Molecular mechanism of silicon-induced development of Casparian bands in the exodermis of Oryza sativa

Abstract

Silizium (Si) ist das zweithäufigste Element im Boden. Es wird von Gräsern in Form von Kieselsäure aktiv aufgenommen und hat viele positive Effekte auf Pflanzen. Einer dieser Effekte ist die Förderung der Bildung des Casparischen Streifens in Oryza sativa. Es wird gezeigt, dass die Wirkung von Si auf die Ausbildung des exodermalen Casparischen Streifens auch bei anderen Pflanzenarten zu finden ist. Die Casparischen Streifen werden zwischen den antiklinalen Zellwänden der endodermalen Zellen aller höheren Pflanzen und bei den meisten Pflanzen darüber hinaus in den antiklinalen Zellwänden der exodermalen Zellen gebildet. Für die Endodermis ist bekannt, dass die Bildung des Casparischen Streifens mit der Ablagerung von Lignin beginnt, gefolgt von Suberin-Lamellen. Die chemische Zusammensetzung exodermaler Casparischer Streifen ist in der Literatur gut beschrieben. Hier wird gezeigt, dass Si die gleichzeitige Ablagerung von Lignin und Suberin-Lamellen in der Exodermis induziert. Monomere von Lignin und Suberin, die dem Phenylalanin-Biosyntheseweg und der Synthese von Fettsäurederivaten entstammen, werden durch ABC-Transporter in den Apoplasten freigesetzt und dort zu Polymeren kondensiert. Der molekulare Hintergrund für die Bildung des Si-induzierten exodermalen Casparischen Streifens ist kaum bekannt. Deshalb wurde zunächst die Funktion von zuvor identifizierten Kandidatengenen des Lignin- und Suberinstoffwechsels und für den ABC-Transporter OsABCG25 untersucht, und für Knockout- (KO) und Overexpressions- (OE) Mutanten für OsABCG25 erfolgreich nachgewiesen. Die veränderte Expression in OsABCG25-Mutanten spiegelte sich auch in der Regulation anderer Kandidatengene des Phenylpropanoid-Biosynthesewegs und des Fettsäurestoffwechsels wider. Auf der Grundlage transkriptomischer Veränderungen wird postuliert, dass OsABCG25 Suberin-Monomere transportiert. Um weitere Gene zu untersuchen, die für die Si-abhängige Bildung des exodermale Casparischen Streifens von Interesse sind, wurde ein „whole genome GeneChip“ verwendet. Es war beabsichtigt, die Funktion dieser neuen Kandidaten-Gene bei der Erzeugung von KO-Mutanten mit Hilfe von „paired modified CRISPR“-Nukleasen (Nickasen) in transgenen Reislinien zu untersuchen. Insgesamt wurden vier transgene Reislinien erzeugt, welche die jeweilige spezifische Nickase in ihrem Erbgut tragen. Zusätzlich wurden zehn homozygote T-DNA- oder Retrotransposon KO-Insertionslinien aus T1-Saatgut etabliert. Die neu gefundenen Gene wurden Signaltransduktion, Phenol-/Lipid-Stoffwechsel und ABC-Transportern zugeordnet. Darüber hinaus zeigte der GeneChip-Ansatz eine Si induzierte Hochregulation von Genen, die an der Fe Homöostase von Reis beteiligt sind, der zur Gruppe der Strategie-II-Pflanzen gehört. Diese Gene sind bekannt dafür, dass sie unter Fe-Mangel verstärkt exprimiert werden. Es wird gezeigt, dass die Kieselsäureernährung die Fe-Konzentration im Apoplast der kortikalen Zellen reduzierte, wo Fe3+ an Desoxymuginsäure (DMA) gebunden und in den Symplast aufgenommen wird. Die experimentellen Ergebnisse zeigten die Funktion des exodermalen Casparischen Streifens als Barriere für den Fe-Flux aus der Nährlösung in den Apoplast der kortikalen Zellen.