Wirkung des Lichts auf die Protoplasmaströmung in Wurzelhaaren von Hordeum vulgare L.

Biochem. Physiol. Pflanzen 172, 181-185 (1978) nitro-

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Kurze Mitteilung

Wirkung des Lichts auf die Protoplasmastromung in Wurzelhaaren von Hordeum vulgare L. H. AUGSTEN und L. FINKE

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Sektion Biologie der Friedrich-Schiller-U niversitat J ena, D D R, Wissenschaftsbereich Pflanzenphysiologie

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Key Term Index: light, phytochrome, protoplasmic streaming, root hair; Hordeum vulgare

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Summary The effect of irradiation with white light and red light, respectively, on protoplasmic streaming in barley root hairs (Hordeum vulgare L.) was studied. Light during germination (48 h) stimulates the streaming but inhibition is observed after germination in dark. The protoplasmic streaming depends on the period of irradiation if light is given after germination in darkness. Red light applicated after dark-germination promotes the streaming. This red light effect is reversible by far-red light but not by darkness; red light compensates the influence of far-red light. The results suggest the existence of a photoreceptor, probably the phytochrome system.

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Die Protoplasmastromung in chlorophyllfreien Wurzelhaaren ist ein giinstiger Indikator fUr Lichtwirkungen, die zu Photosynthese und Plastidenbewegung nicht in Beziehung stehen. Bei Wurzelhaaren von Hordeum vulgare z. B. wird die Plasmastromung durch sichtbares Licht und durch UV-Strahlung erheblich beeinfluBt. Untersuchungen zur Wirkung verschiedener Wellenlangenbereiche zeigten, daB Blau-, Griin- und Rotlicht die Stromungsgeschwindigkeit unterschiedlich stark stimuliert (KEUL et al. 1969, KEUL 1976, POP et al. 1971, VINTILA et al. 1973). nber die Blau- und Griinlicht-Effekte vermittelnden Photorezeptoren sind Vorstellungen bereits vorhanden; die Frage nach dem Photorezeptor fiir die Rotlicht-Wirkung aber ist noch vollig offen (KEUL 1976). In vorliegender Untersuchung sollte die Abhangigkeit der Protoplasmastromung von Zeitpunkt und Dauer der Bestrahlung gepriift werden. Ferner interessierte, ob das Phytochromsystem als ein moglicher Photorezeptor fiir den Rotlichteffekt in Betracht kommt. Karyopsen von Hordeum vulgare L., Sorte "Galina" (Ernte 1974) wurden in Petrischalen auf 2°C). Die Keimung erfolgte feuchtem Filterpapier (Leitungswasser) zur Keimung ausgelegt (22 im Dunkeln oder im Licht bei 4700 bzw. 3100 Ix. Als Lichtquelle dienten Leuchtstoffriihren "WeiB de Lux" bzw. "Lumoflor 40" des VEB Narva, Brand-Erbisdorf. Nach 48 Std. wurden die etwa 10 mm langen Wurzeln isoliert, zum Abklingen des Wundreizes 15 min in Tris-~Ialeat-NaOH-Puffer(pH 7,0) und dann auf den Objekttrager zur Bestrahlung bzw. zur Messung der Striimungsgeschwindigkeit ii berfiihrt.

