Planta (Berl.) 84, 279--291 (1969)

Hemmung der Bliitenbildung yon Lemna gibba durch Ammonium R,IKLEF KANDELEtr Botanisches Institut I der Universitat Wiirzburg Eingegangen am 10. Oktober 1968

Inhibition, o/ .Flowering in Lemna gibba by Ammonium Ions Summary. Ammonium ions completely inhibit the flowering of Lemna gibba G1 and G3 without a simultaneous effect on the growth and multiplication of fronds. A concentration of 10-4 M NH~ is effective in strain G3. The NH~-inhibition of flowering is reversed by ATP and, more effectively, by ADP. With reference to recent literature the opinion is confirmed that ammonium ions cause a decrease of the ATP available in relation to the level of NAD(P)H and as a consequence flowering is inhibited. Possible primary actions of ammonium ions are the uncoup]ing of photophosphorylation, the repression of nitrate- and nitrite-reductase and the increase of NH+-detoxication processes.

Einleitung Ammonium hat nicht nur als Stickstoffquelle und als allgemeines Zellgift Bedeutung ffir die Pflanze. Es liegen mehrere Angaben darfiber vor, dal3 Ammonium eine spezielle Wirkung auf bestimmte Entwicklungsprozesse ausfiben kann. So 15st z.B. N H + in Gewebekulturen yon Daucus carota Embryobildung aus, w~thrend bei dem gleichen Material mit anderen Stickstoffquellen nut Ca!luswachstum erfolgt (HALPERIN et al., 1965). Bei Anabaena/los-aquae wird durch Zugabe yon Ammoniumsalzen die Heteroeystenbfldung unterdrfickt (1V[IC~ELSONet al., 1967). Auch die Sporulation yon Saccharomyces (MILLER, 1959, 1964; MILLER et al., 1964) und die Conidienbildung yon Neurospora crassa (OuLEVEu MATIXIAN et al., 1968) werden dutch Ammonium unterbunden. I n der vorliegenden Arbeit wird fiber eine NH4+-Hemmung der Bliitenbildung yon Lemna gibba berichtet. Die Untersuchung wurde aus zwei Griinden unternommen, tIILL~IAN (1961a, b,c) hatte in seinen Arbeiten mehrfach erwahnt, dal~ Lemna gibba in der N/ihrlSsung nach H1rT~F,~ nicht oder nut sehr sehlecht zur Bliite kommt. Dabei blieb often, welehe Komponente der NahrlSsung ftir diesen Effekt verantwortlich war. I n Frage kamen nach HILLMAN vor allem der hShere pHWert, der hShere Spurenelementgehalt oder der zus/~tzliehe Ammoniumgehalt der Hutner-LSsung. Zum anderen hatten eigene Untersuchungen Hinweise daffir erbracht, dal~ die Blfitenbildung yon Lemna gibba auf 19 Planta(Berl.), Bd. 84

280

R. KAND~LER:

eine B i l d u n g y o n , U b e r s e h u l ~ " - A T P 1 in der P h o t o s y n t h e s e - P h o s p h o r y lierung angewiesen ist (KANDELER, 1964a, b, 1968). Versuche m i t A t e b r i n ( E n t k o p p l e r der P h o t o p h o s p h o r y l i e r u n g ) u n d A r s e n a t (Entk o p p l e r der o x y d a t i v e n u n d P h o t o p h o s p h o r y l i e r u n g ) ffihrten d a n n zu d e m Ergebnis, d a b die B l f i h i n d u k t i o n bei Lemna gibba d u r c h d e r a r t i g e A g e n t i e n spezifisch, d . h . ohne gleiehzeitige B e e i n t r s des vegetar i v e n W a c h s t u m s g e h e m m t w e r d e n k a n n ( K A ~ D ~ L ~ , 1967; in Vorbereitung). D a auch A m m o n i u m an isolierten Chloroplasten e n t k o p p e l n d auf die P h o t o p h o s p h o r y l i e r u n g w i r k t ( L i t e r a t u r s. Goo~) et al., 1966), w u r d e m i t diesem Stoff eine R e i h e y o n Versuchen durchgeffihrt, fiber die i m folgenden b e r i c h t e t wird.

