Dreidimensionale Registrierung circadianer und ultradianer Wachstumsvorgänge des Hypokotyls von Arabidopsis thaliana und Cardaminopsis arenosa

Abstract

Registrieranlagen wurden entwickelt, um Wachstum und Circumnutationen (CN) des Hypokotyls von Arabidopsis und verwandten Arten zu untersuchen. Zwei Videokameras (für Stereoaufnahmen) konnten ein- oder dreidimensional verfahren und viele Keimlinge gleichzeitig registriert werden. Mit Bildanalyse-Verfahren konnte die zeitliche und räumliche Entwicklung der Keimlinge analysiert werden. Das tagesperiodische Wachstum von Arabidopsis und Cardaminopsis im schwachen Weißlicht wurde untersucht. Die Wachstumsschübe von Arabidopsis thaliana (A.t.) waren deutlich von Phasen fast ohne Wachstum und ohne Schwingungen abgegrenzt. Bei Cardaminopsis arenosa (C.a.) folgten Zeitabschnitte mit hoher Wachstumsgeschwindigkeit auf solche geringeren Wachstums. CN waren mit der Wachstumsrhythmik korreliert. Die Wachstumszone und der Ursprung der CN befand sich bei beiden Arten am oberen Hypokotyl. . Verschiedene Substanzen in wässriger Lösung wurden lokal am Hypokotyl appliziert. Auxin bewirkte bei C.a. nach einer Latenzzeit von 19 Minuten einen Wachstumsschub. Größere Mengen Auxin löschten CN aus. Bei geringeren Mengen gingen die Schwingungen während der resultierenden Krümmungsreaktion weiter. NPA und TIBA hemmten CN kräftig. Gibberrelinsäure GA3 zeigte im Schwachlicht keine Wirkung. Eine Beteiligung von Expansin an CN wurde nicht gefunden. Anorganische Pufferlösungen wirkten hemmend auf die Schwingungen. Die phototrope Reaktion auf seitliches Licht war circadian moduliert. Arabidopsis-Keimlinge reagierten zu Zeiten stärksten Wachstums auch am stärksten auf phototrope Reize. Die phototrope Reaktionsfähigkeit der Hypokotyle wurde durch lokal appliziertes NPA verringert. Die phototrope Reaktionszeit von A.t. betrug etwa 24 Minuten. Mit lokal am Hypokotyl appliziertem Cycloheximid konnte eine Phasenverschiebung des circadianen Rhythmus von C.a. bewirkt werden. Um die Funktion der Auswertesoftware zu prüfen, wurden virtuelle Pflanzen generiert.

Recording units were developed to study elongation and circumnutation (CN) of the hypocotyls of Arabidopsis plants and related species. The unit moves two video cameras (for stereo imaging) in one or three dimensions thus allowing to record a larger number of seedlings at the same time. Imaging methods allowed to visualize and to analyse the temporal and spacial development of the seedlings. With these units the daily growth of Arabidopsis and Cardaminopsis was studied in weak white light (around 2 µmol m-2 s-1). Growths steps of Arabidopsis thaliana (A.t.) were clearly distinguishable from phases of almost no growth and without nutations. In Cardaminopsis arenosa (C.a.) periods of high growths rates followed those with low ones. CN were correlated with the growth rhythm. In both species the growing zone is located in the upper hypocotyl. Here circumnutations were produced also. Different substances were applied locally at the hypocotyl. Auxin induced a growth step in C.a. after a latency of 19 minutes. Higher concentrations of auxin stopped CN. With smaller amounts the oscillations continued during the bending reaction induced by auxin. NPA and TIBA inhibited CN strongly. Gibberrelic acid GA3 has no effect on circumnutations and growth. Expansin application does not affect CN. Different anorganic buffer solutions inhibited the oscillations. The phototropic reaction to lateral light was circadian. Arabidopsis seedlings reacted to phototropic stimuli most strongly during times of largest growths. The phototropic reaction was reduced by locally applied NPA. Since phototropic reaction time of A.t. was 24 minutes and gravitropic reaction time as well as latency after auxin application was 20 minutes, it is likely that auxin is involved in the signal chain of both tropisms. Locally applied cycloheximid phase shifted the circadian rhythm of C.a. To test the analysis software and to recognize artefacts, virtual plants were generated.