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Die Bestrahlung der isolierten Wurzeln mit Hellrot (HR) bzw. Dunkelrot (DR) erfolgte unter Verwendung von Metallinterferenzfiltern (VEll Carl Zeiss, Jena): Filter IF 659 bzw. IF 725 (Aa,ax: 659 bzw. 732 nm; Halbwertsbreite: 6,5 bzw. 5,0 nm; max. Transmission: 43 bzw. 30 %; 2,550· 104 bzw. 1,449.104 erg cm-2 S-I). Zur Messung der Protoplasmastromung benutzten wir meistens das Mikroskop NfpK des VEB Carl Zeiss, Jena, mit Phasenkontrasteinrichtung (Objektiv HI 90/1,25; Okular 10). Eine Lichtwurflampe (12 V, 100 W) mit Griinfilter VG 4 diente als Lichtquelle (3,856· 105 erg cm- 2 s-'). Der Filter VG 4 hat einen max. Transmissionsgrad von 0,661 (546 nm), 0,211 (644 nm) bzw. 0,220 (700 nm). Nach HR- bzw. DR-Behandlung werteten wir mit einem "Amplival" des VEB Carl Zeiss, Jena, aus (Objektiv HI 100/1,25; Okular 10). Lichtquelle war eine Lichtwurflampe (6 V, 15 W) mit Griinfilter VG 4; sie wurde auch fiir die HR- bzw. DR-Bestrahlung der Wurzeln verwendet. Die Einrichtung zur Messung der Protoplasmastromung gewahrleistet einen kontinuierlichen DurchfluB der Puffer!osung, so daB pH- Wert und Temperatur am Versuchsobjekt auch wahrend der Messung konstant bleiben (pH 7,0; 20 ± 2 DC). Der mittlere Teil des Objekttragers war an den Langsseiten mit aufgeklebten Stegen aus Deckglasstiicken versehen und diente der Aufnahme der isolierten Wurzeln; seitlich davon wurden die ZufluB- bzw. Absaugkapillaren fixiert. Diese Einrichtung stellt gegeniiber den sonst iiblichen Verfahren (vgl. z. B. POP et al. 1971, LAZAR-KEUL und SORAN 1971, POPOVICI und REZNIK 1976) eine wesentliche Verbesserung dar. Die Geschwindigkeit der Protoplasmastromung in den 700-750.um langen Wurzelhaaren bestimmten wir nach STRUGGER (1949). Die Messungen innerhalb eines Versuches wurden an ein und demselben Wurzelhaar ausgefiihrt (60 Messungen in 15 Min., max. Versuchsdauer 120 min). Jeder Versuch lief in 3 Parallel en. Die Signifikanzpriifung erfolgte nach dem t-Test.

Nach Keimung der Karyopsen im Wei.l3licht (48 Std.) stieg· die von vornherein erhOhte Geschwindigkeit der Protoplasmastromung wahrend der Auswertung erheblich an; diese Stimulation war nach entsprechender Lumoflorlicht-Behandlung signifikant geringer. Eine Keimung der Karyopsen im Dunkeln hatte Stromungsstillstand innerhalb von 45-60 Min. zur Folge (Abb. 1A). Nach Dunkelkeimung der Karyopsen (48 Std.) zeigte die Protoplasmastromung eine eindeutige Abhangigkeit von der Dauerder nachfolgenden Lumoflorlicht-Behandlung. Langere Bestrahlung der Keimlinge (15 bzw. 20 Min.) stimulierte, wobei die 15 Min.Variante die hOchsten Werte lieferte. Kiirzere Behandlungszeiten (5 bzw. 10 Min.) blieben wirkungslos; wie bei der Dunkelkontrolle stagnierte die Stromung nach 4560 Min. (Abb.1B). Die Protoplasmastromung der nach 48 Std. Dunkelkeimung isolierten Wurzeln wurde auch durch HR (15 Min.) gefordert. Der gleiche Effekt war nach alternierender Bestrahlung (15 Min. HR + 15 Min. DR + 15 Min. HR) zu beobachten. 15 Min. DR oder 15 Min. HR + 15 Min. DR bewirkten Stromungsstillstand; der HR-Effekt laBt sich durch DR revertieren, doch liegen die Stromungswerte zunachst eindeutig hoher als bei alleiniger DR-Behandlung. Foigte der HR-Einstrahlung (15 Min.) statt der DReine Dunkelphase (15 Min.), stieg die Stromungsgeschwindigkeit an (Abb. 1 C). Die Ergebnisse lassen auf die Existenz eines Photorezeptors schlieBen, der die Wirkung des Rotlichtes auf die Protoplasmastromung vermittelt. Hierbei diirfte es sich urn das Phytochromsystem handeln. In den Wurzeln verschiedener Keimlinge konnte Phytochrom bereits nachgewiesen werden (BRIGGS und SIEGELMAN 1965, COLEMAN lind PRATT 1974, PRATT und COLEMAN 1974). TEPFER und BONNETT (1972) betrachten

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Abb. 1. Einfluf3 von Licht auf die Protoplasmastromung.