Material und Methoden a) Als Ver~uch~materialwurden die St~mme G1 and G3 yon Lemna gibba verwendet. Das Ausgangsmaterial fiir den Stamm G 1 stammt aus dem Tegeler Fliess bei Berlin-Schitdow; das Material fiir den Stature G3 wurde yon Herrn Dr. K. R. AeP~L im Botanischen Garten Catania (Sizilien) gesammelt. Die St~mme werden seit 1952 (G1) bzw. 1953 (G3) ununterbroehen in Sterilkultur gehalten. Vor Beginn eines Versuches wurden die Pflanzen jeweils unter Bedingungen kaltiviert, die weitgehend denen der Versuehskontrolle entsprachen. b) Die Vorversuche (Versueh Nr. 1 and 2) wurden in 300 ml-Erlenmeyerkolben (mit 200 ml N~hrlSsung) durchgefiihrt. Je eine 2- bis 3gliedrige Pflanze wurde zu Beginn des Versuchs in die Kolben fibertragen. Aus dieser Pflanze entwiekeln sieh durch vegetative Vermehrung in 2--3 Woehen eine gro~e Zahl yon neuen Pflanzen, die darm auf ihren Gehalt an Blfitenanlagen untersucht werden kSnnen. Im Versuch Nr. 1 wurde bestimmt, welches Blfihstadium (vgl. KA~D:~LE~, 1955) maximal in jedem Kolben naeh 15 bzw. 18 Tagen erreicht worden war. Fiir die Auswertung des Versuchs Nr. 2 wurden aus jedem Kolben i0 Pf[anzen entnommen und zwar solche, an denen drei aufeinanderfolgende Generationen sichtbar waren. Ausgesucht warden dabei nur Pflanzen, die auBer dem Muttersprol~ ( ~ drittletzte Generation : X-Generation), noch den el~ten der insgesamt veto ~uttersproB gebildeten Tochtersprosse ( = zweittetzte Generation = Y-Generation) uud dessert ersten Tochtersprol~ ( = letzte siehtbare Generation = Z-Generation) besal~en. (Das Alter des Muttersprosses ist am Chlorophyllgehalt der zugehSrigen Wurzel erkennbar. Die Wurzel altert wesentlieh sehneller Ms der SproB.) Durch Pr~parieren der genannten Sprosse unt~r dem Stereomikroskop wurde dann die Anzahl der Bliiten bzw. Blfitena, nlagen festgestellt, die von je 10 Sprossen in den drei letzten Generationen gebildet worden war. c) Bei den Hauptversuchen (Versuch Nr. 3--6) warden in jeder Versuchsgruppe 5 (Versuch Nr. 5) bzw. 8 Einzelpflanzen in je ein Reagensglas (mit 10 ml N~ihr15sung) gebracht und alie 3--4 Tage in sin neues Reagensglas mit frischer N~hr15sung fibergesetzt. Ubertragen wurden jedoch nut die beiden jeweils jiingsten SproBgenerationen (der erste der veto MuttersproB insgesamt gebildeten Toehtersprosse und dessen erster ToehtersproB); die drittletzte Genera~tion blieb zur 1. Abkiirzungen: ADP Adenosim5'-diphosphat, tri-Natriumsatz, ATP Adenosin5"-triphosphat, di-Natriumsalz, DC]~IU Diehlorphenyldimethy]harnstoff, EDTA Dinatriumsalz der ~thylendiamintetraessigs~ure, FeII1-EDTA Eisen(III)-Na.triumsalz der ~thylendiamintetraessigsiiure.

