter Kaliumionenkonzentrationen des Mediums der Zusatz von Kalziumionen zur Hyperpolarisation fUhren, wahrend unterhalb dieser Kaliumionenkonzentration Depolarisationseffekte hervorgerufen werden sollten. Es sollte beispielsweise in einem Medium mit weniger als 2 mM K+ der Zusatz von 1 mM Ca zum Inkubationsmedium depolari-

AD -/oq {k] 1.0.

OO-'/Og[k] 1.0

140 '-Ek \\

~JES

[m:~\ 120

' \

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10Co \

4CO

'\ 1CO 1Ca

l----~---,-___,,_;__"'f_;';=

\oCa

0.0. -loq[I<]-t.o

Abb.2. Zellpotentiale von unbehandelten, mit GAa bzw. fEB behandelten zwergwuchsigen soewi normalwuchsigen Maiskoleoptilen in Abhiingigkeit vom Kalium- und Kalziumionengehalt des Mediums. Gestrichelte Kurvenziige: Experimentelle Werte (NELLES und MULLER 1975).

a

Membranpotential der Maiskoleoptilenzellen unter EinfluB von K + und Ca ++. II.

391

sierend wirken, bei 2 mM ohne Wirkung bleiben und bei mehr als 2 mM K + potentialerhohend wirken. In den mit GibbereUinsaure bzw. Indolylessigsaure inkubierten zwergwiiehsigen Koleoptilensegmenten verhalten sieh die ZeUpotentiale ahnlieh den en in unbehandeltem Gewebe. Aus dem Verlauf der Kurvenziige ist zusatzlieh abzulesen, da.6 hier eine Kaliumkonzentration des Mediums existiert, bei der der Zusatz beliebiger Mengen von Kalziumionen ohne Einflu.6 auf das ZeUpotential bleibt (vgl. Abb. 2), wahrend bei geringeren Kaliumionenkonzentrationen Depolarisation, bei hoheren hingegen Potentialerhohung eintritt. Diese beiden Effekte soUten mit zunehmenden Kalziumkonzentrationen deutlieher in Erseheinung treten. Aus diesem Saehverhalt wird die friihere Beobaehtung, da.6 IES in kalziumfreiem Medium die Kalium-induzierte Depolarisation vermindert, in Gegenwart von 1 mM Kalzium hingegen fordert (NELLES und MUELLER 1975), verstandlieh. Die physiologisehe Bedeutung dieser Saehverhalte, deren experimenteUe Priifung wir derzeit vornehmen, ist vorlaufig weitgehend unklar. Die Tatsaehe, da.6 die KoleoptilenzeUen der zwergwiiehsigen Mutante einen mehr als doppelt so hohen nativen Kalziumgehalt und einen wahrseheinlieh geringeren Kaliumgehalt als die KoleoptilenzeUen der normalwiiehsigen Form besitzen (MULLER et al. 1973), korrnte in dies em Zusammenhang von besonderem Interesse sein. Frau E. LASKE danke ieh fur gewissenhafte Assistenz bei den experimentellen Arbeiten und Herrn Prof. Dr. E. MULLER, Jena, fur viele hilfreiche Diskussionen.

Literatur HIGINBOTHAM, N., Electropotentials of plant cells. Annu. Rev. Plant Physiol. 24, 25-46 (1973). MUELLER, E., ZUR NIEDEN, U., und NELLES, A., Zwergwuchs und Ionenhaushalt bei Mais (Zea mays L.). Biochem. Physiol. Pflanzen 165, 505 - 516 (1973). NELLES, A., und MUELLER, E., Die Wirkung von Kaliumionen auf das Zellpotential von Maiskoleoptilen und ihre Beeinflussung durch Indolylessigsaure (IES). Biochem. Physiol. Pflanzen. 167, 185-187 (1975). _ loneninduzierte Depolarisation der Zellen von Maiskoleoptilen unter dem EinfluB von Kalzium und ,B-Inoolylessigsaure (IES). Biochem. Physiol. Pflanzen 167, 253-260 (1975). NELLES, A., Das Membranpotential von Zellen der Maiskoleoptile unter dem EinfluB von Kaliumund Kalziumionen. I. Empirische Gleichungen. Biochem. Physiol. Pflanzen 167, 541-552 (1975). Eingegangen 15. Oktober 1975. Anschrift des Verfassers: Dr. AXEL NELLES, lnstitut fUr Biochemie der Pflanzen des Forschungszentrums fUr Molekularbiologie und Medizin der Akademie de]' Wissenschaften der DDR, DDR - 401 Halle/S., Weinberg.