Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7128

Pflanzenphysiologische Untersuchungen der nichtparasitären Blattverbräunung der Sommergerste Hordeum vulgare L.

Martina Zahn

Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wurde die nichtparasitär bedingte Blattverbräunung (NBV) bei der Sommergerste Hordeum vulgare L. untersucht. Ziel der Arbeit war es, herauszufinden, durch welche Faktoren die NBV ausgelöst wird. Ausgangspunkt für die Versuche waren Beobachtungen, die zur allgemeinen Hypothese führten, dass es sich bei der NBV um eine Blattschädigung durch oxidativen Stress handelt. Es sollte geprüft werden, wie Stress in verschiedenen Kultivaren der Gerste gegebenenfalls zu NBV führt. Hierzu wurden in Klimakammerexperimenten verschiedene Umweltbedingungen simuliert, um den Einfluss von hohen Bestrahlungsstärken und erhöhten Ozonbelastungen auf die Entstehung der NBV zu untersuchen. Anhand der Ergebnisse aus den Kammerversuchen konnte gezeigt werden, dass der Photonenfluss eine entscheidende Rolle spielt. So wurden bei dem Gerstenkultivar cv. Ricarda als Repräsentant einer bezüglich NBV empfindlichen Sorte, eine signifikant höhere Superoxidanion-Radikal Verteilung nachgewiesen als beim resistenten Zuchtstamm IPZ 24727. Die NBV war insgesamt bei den Versuchspflanzen, die erhöhten Bestrahlungsintensitäten ausgesetzt waren, stärker ausgeprägt. In Freilandversuchen konnte ebenfalls beobachtet werden, dass lichtzugewandte Blätter höhere Schädigungen zeigten als Schattenblätter. Zwischen Ozon und der Blattverbräunung konnte kein direkter Zusammenhang gefunden werden. Die Frage, ob es entscheidend ist, zu welchem Entwicklungsstadium ein Faktor wie Strahlung oder Ozon auf die Pflanzen in besonderem Maße einwirkt, konnte aufgrund der geringen Zahl von (Freiland-) Versuchen nicht beantwortet werden. Es konnte jedoch festgestellt werden, dass die NBV sich immer zwischen den Entwicklungsstadien BBCH 53 und 56, d.h. zum Zeitpunkt des Ährenschiebens, schlagartig entwickelt. In diesem Zusammenhang wurde die Altersabhängigkeit der antioxidativen Schutzsysteme bei der Gerste näher untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Konzentrationen von Ascorbat und Glutathion mit zunehmendem Alter abnehmen, ebenso sinkt die Aktivität der Cu/Zn-SOD in den Chloroplasten. Parallel dazu wurde auch eine Abnahme der Superoxidanion-Radikal Verteilung zwischen BBCH 49 und 55 beobachtet. Möglicherweise treten die Pflanzen zu diesem Zeitpunkt in die vegetative Phase ein, in der die älteren Blätter bei geregelter Seneszenz ihre Ressourcen für die Samenbildung bereitstellen. Aus den oben geschilderten Ergebnissen und den von BEHN, 2003, gemachten Beobachtungen mit mlo-Gerstensorten, mehltauresistenten Kultivaren, die ein verfrühtes Seneszenzverhalten zeigen, wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Empfindlichkeit gegenüber NBV eng verbunden ist mit dem Seneszenzverhalten der verschiedenen Sorten. Da seneszente Pflanzen möglicherweise empfindlicher gegenüber oxidativem Stress sind, reagieren sie auch empfindlicher auf erhöhte Strahlung und sind eher bereit, NBV zu manifestieren. Die Untersuchungen zur Entstehung von oxidativem Stress sollten auch klären, ob die bei den einzelnen Sorten unterschiedlich starke Ausprägung der Blattschädigung auf eine Überproduktion an ROS oder eine schlechtere „Entgiftung“ derselben zurückzuführen ist. Hierzu wurden die antioxidativen Schutzsysteme der einzelnen Kultivare geprüft. Es zeigte sich, dass IPZ 24727 eine geringere Radikal Verteilung in den Blättern als cv. Ricarda aufwies, was auf die höheren Cu/Zn-SOD-Aktivitäten in IPZ 24727 zurückgeführt wurde. Diskussionen über die Beteiligung von Pilzbefall mit Ramularia collo-cygni an der Entstehung von NBV waren Anlass zu mikroskopischen Untersuchungen von geschädigten Blättern. Es konnten keine Hinweise auf eine Pathogenbeteiligung gefunden werden. Auch die Ergebnisse aus der Untersuchung der Genexpression von ESTs pathogen-relevanter Stoffwechselwege unterstützen die These, dass es sich bei NBV um eine nichtparasitäre Blatterkrankung handelt. Diese molekularbiologischen Versuche waren durchgeführt worden, um nach Unterschieden in der Genexpression stressrelevanter Stoffwechselwege zwischen den Kultivaren zu suchen. Die höhere Expression der Chitinase-ESTs der cv. Ricarda gab einen weiteren Hinweis darauf, dass diese Sorte schon in einem früheren Entwicklungsstadium als IPZ 24727 einem oxidativen Stress ausgesetzt ist. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit stützen die Annahme, dass es sich bei der NBV um eine durch oxidativen Stress hervorgerufene Blattschädigung handelt, die durch Umweltbedingungen erzeugt wird, bei denen Licht eine entscheidende Rolle spielt. Die Phytokammerexperimente zeigten, dass UV-B-Strahlung allerdings als alleiniger Verursacher dieses Stresses genauso ausgeschlossen werden kann wie Ozon. Vielmehr ergeben Strahlung, Luftschadstoffe, eventuell auch die Temperatur zusammen ein Szenario, gegen das Sorten, die zu einer früh einsetzenden Seneszenz neigen und daher empfindlich gegen oxidativen Stress sind, nur ein schwächer arbeitendes antioxidatives System entgegensetzen können als resistente Sorten. ROS werden in den empfindlichen Kultivaren unzureichend abgebaut und bewirken so eine stärkere Ausprägung der NBV. Möglicherweise ist eine frühe Blütenbildung bei geringerer Biomasse der Pflanzen eine Prädisposition für NBV. Zur Klärung dieser Frage sind weiterführende Experimente zu möglichen Unterschieden im Blühverhalten von Sommer- und Wintergerste angezeigt.