Hemmung der B15tenbildung durch Ammonium

281

Untersuehung zuriick (vgl. KANDELER, 1966, Abb. 3). Diese Art der Versuchskul~ur ermSglicht die Erfassung der Sprol3generationenfolge, schaltet die uneinheitlieh reagierenden Beisprosse aus und reduziert gleiehzeitig stSrende Anderungen ia der NahrlSsungszusammensetzung w~hrend des Versaehs. Alle Sprosse der direkten Generationenfolge wurden unter dem Stereomikroskop auf das Vorhandensein yon Bliiten bzw. Bliitenanlagen bin untersucht. Als MaB ffir die Geschwindigkeit der vegetativen Vermehrung dient die Anzahl der wahrend der Versuchsdauer neu gebildeten Sproggenerationen. Dieser Wert wurde fiir jede Pflanze bestimmt und dann daraus fiir die Pflanzen einer Versuchsgruppe der Mittelwert ( = AS-~Vert) gebildet. d) Die in Versuch Nr. 1 benutzten N~ihrlSsungen besitzen folgende Zusammensetzung: 1. Ni~hrlSsung nach I~RSON und SEIDEL (1950): KNO~ 400, MgSO(7 H20 300, KH2PQ 200, CaC12.6HeO 1198, iXnC12.4tt20 0,3, H3BO 3 0,5, FeSO4-7tt20 5,0 mg auf 1000 ml glasdestilliertes Wasser. 2. L-Medium nach HILL~A~ (1959) : Ca(NO3)e'4HeO 1180,5, MgSO4.7ttzO 493, KNO 3 1516,5, KH~PO 4 675,5, Eiseneitrat 3,0 (s~att Eisenta.rtrat im Originalrezept), H3BO a 2,86, MnCI2-4H~O 3,62, ZnSO4-7H20 0,22, iNa2MoO~.2H20 0,12, CuS04.5tt20, 0,08rag auf 1000ml H~O. 3. N~hrl6sung naeh HUT~ER (s. LAN:DOLDT,1957): K~HPO t 400, Ca(NOa)o4H20 259, ~{gSQ'7H20 500, NH4NO a 200, FeSO(7H~O 25, ZnS0(7H~O 65, MnSO(H~O 15, H3BO 3 15, Nao.MoO(2H20 25, CuSO(SH~O 4, CoSOa.7H~0 t, EDTA 500 mg auf 1000 ml HeO. Diese LSsungen erhielten in Versuch Nr. 1 einen Zusatz yon Saceharose (10 g/l). Nach Zugabe yon zus~ttzlichem EDTA in einigen Versuchsgruppen wurde dann der pH-Wert in allen LSsungen auf ca. 4,8 eingestellt. - - Alte weiteren Versuche wurden mit der angegebenen N~hrlSsung nach Pmso~ und S~IDEL durchge~iihrt, in den Versuchen Nr. 2, 3, 4 und 6 jedoch mit Eisen als FeIII-EDTA (in Versuch Nr. 5 Zusatz yon 3 rag/1 NaC1). Die Sterilisation der N~ihrlSsungen er;[olgte entweder durch Autoklavieren in den Kulturgefiil~en (Versueh Nr. t, 2, 5) oder durch Steritfiltrieren in die trockensterilisierten Versuchsgef~i]e mit einem ~[embranfilterger~i.t (Versueh Nr. 3, 4, 6). Um in Versuch Nr. 6 der LSsung das si~ureempfindliche ATP zugeben zu kSnnen, mul]te der pHWert (in allen Versuchsgruppen) auf 6,8 gebrach~ werden. Dazu war es notwendig, die NahrlSsung vorher auf ~/t0 der Ausgangskonzentration zu verdiinnen, um Niederschlagsbildung zu vermeiden. e) Die Belichtung der Kulturen erfolgte in Versuch Nr. 1 mit einem wassergekfihlten Strahler, in dem G1fhlampen und blaue sowie blaugriine Leuchts~offlampen kombiniert sind (spektrale Energieverteilung s. K a ~ D ~ , ~ , 1966). Die Strahlungsintensitat betrug 15--18kerg-em-~.sec -~, die t~gIiche BeIichtungsdauer 16 Std. In den Versuchen Nr. 2, 3, 4 und 6 wurden ftir die Beliehtung Leuch~stofflampen ,,GRO-LUX-Standard" (Fa. Sylvania) benutzt (Strahlungsintensiti~t ca. 15kerg'cm--~ -~, t~gliche Belichtungsdauer 20Std). Im Versuch Nr. 5 kamen Leuchtstofflampen ,,Wei3 de Luxe Z" (L 20 W/22 Fa. Osram) zur Anwendung (Strahlungsintensit~t ca. 14kerg'cm-~-see-~, t~gliehe Belichtungsdauer 20 Std). /) Die Temperaturkonstanz wurde in den Versuchskulturen dutch WasserMider und Ultrathermostaten hergestellt. In den Versuchen Nr. 1 und 5 betrug die Versuehstemperatur 29--30 ~ C, in den Versuchen Nr. 2, 3, 4 und 6 2 6 ~ 0,5 ~ C.

Ergebnisse Der in Tabelle 1 wiedergegebene Versuch Nr. 1 diente zun/ichst d e m Zweck, m e h r e r e bis d a h i n fiir L e m n a c e e n bentitzte Ns in ihrer W i r k u n g auf die Blfitenbildung y o n Lemna gibba G 1 zu vergleichen. 19-

282

R. KANDELER:

Tabelle 1. Wi@ung verschiedener Niihrl6sungen ctu/ die Bligtenbildung yon Lemna gibba G1 (Versuch N~'. 1) KolbenNr.

Nahrl6sung

Maximal erreiehtes Blfihstadium nach 15 Tagen

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

PmsoN und SEIDEL PmsoN und SEIDEL PmSON und SEIDEL-~ 2" 10-6 M EDTA Pmso~ und SEIDEL-~2" 10-s M EDTA PIRSOS und S~ID~r~+ 2-10 -~ M EDTA Pmso~ und S~IDEL+ 2" 10-~ M EDTA L-Medium (HILL~A~-) L-Medium (HILL~'IAN) L-Medium + 10-6 M EDTA L-Medium + 10-r M EDTA L-Medium + 10-5 M EDTA L-Medium + 10-5 M EDTA L-Medium + 3.10 -5 M EDTA L-Medium + 3-10-~ M EDTA

