When Plants Cry : Investigating the Plant Response to Abiotic Stresses with PTR- and SRI-ToF-MS

Im Laufe der letzten zwei Jahrhunderte nahm der Einfluss des Menschen auf die Zusammensetzung der Erdatmosphäre kontinuierlich zu. Intensive Landwirtschaft und der exzessive Gebrauch von fossilen Brennstoffen hat dazu geführt, dass sich die Konzentrationen bestimmter Spurengase in der Atmosphäre ständig erhöht haben. Wenngleich deren Anteile in der Atmosphäre immer noch sehr gering sind, haben sie entscheidenden Einfluss auf das Leben auf der Erde. Ansteigende Kohlendioxid (CO2)-, Methan (CH4)- und Lachgas (N2O)- Konzentrationen werden für die globale Erwärmung und den Klimawandel verantwortlich gemacht; zunehmende Konzentrationen von Stickoxiden (NOx=NO+NO2) tragen gleichzeitig zum Anstieg von phytotoxischem, bodennahem Ozon bei. Unter anderem wegen der genannten Gründe sind Pflanzen heutzutage zunehmend öfters abiotischem Stress, z.B. Hitze-, Trocken-, oxidativem Stress oder Kombinationen davon, ausgesetzt. Ziel dieser Arbeit ist es, zu einem besseren Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und ihrer Umgebung während solcher Stresssituationen beizutragen. Unsere Untersuchungen fokussierten sich dabei hauptsächlich auf das Feedback von Pflanzen als Folge des Stresses, im Sinne von gesteigerten Emissionen von volatilen organischen Verbindungen (VOCs, vom englischen „volatile organic compounds“). Wie ich später zeigen werde, kann dieser etwas andere „Hilferuf“ von Pflanzen verschiedene Gründe und Funktionen haben. Unsere Experimente an hitze- und trockengestressten Pappeln veranschaulichten, wie sich diese Pflanzen an das zu erwartende, zukünftige Klima in Mitteleuropa anpassen werden. In diesen Messungen konnten wir zeigen, dass kurzzeitige Emissionen, sogenannte post illumination bursts (PIBs), von den Grünen Blattduftstoffen (GLVs, vom englischen „green leaf volatiles“) und Acetaldehyd infolge eines abrupten Licht-Dunkel-Wechsels, als nicht-invasive Stressmarker von hitze- und trockengestressten Pappeln benutzt werden können. Obwohl GLV-Emissionen unter Stress normalerweise zunehmen, waren PIBs von GLVs und Acetaldehyd in hitze- und trockengestressten Pappeln stark unterdrückt. Die selbe Experimentreihe zeigte, dass sich entgegen der Theorie die genetische Unterdrückung der Isoprensynthese nicht negativ auf die Stressbelastbarkeit von Pappeln auswirkt. Dies hat wichtige Implikationen hinsichtlichaktueller Bestrebungen, fossile Brennstoffe durch Biotreibstoffe zu ersetzen. Pappeln werden häufig zur Produktion von Biotreibstoffen verwendet, was jedoch in NOx-reichen Gegenden aufgrund ihrer starken Isoprenemissionen zur verstärkten Ozonproduktion beiträgt. Durch den Einsatz von genmanipulierten, nicht Isopren-emittierenden Pappeln könnte dieses Problem umgangen werden. In unseren Ozonbegasungs-Experimenten an Tabakpflanzen konnten wir einen neuartigen Schutzmechanismus gegen Ozonschäden nachweisen. Diterpenoide an der Blattoberfläche verschiedener Tabakvarietäten stellen normalerweise einen Schutz gegen Fressfeinde sowie Pilzbefall dar. Wir konnten jedoch zeigen, dass diese Stoffe auch entscheidenden Einfluss auf die Ozontoleranz der Pflanzen haben, indem sie durch Oberflächenreaktionen mit Ozon die Ozonkonzentration in unmittelbarer Blattnähe verringern. Außerdem verändert sich dadurch das Ozon-Diffusionsprofil in der diffusionslimitierten Grenzschicht über der Blattoberfläche, wodurch weniger Ozon in die Blattporen, die sogenannten Stomata, eindringen kann. Die Oberflächenreaktionen stellen hierbei nicht nur eine Senke von Ozon, sondern gleichzeitig auch ein Quelle von oxygenierten VOCs dar. In diesen Experimenten kam erstmals ein Advanced Selective Reagent Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometer (SRI-ToF-MS) zum Einsatz. Dieses erlaubte es uns, in Echtzeit Konzentrationen von semi-volatilen Verbindungen zu messen und Methylvinylketon, ein Ozonolyseprodukt des Diterpenoids cis-Abienol, von isomerem Methacrolein zu unterscheiden. Aufgrund