Συγκριτική μελέτη της επίδρασης της τροφοπενίας αζώτου, φωσφόρου ή θείου στον μηχανισμό της λιγνινοποίησης των βλαστογενών ριζών του καλαμποκιού (Zea mays L., Poaceae)

Abstract

Young maize plants (Zea mays L., Poaceae) were subject to nitrate, sulphate or phosphate deprivation for 12 days. These treatments resulted in variations concerning morphological and physiological characteristics of the 1st whorl of adventitious roots. Putting forward the working hypothesis that the lignification process is affected in a differential way by each treatment we examined: 1) the spatial and temporal allocation of the lignin polymer and its precursors in each treatment, 2) the characteristics of the lignin in each treatment, 3) the alterations of the energy characteristics of the root in each treatment, focusing our interest in the oxygen consumption and the ATP levels, 4) the effect of each treatment on PAL and TAL activities, considering that both are key enzymes of the lignin biosynthetic pathway, 5) the effect on the hydrogen peroxide levels, which are closely related to the lignin biosynthesis and 6) the role of both the reactive oxygen species and calcium as signal transducers and as parts of the lignification mechanism. The 1st whorl of adventitious roots was selected as the target organ, because these roots started to grow at the same time with the beginning of the deprivation. Our results show that the each deprivation affected the lignification process in a different way. The lignification was more intense and widely spread during nitrate deprivation, while both sulphate and phosphate deprivations showed a significant increase in lignification. All treatments and mostly nitrate deprivation, clearly reinforced specific anatomical areas of the root (rhizodermis, 1st layer of hypodermis, endodermis, xylem and xylem parenchyma). Increase was noticed at the activities of the oxidative enzymes involved in the oxidative polymerization of the monolignols in order to produce the lignin polymer. Under nitrate deprivation we observed an increase in the laccase activity, under phosphate deprivation an increase in peroxidase activity, while under sulphate deprivation relatively small alterations were observed. In addition, the presence of cellulose at the cell wall seemed to affect the corresponding presence of the lignins, a fact shown by the changes in the intensity of the lignin signal. These deprivations also affected the energetics of the root, as long as the oxygen consumption and the ATP levels were concerned. We observed an increase in the oxygen consumption in all treatments in relation to the control, especially under nitrate deprivation while ATP levels remained very low. PAL activity showed a significant increase under nitrate and phosphate deprivation. We also observed alterations in hydrogen peroxide levels in relation to the control: A significant increase under nitrogen deprivation, a smaller one under sulphate deprivation and a slight decrease under phosphate deprivation. Reactive oxygen species appear to play a double role in the lignification process, since their presence is intense in both non-lignified and lignified areas. Each treatment displayed a different pattern in the presence and allocation of reactive oxygen species and calcium. The use of calcium activity modifiers affected lignin allocation: The presence of caffeine led to a decrease in lignification, especially under nitrate deprivation, while the presence of ruthenium red resulted in alterations of the lignification in all treatments.