15

HUTNER

16

HUT~ER

18 Tagen

0 II I II V V O O O 0 I I II II O

0

Als NghrlSsung, die die relativ beste Bltitenbildung erlaubt, wurde die LSsung nach PI~so~ und S~IDEL mit einem Zusatz yon 2- l0 -5 M EDTA ermittelt. Da die positive Wirkung des EDTA-Zusatzes im vorliegenden Fall vermutlich vor allem auf die Verbesserung tier Eisenversorgung zurfickgeht (KANDELER, 1962), wurde in den sp~teren Versuehen der N/~hrlSsung das Eisen als FeIII-EDTA zugesetzt. In Versueh Nr. 1 wurde nun auBerdem das vSllige Fehlen yon Blfitenanlagen bei Kultur in N/~hrl6sung naeh HUTNER festgestellt, obwohl die Hutner-LSsung einen hohen Gehalt an EDTA besitzt. Dieses Ergebnis stimmt mit den Beobaehtungen yon HILLMAN fiberein. I m Versueh Nr. 2 (Tabelle 2) wurde das entsprechende l~esultat aueh unter abgei~nderten Versuehsbedingungen erhalten, und zwar sowohl flit Stature G 1 als aueh ftir G3. Gleiehzeitig zeigte dieses Experiment, dal3 offensicht]ich der Ammoniumgehalt tier Hutner-L6sung fiir die vSllige Unterbindung der Blfitenbfldung verantwortlieh ist, Wurde n/imlieh eiu Teil des in der PirsonSeidel-L6sung enthaltenen KN0~ dureh NH4N03 ersetzt (NH4N Q 200 + K N 0 s 147 rag/1 start KN03 400 rag/l), so war die Bildung yon Bl/iten ebenfalls unterdr~iekt. Die damit konstatierte bliihhemmende Wirkung yon Ammonium wurde in den n/~chsten Versuchen genauer untersucht. In Abb. 1 sind die Ergebnisse zweier Versuche mit Stamm G3 kombiniert dargestellt,

Hemmung der Bliitenbildung durch Ammonium

283

Tabolle 2. Nachweis cler bliihhemmenden Wirkung einer NH4+-Zugabe zur PirsonSeidel-Ldsung (Versuch Nr. 2; Versuchsdauer 3 Wochen) KolbenNr.

Stamm

1 2 3 4 5

GI G1 G3 G3 G1

6

G1

7

G3

8

G3

9 10 11 12

N~hrl6sung

Anzahl der B1/iten und Bliitenanlagen an I0 Sprossen in Generation X

Y

Z

0 0 0 0 0

0 0 6 6 0

6 8 10 10 0

0

0

0

0

0

0

G1 G1

PKRSONund SEEI)ELa PmSON und SEIDELa PmSON und SE[DELa ~IRSO~ ulna SEIDELa P~RSON und SEH)~La mit 2,5.10 -8 M NH~ PII~SON und SEIDELa mit 2,5" 10-3 M NH~ PIRSON und SEIDELa mit 2,5.10 -3 M NH~ PI~soN und SEIDEL~ mit 2,5- 10-~ Yl NH~ HUTNER

0 0 0b

0 0 0b

HUTNEg

0b

0b

0 0 0b 0b

G 3

HUTNER

G3

H~r~Ea

0 0

0 0

0 0

a Eisen als FeIII-EDTA. b Nur 4 Sprosse untersucht (wegen der niedrigen Gesamtsprol]zahl). aus d e n e n die K o n z e n t r a t i o n s a b h ~ n g i g k e i t der N H + - W i r k u n g hervorgeht. Der eine Versuch (Nr. 3) prtifte die K o n z e n t r a t i o n e n zwischen 10 -6 u n d 10 -4 M, der a n d e r e Versuch (Nr. 4) den Bereich zwischen 10 -4 u n d 2,5-10 -~ M. Bei d e n niedrigen K o n z e n t r a t i o n e n (Versuch Nr. 3) w u r d e d a s A m m o n i u m als NH4N Q der sonst u n v e r s PirsonSeidel-LSsung zugeftigt; bei den h6heren K o n z e n t r a t i o n e n (Versuch Nr. 4) w u r d e f(ir die jewefls zugegebene Menge NH4NO 3 eine entsprechende Menge K N O 3 abgezogen, so d a b die N O ~ - - K o n z e n t r a t i o n stets d e m ~Tert in d e r Originall6sung ( 4 - l 0 -3 M) e n t s p r a c h u n d n u r die K +Menge stufenweise e r n i e d r i g t wurde. U m die Blfihresultate in fibersichtlicher F o r m m i t den W e r t e n ffir die S p r o ~ v e r m e h r u n g vergleichen zu k6nnen, w u r d e n die e r h a l t e n e n D a t e n in P r o z e n t d e r Versuchskontrolle dargestellt. Die B l ~ t e n b f l d u n g war in den K o n t r o l l g r u p p e n beider Versuche m a x i m a l , d . h . die bei Versuchsende a u s g e w e r t e t e n l e t z t e n beiden S p r o ~ g e n e r a t i o n e n zeigten bei s a m t l i c h e n Versuchspflanzen Blfitenanlagen. Die A n z a h l der hen gebfldeten Sprol~generationen ( A S - W e r t )