dieser Schlüsselmerkmale wird das SRI-ToF-MS in Zukunft einen bedeutenden Platz bei der Messung von semi-volatilen Stoffen, wie z.B. höheren Terpenoiden, in der Erdatmosphäre einnehmen.Over the last two centuries, human activity was increasingly influencing the composition of the atmosphere. Intensive agriculture and combustion of fossil fuels has led to an atmospheric enrichment with several trace gases. Although the atmospheric concentration of these trace gases lies in the sub-percent range, their influence on life on earth is significant. Increasing carbon dioxide (CO2), methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) concentrations are thought to be responsible for global warming and associated climate change, while nitric oxides (NOx=NO+NO2) contribute to an enhanced production of phytotoxic ozone in the troposphere. Therefore, nowadays plants are more and more frequently exposed to related abiotic stresses, such as heat, drought and oxidative stress, or combinations thereof. This work aims to contribute to a better understanding of the complex interactions between plants and their environment during such stress events. Our experiments were focusing mainly on the stress feedback of plants in the sense of their enhanced emission of volatile organic compounds (VOCs). As I will illustrate further below, this unconventional “cry for help” of plants can have different reasons and purposes. Our investigations on heat and drought stressed poplar revealed how these plants will adapt to the climatic conditions expected for central Europe in the near future. In these experiments we could show that post illumination bursts (PIBs) of green leaf volatiles (GLVs) and acetaldehyde can be used as non-invasive markers of the heat and drought stress status of poplar plants. While in general GLVs emissions during stress situations are enhanced, in heat and drought stressed poplar the PIBs of GLVs and acetaldehyde were strongly suppressed. The same set of experiments revealed that in contrast to current theories, the suppression of isoprene synthesis in transgenic poplar does not adversely affect the stress mitigation capability of this plant species. This finding has important implications for current efforts to substitute fossil fuel with biofuel. Poplar is a common biofuel crop plant, which due to its high isoprene emission strength contributes to ozone formation in NOx rich environments. Using transgenic, non isoprene-emitting poplar genotypes this problem could be avoided. Our ozone fumigation experiments using different tobacco varieties revealed a new ozone protection mechanism of plants. Diterpenoid compounds at the surface of certain tobacco varieties normally act anti-fungal or as “protection shield” against herbivores. However, we could show that these substances also have a crucial impact on the ozone tolerance of plants. On the one hand, surface reactions of ozone with diterpenoids diminish the ozone concentrations in the leaf boundary layer. On the other hand, due to these reactions the ozone diffusion profiles in the leaf boundary layer are changed in such a way, that less ozone enters the leaf stomata. Simultaneously, the ozone-surface reactions represent a source of oxygenated VOCs, which might contribute to the oxidation capacity of the atmosphere. In these tobacco experiments an Advanced Selective Reagent Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometer (SRI-ToF-MS) was employed for the first time, which allowed to monitor the signals of semi-volatile diterpenoids in real-time and to unequivocally separate methyl vinyl ketone, an ozonolysis-product of the diterpenoid cis-abienol, from isomeric methacrolein. Therefore, in future this instrument will play an important role in the detection of yet unmeasured semi-volatile compounds, such as higher terpenoid compounds, in the earths atmosphere.by Werner JudEnth. u.a. 14 Veröff. d. Verf. aus den Jahren 2014 - 2015 . - Zsfassung in dt. SpracheInnsbruck, Univ., Diss., 2015OeBB(VLID)86685