Νεαρά φυτά καλαμποκιού (Zea mays L, Poaceae) υποβλήθηκαν σε έλλειψη αζώτου, θείου ή φωσφόρου από το διάλυμα για 12 ημέρες. Αυτές οι μεταχειρίσεις είχαν ως αποτέλεσμα διαφοροποιήσεις σε μορφολογικά και φυσιολογικά χαρακτηριστικά των βλαστογενών ριζών 1ης σειράς. Διατυπώσαμε την υπόθεση εργασίας ότι η διαδικασία της λιγνινοποίησης επηρεάζεται από κάθε μεταχείριση με διαφορετικό τρόπο και εξετάσαμε: 1) πώς κατανέμονται στον χώρο και στον χρόνο οι πρόδρομες ενώσεις και το πολυμερές τις λιγνίνης σε κάθε τροφοπενία, 2) τα χαρακτηριστικά των λιγνινών σε κάθε περίπτωση, 3) πώς επηρεάστηκαν τα ενεργειακά χαρακτηριστικά της ρίζας επικεντρώνοντας το ενδιαφέρον μας στην κατανάλωση οξυγόνου και στα επίπεδα του ΑΤΡ, 4) πώς επηρεάστηκε η δραστικότητα της PAL, η οποία αποτελεί το βασικότερο ένζυμο του βιοσυνθετικού μονοπατιού της λιγνίνης, 5) πώς επηρεάστηκαν τα επίπεδα του υπεροξειδίου του υδρογόνου, που σχετίζεται στενά με τη βιοσύνθεση της λιγνίνης και 6) τον ρόλο των ενεργών μορφών οξυγόνου και του ασβεστίου ως μεταγωγών σημάτων και ως εξαρτημάτων του μηχανισμού της λιγνινοποίησης. Ο λόγος που επιλέχθηκαν οι βλαστογενείς ρίζες 1ης σειράς είναι ότι πρόκειται για ρίζες οι οποίες ξεκινούν την ανάπτυξή τους ταυτόχρονα με την έναρξη της τροφοπενίας. Τα αποτελέσματά μας έδειξαν ότι οι τροφοπενίες επηρέασαν τη διαδικασία της λιγνινοποίησης, με διαφορετικό τρόπο σε κάθε περίπτωση. Η λιγνινοποίηση φάνηκε πιο έντονη και σε μεγαλύτερη έκταση κατά την έλλειψη αζώτου, ενώ και οι ελλείψεις θείου και φωσφόρου παρουσίασαν αυξημένη λιγνινοποίηση. Σε όλες τις τροφοπενίες και περισσότερο στην έλλειψη αζώτου φάνηκε η προσπάθεια ενίσχυσης συγκεκριμένων ανατομικών περιοχών της ρίζας (ριζοδερμίδα, 1η στοιβάδα της υποδερμίδας, ενδοδερμίδα, αγγεία του ξύλου και ξυλώδες παρέγχυμα). Αντίστοιχες αυξήσεις παρατηρήθηκαν και στη δραστικότητα των οξειδωτικών ενζύμων που εμπλέκονται στον οξειδωτικό πολυμερισμό των μονολιγνολών προς σχηματισμό του πολυμερούς της λιγνίνης: Κατά την τροφοπενία αζώτου παρατηρήθηκε αυξημένη δραστικότητα λακκάσης, κατά την τροφοπενία φωσφόρου αυξημένη δραστικότητα περοξειδάσης ενώ μικρές διακυμάνσεις παρατηρήθηκαν υπό την έλλειψη θείου. Επιπλέον, η παρουσία κυτταρίνης στο κυτταρικό τοίχωμα φάνηκε να επηρεάζει την αντίστοιχη παρουσία λιγνινών, κάτι που αντικατοπτρίστηκε στις μεταβολές της έντασης του σήματος των λιγνινών. Από τις τροφοπενίες φαίνεται ότι επηρεάστηκαν και τα ενεργειακά χαρακτηριστικά των ριζών, τουλάχιστον όσον αφορά στην κατανάλωση οξυγόνου και τα επίπεδα του ΑΤΡ. Η κατανάλωση οξυγόνου αυξήθηκε σε όλες τις τροφοπενίες σε σχέση με το μάρτυρα ειδικά κατά την τροφοπενία αζώτου, ενώ τα επίπεδα του ΑΤΡ ήταν πολύ χαμηλότερα του μάρτυρα ιδιαίτερα τις πρώτες ημέρες. Η δραστικότητα της PAL που αποτελεί ένζυμο-κλειδί για τη βιοσύνθεση των πρόδρομων ενώσεων της λιγνίνης παρουσίασε σημαντική αύξηση κατά την τροφοπενία αζώτου και φωσφόρου. Διαφοροποιήσεις σε σχέση με το μάρτυρα εντοπίστηκαν και στα επίπεδα του Η₂Ο₂ που αποτελεί σημαντικό παράγοντα στη διαδικασία της λιγνινοποίησης. Συγκεκριμένα σε γενικές γραμμές παρατηρήθηκε μεγάλη αύξηση στα φυτά -Ν, μικρότερη στα φυτά -S και μικρή μείωση στα φυτά -Ρ. Οι ενεργές μορφές οξυγόνου φαίνεται ότι έχουν διπλό ρόλο στη διαδικασία της λιγνινοποίησης, αφού η παρουσία τους είναι έντονη τόσο σε μη λιγνινοποιημένες όσο και σε λιγνινοποιημένες περιοχές. Κάθε μεταχείριση παρουσιάζει διαφορετική εικόνα όσον αφορά στην παρουσία και την κατανομή των ενεργών μορφών οξυγόνου. Η χρήση τροποποιητών της δράσης του ασβεστίου επηρέασε την κατανομή της λιγνινοποίησης: Η παρουσία καφεΐνης μείωσε την παρατηρούμενη λιγνινοποίηση, ειδικά στην τροφοπενία αζώτου, ενώ η παρουσία ερυθρού του ρουθηνίου προκάλεσε διαφοροποιήσεις στη λιγνινοποίηση όλων των τροφοπενιών.