284

R.K&NDELER: %

/f/

120100

Sprossvermehrung 80 60 40-

B[Litenbi[dung

20' --4/ 0 1()-6

3.1b-

lo'-

3'1()-s

10-~

3.1b-

16- 2 s.io- u NH2

Abb. 1. Bliitenbiidung und Sprogvermehrung yon Left,no. gibba 03 in Abhi~ngigkeit yon der Ntt~-Konzentration der N~hrlSsung (Versuch Nr. 3 und 4; Versuchsdauer jewefls 2 Wochen) betrug in cter Kontrollgruppe des Versuchs Nr. 3 5,0, in der entsprechenden Grnppe des Versuchs Nr. 4 4,38. Um ausschlieBen zu kSnnen, da6 es bei der Ammoniumwirkung nicht etwa auf die zus/~tzlich gebotene Stickstoffmenge ankara, wurde in Versueh Nr. 4 in einer zus&tzlichen Versuchsgruppe die KNO3-Menge gegenfiber der Kontrolle auf 6,5-10 -8 M erhSht; die molare Stickstoffmenge entspraeh damit derjenigen der Gruppe mit 2,5.10 -3 M NH4NQ-F 1,5.10 -3 M KN03. Die Pflanzen dieser Versuchsgruppe zeigten bei der Auswertung wie die Kontrollen maximale Bliitenbildung (der AS-Wert betrug 4,0). Aus den Daten tier Versuche Nr. 3 und 4 geht hervor, dab Ammonium die BI~tenbildung bei L e m n a gibba G3 sehon bei der relativ niedrigen Konzentration yon l0 -~ M vSllig unterdrtiekt. Ferner ist deutlieh, dab es sieh hier nicht einfach um eine unspezifisehe Itemmung aller Entwicklungsprozesse handelt, da die Sprol~vermehrung selbst bis zu h6heren NIt+-Konzen trationen fast ganz unbeeinflu6t bleibt. Auch die GrSl?e der Einzelsprosse wird durch die NH+-Gaben nieht vers (Eine Itemmung durch Ammonium ist allerdings bei der Answertung der Sprogdieke und der Wurzell/~nge zu beobachten. Diese Merkmale werden jedoeh auch dutch andere Faktoren gleichzeitig mit der Blfitenbfldung beeinflu/3t.) Da as im Gefolge der Ammoniumaufnahme dutch die Pflanze zu einer Ans&uerung des Mediums komm~, war die Frage zu prfifen, ob die N H +bedingte Bliihhemmung indirekt, d, h. fiber das Absinken des pI-I-Wertes der N/~hrl6sung verursaeht wird. In Abb. 2 sind die Ergebnisse eines Versuehes (Nr. 5) dargestellt, bei dem in den einzelnen Versuehsgruppen eine gestufte Ans/~uerung der N/~hrl6sung dnrch Zugabe yon tiC1 vorgenommen wurde. Die erhMtenen Daten zeigen, dab bei beiden Stgmmen

Hemmung der Bltitenbildung durch Ammonium pH z,,8

pH 4,4

pH 4,2

pH 4,1

285

pH Z,0

5 G1 4 3 Z

F g g N N

,

5 G3 4 3 2 1

Generation XYZ

Abb~ 2. Wit'kuag der Erniech~igang des pH-Wertes der N/~hrI6sung auf die Bi/itenbfldung yon Lemna gibba G1 (obere Reihe) und G3 (untere Reihe). Schr~ffierung bedeutet Weiteren~wicklung der Bltitenanlagen bis zum Bliihstadium IV--V in der bei Versuchsende dr[ttletzten (X) und vorlebzten (Y) Sprol]generation. Die letzte (Z) SproBgenergtion k~nn nur Bliitenanlagen enthMten. (Versuch Nr. 5; Versuchsdauer 3 Wochen) yon Lemna gibba bei p H - W e r t e n der L6sung bis einschlieBlich 4,1 keine Mfl~derung d~r Bltit~nbfldung erfolgt. Die Bli~hhemmung bei 4,0 /st zweifellos eine Folge der Allgemeinsch/~digung der Pflanzen (erkennbar insbesondere bei G1 a m starken Chtorophyllverlust auch der jungen Sprosse). Da nun im Versuch Nr. 3 bei der blfihhemmenden N H +Konzentration yon 10 -~ M die pH-Werte in der N~hrl6sung naeh der Kultur bis h6ehstens 4,3 gesunken waren, kann zumindest ffir diesen Fall ausgeschlossen werden, dab die N H + -Wirkung fiber die Ans/~uerung des Mediums zustande ka.m. I m Versuch Nr. 4 lagen in den Versuchsgruppe~l mit h6heren N H + - G a h e n die niedrigsten gemessenen pH-Werte der N~hrl6sung bei 3,7. Anzeichen einer Allgemeinseh/~digung waren in diesem Fall nut in der Versuchsgruppe mit 2,5.10 -3 M NH~+ und auch hier nur an den ~Llteren Sprossen Ms beginnender Chlorophyllverlust erkennbar. Es darf daher als unwahrseheinlich angesehen werden, daft selbst bei hSheren NH+-Konzentrationen das Ansteigen der N/ihr16sungsaeidits eine wesentliehe Bedeutung fiir die t t e m m u n g der Bltitenbildung hat. A[s erster Sehritt zur Analyse der beobachteten Ammomumwirkung wurde anschlieftend untersucht, ob sich die N H ~ - H e m m u n g der Blfitenbildung dureh ATP aufheben l~6t. Wie die in Abb. 3 wiedergegebenen Resultate des Versuchs Nr. 6 zeigen, ist dies tatss his zu einem gewissen Grade der Fall. Wirksamer als A T P war jedoeh das - -

