Translocation and storage of chloride in chlorine-stressed maize (Zea mays L.)

Maize (Zea mays L.) is a moderately salt-sensitive species, its sensitivity to NaCl being mainly associated with the accretion of toxic sodium in shoots for example leading to the sodium-induced damage of leaf chloroplasts. However, less attention has been paid to the effects of chloride (Cl-). The work described in this dissertation therefore aims at elucidating the physiological adaptations of maize plants to Cl- salinity. It involves four research questions: 1) how do sensitive maize plants respond to Cl- salinity with regard to crop yield and plant performance; 2) how are the translocation and tissue storage patterns of Cl- correlated with tolerance to Cl- salinity; 3) how do osmotic stress and Cl- stress impact biomass, chlorophyll content, and nitrate reductase activity (NRA); 4) does sensitivity to Cl- salinity differ between maize and faba bean plants? Soil pot experiments and hydroponic culture experiments in the greenhouse have shown that maize is able to withstand Cl- salinity by being a shoot excluder. The relevant genotypic difference is believed to be based on its ability to undertake Cl- root-to-shoot translocation. The resistance mechanism of the genotype ES-metronom, which is a more Cl- -tolerant variety, has been attributed to its more efficient shoot exclusion of Cl-,whereas that of the genotype P8589, which is a more Cl- -sensitive variety has been ascribed to the preferable sequestration of Cl- away from the young photosynthetic tissues, such as into old leaf blades, and Cl- movement in roots possibly to achieve Cl- dilution. In the mildly tolerant genotype LG30215, osmotic stress does not interfere with NRA but slows down mass flow, which probably reduces NO3- transport to leaf tissues, whereas excess Cl- indirectly inhibits NRA through the antagonistic limitation of NO3- uptake. In comparison with maize, faba bean plants are more sensitive to Cl- salinity rather than to sodium toxicity.

Mais (Zea mays L.) ist eine moderat salzempfindliche Spezies, deren NaCl-Sensitivität vorwiegend mit der Anreicherung von Natrium im Spross verbunden ist. Diese Anreicherung führt unter anderem zu einer Schädigung der Blattchloroplasten. Bisher wurde den Auswirkungen von Cl- jedoch weniger Aufmerksamkeit geschenkt. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit, die physiologischen Anpassungen von Maispflanzen an Cl- -Überschuss aufzuklären. Dazu werden vier Fragestellungen verfolgt: 1) wie reagieren sensitive Maispflanzen auf Cl- -Salinität im Hinblick auf Physiologie und Ertrag? 2) Korreliert die Translokation und das Einlagerungs-Muster im Pflanzengewebe mit der Toleranz gegenüber Cl-? 3) Wie wirkt sich osmotischer Stress und Cl- Stress auf die Biomasse, den Chlorophyllgehalt und die Nitratreduktaseaktivität (NRA) aus? 4) Wie unterscheiden sich Mais und Ackerbohne in ihrer Cl--Sensitivität? Gewächshausversuche in Boden und Hydrokultur zeigen, dass Mais der Cl- -Salinität standhalten konnte, da Mais die Verlagerung von Cl- in den Spross weitgehend unterdrückt. Der genotypische Unterschied hängt vermutlich mit der Wurzel-zu-Spross Translokation von Cl- zusammen. Die Resistenz im moderat Cl- -toleranten Genotypen ES-Metronom war auf eine effizientere Vermeidung der Verlagerung von Cl- in den Spross zurückzuführen, während der moderat Cl- -sensitive Genotyp P8589 Cl- vorwiegend außerhalb von jungen, fotosynthetisch aktiven Blättern, wie zum Beispiel den alten Blattspreiten einlagerte oder in die Wurzeln verlagerte, um einen Cl- -Verdünnungseffekt zu erzielen. In dem moderat Cl- -toleranten Genotypen LG30215 trat durch osmotischen Stress keine Hemmung der NRA, aber eine Verlangsamung des Massenflusses auf, welcher vermutlich den NO3--Transport zu den Blättern reduzierte, während Cl- eine indirekte Hemmung der NRA durch die antagonistische Limitierung der NO3--Aufnahme verursachte. Im Vergleich zu Mais ist die Ackerbohne sensitiver gegenüber Cl- -Salinität als zu Natriumsalinität.