A: EinfluB von WeiBlicht (e) bzw. Lumoflorlicht (0) wiihrend der Keimung (48 Std.) auf die Protoplasmastromung. - Dunkelkontrolle (x); 0 min = Beginn der Messung. B: EinfluB von Lumoflorlicht-Bestrahlung der Keimlinge nach Dunkelkeimung (48 Std.): 20 (e), 15 (0), 10 ( x) und 5 min (A). 0 min = Beginn der Messung. C: EinfluB von Hellrot (HR) bzw. Dunkelrot (DR). Bestrahlung der isolierten Wurzeln nach Dunkelkeimung (48 Std.): 15 min HR (e), 15 min HR + 15 min Dunkel (0), 15 min DR (x), 15 min HR + 15 min DR (A), 15 min HR + 15 min DR + 15 min HR (,/',). 0 min = Ende der Bestrahlung bzw. Beginn der Messung.

das Pigment als Photorezeptor fUr die Lichtinduktion des positiven Orthogeotropismus. Die Knospenentwicklung an isolierten Wurzeln wird ebenfalls durch Phytochrom reguliert (BONNETT 1972). Auch andere Ergebnisse sprechen fur eine physiologische Funktion des in den Wurzeln lokalisierten Pigmentsystems (BURCKY und KAUSS 1974, RACUSEN und ETHERTON 1975 u. a.). Nach POP et al. (1971) wirkt neben Blaulicht auch Rotlicht auf die Protoplasmastromung stimulierend (vgl. auch KEUL et al. 1969); sie diskutieren die mogliche Existenz mehrerer Photorezeptoren und einen Wirkungsmechanismus, der photochemische und enzymatische Reaktionen einschlieJ3t. Nach KEUL (1976) ist der photodinetische Effekt bei 443 nm photokatalytisch gesteuert; hinsichtlich der spektralen Wirksamkeitsverteilung fand er bei der Plasmastromung in Gerste-Wurzelhaaren zwei Maxima (366 und 443-465 nm), einen Nebengipfel (537-554 nm) und mit Rotlicht eine nur sehr schwache Reaktion. Ais Photorezeptor fUr die Blaulichtwirkung wird ein Flavin angenommen und als moglicher Photorezeptor fUr Grunlicht werden die Cytochrome