Plantphysiological investigations of non-parasitic leaf spots of barley Hordeum vulgare L.

Abstract
Non-parasitic leaf spots (NPLS) of barley cultivars Hordeum vulgare L. are a leaf damage which has been observed only in the last fifteen years. It is unknown what the main reasons for these damages may be. The hypothesis that oxidative burst is the origin for these spots relies on the observation that they mostly occur when the radiation is high and the plants are in a defined stage of development. Several trials in climate chambers were made to investigate the development of the NPLS. For this reason the plants underwent different conditions, like enhanced sun radiation and high ozone concentrations. It could be demonstrated that the photon flux is important for the spot formation. In comparison to the resistant cultivar IPZ 24727 a significant higher level of superoxide anion radicals was found in the sensitive NPLS cultivar cv. Ricarda. Leafs of barley plants developed much more NPLS than the control plants when they were tested under high radiation conditions during the experiments. This observations were also made in freeland trials. There was no correlation found between higher ozone concentrations and the development of NPLS, but between stage of development of the barley and decrease of the spots. Even when the ears began to arise the spots developed very quickly. In view of this observation the antioxidative systems were analyzed. The concentrations of ascorbat and glutathione decreased with growing age like the enzyme activity of Cu/Zn-SOD in the chloroplasts. A decrease of superoxide anion radicals was observed when the plants are grew older. In this stage of development it may be that the older leafs switch over to put their supply at seed’s disposal. The hypothesis is that cultivars which are sensitive regarding to NPLS getting senescent earlier than the resistant cultivars. In this stage of development the plants are more sensitive against oxidative burst and it may be that they react to high radiation with a marked manifestation of spots. The results of this investigations strengthen the assumption that the main reason for NPLS is an oxidative burst which is generated by enviromental conditions. Radiation is an important factor but not the only one. In the NPLS sensitive cultivars ROS were’nt reduced in the way of the resistant cultivars because of an lower enzyme activity of Cu/Zn-SOD.

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