286

R. KAND~LER: - NH~ +

§ NH~ +

~8

~7 86 g5 a3

3 2 1

/ / / / / / / / / / /

+NH~ +

+NH4 +

+NH4 +

+NH4 +

*NH~ §

+NH~

+ADP 10 5M

+AOP

+ADP

+ATP

+ATP

*ATP

3'10-5M lO-4M lO-SM 3.10"5M lO-t'M

I

Generation XY2

Ahh. 3. Aufhebung der NH~-Btiihhemmung bei Lemr,~ gibba G 1 dutch zus~tz[iche Gabe von ADP bzw. ATP. Schraffierung wie in Abb. 2 (Versuch Nr. 6; Versuchsdauer 21/~Woehen) ursrpfinglich nur zur Kontrolle mitverwendete - - A D ] ? . Schon mit niedrigen Konzentrationen yon ADP wurde eine fast v611ige Aufhebung der NI-I+-bedingten Blfihhemmung erreicht. DaB 3.10 -4 M NH4NO ~ in diesem Versuch nur eine Teilhemmung der Blfitenbildung bewirkte, geht wahrscheiniich aui den abge~nderten Adaptationszustand der Pflanzen zur/iek. Die zur Erm6glichung der ATP-Gabe abge/~nderte N&hrl6sung (s. Methoden) wurde den Versuehspflanzen sehon 2 Wochen lang vor Beginn des Versuehs geboten (bei dreimaligem N~hrl6sungswechsel). Wie weitere Versuehe zeigten, bleibt naeh zweimonatiger Vorkultur der Pflanzen in Pirson-Seidel-L6sung, ~/s Konz., pH 6,8, die beschriebene Reaktion der Pflanzen auf Ammonium ganz aus. Diskussion

Zu diskutieren ist vor allem die Frage nach dem m6glichen Wirkungsmechanismus der Ammonium-Hemmung der Blfitenbfldung. Ffir eine Wirkung des Ammoniums fiber eine partielle Entkopplung der Photosynthesephosphoryherung (Literatur s. GOOD et al., 1966) spricht zunKchst, dab es mehrere andere Befunde gibt, die auf einen engen Zus~mmenhang zwischen der Photophosphorylierung und den zur Bliitenbfldung fiihrenden Prozessen hinweisen. So l~]]t sieh bei Lemna gibba mit den Entkopplern Arsenat und Atebrin die gleiche Unterbindung der B1/itenbfldung wie mit ~TI-I+ erreichen (KA~D~L~R, 1967). Mit dem Hemmstoff des nichtcyclischen Elektronentransportes der Photosynthese DCMU wurde eine F6rderung der Blfitenbildung hervorgerufen (KA~DELEI~,inVorbereitung). Da DCMU die Phosphorylierung im Rahmen des cyclischen Elektronent,ransportes unbeeintri~chtigt l~Gt, kommt es unter dem E/nfiuG yon DCMU zu einer Verschiebung des Verh<nisses