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diskutiert, doch muE die Frage nach der Existenz und stofflichen Natur eines zweiten Photorezeptorsystems in den Wurzelhaaren nach KEUL (1976) noch offen bleiben. In Ubereinstimmung mit unseren Ergebnissen stehen z. B. auch Befunde an Mougeotia-Chloroplasten; HR induziert die Plastidenbewegung und steigert Zahl und Aktivitat der Plasmafibrillen, wahrend DR und Dunkelheit entgegengesetzt wirken (SCHONBOHM 1973b, 1974). Angenommen wird ebenfalls ein phytochromgesteuerter Mechanismus. LAWSON und WEINTRAUB (1975a, b) diskutieren einen EinfluE des Rotlichtes auf die Mikrotubuli-Synthese aus Subunits sowie eine entsprechende Wirkung auf ihre Anordnung. Plasmafibrillen und Mikrotubuli aber sind im Zusammenhang mit intrazellularen Bewegungsvorgangen und Mikrofibrillen-Orientierung von erheblichem Interesse (O'BRIEN und MCCULLY 1970, SCHONBOHM 1973a, HARDHAM und GUNNING 1977). Literatur BONNETT, H. T.: Phytochrome regulation of endogenous bud development in root cultures of Convolvulus arvensis. Planta (Berl.) 106, 325-330 (1972). BRiGGS. W. R., and SIEGELMAN, H. W.: Distribution of phytochrome in etiolated seedlings. Plant Physiol. 40, 934-941 (1965). BURCKY, K., und KAUSS, H.: Veranderung im Gehalt an ATP und ADP in Wurzelspitzen der Mungobohne nach Hellrotbelichtung. Z. Pflanzenphysiol. 73,184-186 (1974). COLEMAN, R. A., and PRATT. L. H.: Subcellular localization of the red-absorbing form of phytochrome by immunocytochemistry. Planta (Berl.) 121, 119-131 (1974). HARD HAM, A. R., and GUl>NIl>G, B. E. S.: The length and disposition of cortical microtubules in plant cells fixed in glutaraldehyde-osmium tetroxide. Planta (Berl.) 134, 201-203 (1977). KEUL, M.: Das Wirkungsspektrum der Photodinese in den Wurzelhaaren der Gerste (Hordeum vulgare L.). Z. Pflanzenphysiol. 79, 40-52 (1976). - SORAN, V., und LAZAR-KEUL, G.: Uber die chemische und photodynamische Wirkung von Neutralrot auf die Rotationsstromung bei Hordeum vulgare L. Protoplasma 67, 279-293 (1969). LAWSON, V. R., and WEINTRAUB, R. L.: Interactions of microtubule disorganizers, plant hormones, and red light in wheat coleoptile segment growth. Plant Physiol. 55, 1062-1066 (1975a). - - Effects of red light on the growth of intact wheat and barley coJeoptiles. Plant Physiol. 56, 44-50 (1975b). LAZAR-KEUL, G., und SORAN, V.: Uber die Wirkung von ATP und einigen Kationen auf die Rotationsstriimung in den Wurzelhaaren der Gerste (Hordeum vulgare L.). Rev. Roum. BioI. Bot. 16, 365-370 (1971). O'BRIEN, T. P., and MCCULLY, M. E.: Cytoplasmic fibres associated with streaming and saltatoryparticle movement in Heracleum mantegazzianum. Planta (Berl.) 94, 91-94 (1970). POP, E., POPOVICI, G., and SORAN, V.: The chemical and photosensitizing action of riboflavin on rotational streaming. Z. Pflanzenphysiol. 64, 97-106 (1971). POPOVICI, G., and REZNIK, H.: The effect of some flavonoids on the protoplasmic streaming in oat (Avena sativa) root hairs. Z. Pflanzenphysiol. 80, 417-425 (1976). PRATT, L. H., and COLEMAN, R. A.: Phytochrome distribution in etiolated grass seedlings as assayed by an indirect antibody-labelling method. Am. J. Bot. 61, 195-202 (1974). RACUSEN, R. H., and ETHERTON, B.: Role of membrane- bound, fixed-charge changes in phytochrome-mediated mung bean root tip adherence phenomenon. Plant Physiol. ;).), 491-495 (1975). SCHONBOHM, E.: Kontraktile Fibrillen als aktive Elemente bei der Mechanik der Chloroplastenverlagerung. Ber. Dtsch. Bot. Ges. 86, 407-422 (1973a).

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Die lichtinduzierte Verankerung der Plastiden im cytoplasmatischen Wandbelag: Eine phytochromgesteuerte Kurzzeitreaktion. BeI. Dtsch. Bot. Ges. 86, 423-430 (1973b). Untersuchungen zur Mechanik der lichtorientierten Chloroplastenbewegung unter besoJ/derer Beriicksichtigung der Plasmastrukturen. LEITZ-Mitt. Wiss. u. Techn. 6, 98-109 (1974). STRUGGER, S.: Praktikum der Zell- und Gewebephysiologie der Pflanze. 2. Aufl., Springer Verlag, Berlin-Gottingen-Heidelberg 1949. TEPFER, D. A., and BONNETT, H. T.: The role of phytochrome in the geotropic behavior of roots of Convolvulus arvensis. Planta (Eln.) 106, 311-324 (1972). VINTILA, R, LAZAR-KEUL, G., KEUL, M., und SORAN, V.: Die Schutzwirkung von Glukose und myoInositol gegeniiber UV-Strahlenstich-Schadigungen im Cytoplasma der Wurzelhaare der Gerste (Hordeum vulgare L.). Rev. Roum. BioI. Bot. 18, 109-118 (1973).

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Eingegangen 26. Mai 1977. Anschrift der Verfasser: Prof. Dr. HELMUT AUGSTEN und Dipl.-Biol. LUTZ FINKE, Sektion Biologie, Wissenschaftsbereich Pflanzenphysiologie, Friedrich-Schiller-Universitat, DDR - 69 Jena, Von-Hase- Weg 3.

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