Hemmung der Blfitenbildungdurch Ammonium

287

ATP/NADPH, d.h. also zu einer Bildung von ,,Uberschul~"-ATP (vgl. z.B. GIM~LEI~, 1967). Ferner wird die B15tenbildung durch CO2 (KANDELEI~, 1964) und Saccharose (LA~DOLT, 1957; KA~D~L~R, 1968) gehemmt, beides Agentien, die nach Zugabe yon auL~en ATP-verbrauahende Prozesse verst~Lrken. CQ-Begasung senk~ den ATP-Spiegel im Lieht bei Ankistrodesmus deutlieh herab (GIMMLEI~,1967). Die Entseheidung der Frage, ob Ammonium auch in vivo entkoppelnd auf die Photophosphorylierung wirken kann, w/~re erst dann mSglieh, wenn die dutch die NH+-Gabe geschaffene NH~-Konzentration in der Pflanze bekannt w~ire. BAI~EI~ et al. (1966) stellten fest, dab in deu Sprossen von NH+-versorgten Bohnenpflanzen Ammonium akkumuliert wird, wenn nicht eine pH-Stabilisierung der Nahrl6sung mit CaCOs erfolgt. An den B1/~ttern dieser Pflanzen wurden Seh/~digungen beobachtet. PUI~ITC~ et al. (1967) konstatierten auch an Tomaten naeh NH2--Gaben Chloroplastensch'~digungen in den Blgttern und eine Zunahme des NH +-Gehaltes im Gewebe auf das Drei- bis Vierfaehe. Es w~re also durchaus denkbar, dab in Lemnaceen die Meehanismen der NH+-Entgiftung hSheren NH+-Konzentrationen nicht gewachsen sind u n d e s daher zu einer Erh6hung des NH+-Spiegels in der Pflanze kommt. Auff~Llligist immerhin, dai3 die Grenzkonzentra,tion, mit der bei Lemna gibba die Unterdrfiekung der Blfitenbildung erreieht wh.d (10-4 M), in der Gr6ftenordnung derjenigen Konzentration entspricht, die naeh KI~OGMANI~et al. (1959) zu einer Erniedrigung der ATP-Bildung in isolierten SpinatChloroplasten fiihrt (50%-Hemmung durch 6" 10-4 M bis 4-10 -3 M NH,+). Ein weiteres Argument ffir die Entkopplerwirkung des Ammoniums seheint sehliel31ich die gefundene Aufhebbarkeit der NH+-gemmung durch ATP und ADP zu sein. Bei der Diskussion dieses Befundes darf durehaus damit gereehnet werden, dal~ ADP und ATP als ganzes Molekiil yon der Pflanze aufgenommen werden. Adenin, Adenosin und Adenosinmonophosphat k6nnen ADP und ATP bei der Aufhebung der AtebrinBl~ihhemmung nicht ersetzen (KA~D~L~R, in Vorbereitung; vgl. ferner die F5rderung der energiebedfirftigen Chloroplastenbewegung dureh ATP bei Lemna trisulca, ZVRZYCKI,1965, und die FSrderung cter Protoplasmastr6mung durch ATP bei verschiedenen Objekten, Literatur bei Zv~zYcx~). Die Tatsaehe, da~ ADP st~,rker wh~kt als ATP, kSnnte z.B. dadurch zustande kommen, dab die Nucleotide im l%ahmen der zur Blfitenbildung fiihrenden Prozesse ihre Hauptfunktion nieht als Energie/ibertrs sondern als Nucleins~urebausteine haben. Die Nucleosiddiphosphate sind die Sehliisselsubstanzen, die fiir den Aufbau sowohl der DNS als aueh der RNS dienen (vgl. z.B. Fig. 19 in SCn~DT, 1966). Einige in letzter Zeit ersehienene VerSffentliehungen zeigen nun aber, dab (zuss ?) mit einer anderen M6glichkeit ~tir die Erkls der B1/ihhemmung durch Ammonium und ihre Aufhebung durch ADP und

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~. KANDELER:

ATP gerechnet werden mull STEWARTet al. (s. SIRs et al., 1968) wiesen nach, dab bei Lemna minor die NADH-spezifische Nitratreductase und die Nitritreductase dureh Nitrat induziert und dureh Ammonium reprimiert werden. Die Nitratreductase w~ird au~erdem dutch N H + und die Aminos~uren Asparagins~ure nnd Glutaminss allosteriseh gehemmt. Auch nach JoY (1968) besitzt Lemna bei Kultur mit Nitrat einen hohen Gehalt an Nitratreductase, Nitritreductase und Glutamins~ure-Dehydrogenase, bei Kultur mit Ammonium oder mit Casein-Aminosi~uren dagegen einen niedrigen Gehalt an diesen Enzymen. Die Induktion der Nitrat- und Nitritreductase mit Nitrat (nach Entfernung yon N H +) wh'd dnrch 5 ~g/ml Cycloheximid blockiert (STEWART, 1968), es handelt sich hier also um eine eehte Neusynthese der Enzyme. Die Lemnaeeen verhalten sich in bezug auf die Repression der Nitratreductase also eher wie niedere Pflanzen (KINsKI, 1961; MORRIS et al., 1963; SMIT~ et ~1., 1968) und nicht wie die bisher untersnchten anderen h6heren Pflanzen, bei denen eine Ntt+-Repression nieht gefunden werden konnte (AF~IDI et al., 1964; BEEVE~S et al., 1965; FIL~]~, 1966). Wichtig ffir den vorliegenden Zusammenhang ist weiterhin, da[~ FIL~Ea bei isoliert kultivierten Tabakzellen unter den Aminosi~uren sowohl Repressoren als auch Derepressoren der Nitratreductase-Bildung feststellte. NAKASHIMA(1964, 1965) hatte schon vor ]~ngerer Zeit gefunden, dai~ die Blfitenbildnng yon Lem~va gibba G3 durch eine gr61~ere Zah] yon Aminoss spezifiseh (d. h. ohne Beeintr~chtigung der Wachstnmsrate) gehemmt ~5rd und dab die gemmwirkung yon L-Arginin durch die zus~tzliehe Gabe bestimmter anderer Aminos&uren, vor allem L-Lysin, aufgehoben werden kann. Der Vergleich der yon FILNn~ und IqAKASHI~A erhaltenen Ergebnisse ffihrt zu der Vermutung, dab die yon I~AKASHI~IA entdeekte Amhmss Hemmung der Blfitenbildung fiber die Repression der ~Nitratreductase zustande kommt. DaB die Liste der yon beiden Autoren genannten Aminos~uren nicht fibereinstimmt, kann nieht Ms Gegenargument gelten, da auch bei anderen Pflanzen die Zahl und Art der Nitratreductasereprimierenden Aminos~uren nicht mit den yon FILNW~ Kir Tabakze]len gefundenen fibereinstimmen (s. SMITH et al., 1968). Damit liegt es nun nahe, auch die Ammoniumwirkung auf die Blfitenbildung in gleicher Weise zu deuten. Tatss gestattet diese Annahme ebenso wie die Entkoppler-Hypothese die Erkl~rung der Wirkung yon ATP und ADP. Die ,,Abschaltung" der Nitratreduktion ftihrt n/~mlich zu der gleichen Konsequenz wie die partielle Entkopplung der Photophosphorylierung: zu einer Verschiebung des reIativen Angebotes yon ATP und NAD(P)It in Riehtung auf relativ h6here NAD(P)H-Werte. Die zur Nitratreduktion ben6tigte Reduktionsenergie wird vorwiegend yore Photosyntheseapparat zur Verfiigung gestellt. Das best~tigt sich ffir die Lemnaeeen aus dem kfirzlich yon EglSMA~N et al. (1968) erhobenen Befund, dal~

Hemmung der Blfitenbildung durch Ammonium

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NH+-geffitterte Pflanzen yon L e m n a minor gegentiber Nitrat-versorgten Pflanzen eine u m mehr als 50 % gesteigerte R a t e der CO~-Fixierung aufweisen. Schliet~lich sei nun noch die MSglichkeit erwogen, dab A m m o n i u m sehle W i r k u n g dadurch entfaltet, dab es den Stoffwechsel mit dem Prozeg der A m m o n i a k - E n t g f f t u n g belastet. I n diesem Fall kSnnte die Konsequenz darin bestehen, dab ein zus/i, tzlicher A T P - V e r b r a u e h geschaffen wird. Die besonders welt verbreitete S/~ureamidbildung (MoTgES, 1958) ben6tigt A T P (s. z.B. MENG:EL, 1968). Zusammenfassend k a n n also festgestellt werden, dab das A m m o n i u m in der Pflanze sehr wahrscheinlich vor allem eine Erniedrigung des verffigbaren A T P im Verh~ltnis zum gleichzeitigen N A D ( P ) H - A n g e b o t hervorruft. I n welehem A u s m a g am Z u s t a n d e k o m m e n dieses Effektes die E n t k o p p l u n g der Photophosphorylierung, die Repression der Nitrat- und Nitritreductase und die NH+-Entgiftungsprozesse beteiligt sind, k a n n zun~ehst nicht gesagt werden. AbschlieBend sei noch darauf hingewiesen, dab die hier beschriebene A m m o n i u m w i r k u n g auf die Bltitenbildung anscheinend atteh bei solchen Pflanzen Bedeutung h a b e n kann, die ihre Nghrsalze aussehlieglich fiber die Wurzeln aus dem Boden aufnehmen. RATiI-ISACKet al. (1968) berichten, dab bei Azaleen (Rhododendron simsii PLA~CH.) fiberoptimale N H [ K o n z e n t r a t i o n e n zu einer Erniedrigung der Bliitenzahl pro Pflanze fiihren. Die Untersuchungen wurden durch eine Sachbeihilfe der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstfitzt. Frau M. BUCHELEdanke ich vielmals f~r die sehr sorgf/~Itige Durchffihrung der Versuche.

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Prof. Dr. R. KA~-D~LER Botanisches Institut I der Universit~t 87 Wfirzburg, Mittlerer Dallenbergweg 64