K+ homeostasis and potassium dependent xylogenesis in Populus tremula L. x Populus tremuloides Michx.

Mit molekularbiologischen und biophysikalischen Analysen sowie immunologischen Nachweisen wurden Grundlagen des kaliumabhängigen Holzwachstums erforscht. Aus Holz-Kambium-Bast-Gewebe wurden mit PTK2 (Populus tremula K+ channel 2), KPT1 (K+ channel Populus tremula 1) und PtKUP1 (Populus tremula K+ uptake transporter 1) drei Volllängen putativer Kaliumtransporter isoliert. PTK2 ließ sich anhand der abgeleiteten Aminosäuresequenz der AKT2/3-Unterfamilie und KPT1 dem KAT1-Subtyp der Shaker-Familie zuordnen, während sich PtKUP1 in die Familie der KT/KUP/HAK-Transporter einreihte. Ein direkter Zusammenhang zwischen Kaliumtransport und holzbildenden Zellen konnte durch Verringerung der Gefäßweiten und signifikante Schrumpfung der Streckungszone nach lokal begrenzter Applikation des Kaliumkanalblockers TEA+ sowie durch Kaliumlimitierende Bedingungen hergestellt werden. Die Transkripte von PTK2 und PTORK (Populus tremula outward rectifying K+ channel) wurden in den Leitgeweben des Stammes, dort besonders im Phloem und in Schließzellen lokalisiert. KPT1 wurde fast ausschließlich in den Schließzellen nachgewiesen. Die mRNA von PtKUP1 war ubiquitär in geringen Mengen vorhanden. Funktionell wurde PTK2 als schwach spannungsabhängiger, K+-selektiver, nicht-gleichrichtender Kaliumkanal charakterisiert. Wie AKT2/3-ähnliche Kaliumkanäle, wurde PTK2 durch Protonen und spannungsabhängig durch Calcium geblockt. KPT1 und PtKUP1 komplementierten einen Bakterienstamm in seiner Kalium-Aufnahmedefizienz und repräsentieren demnach Kalium-Aufnahmesysteme. In Protoplasten einer Pappel-Suspensionskultur konnte ein auswärtsgleichrichtender, kalium- und spannungsabhängiger, K+-Kanal nachgewiesen werden. Dieser Auswärtsgleichrichter zeigte langsame, sigmoidale Aktivierungskinetiken, ähnlich den Kaliumströmen PTORK-exprimierender Oocyten. Des Weiteren wurde in der Suspensionskultur ein einwärtsgleichrichtender, spannungsabhängiger K+-selektiver Kanal detektiert, der, wie PTK2 in Xenopus-Oocyten, spannungsabhängig durch Calcium geblockt wurde. Nach Zugabe extrazellulären Cäsiums kam der Einwärtsstrom vollständig zum Erliegen. Für alle drei Kaliumkanäle der Pappel sowie den Kalium-Carrier wurden die Promotorregionen isoliert. Sie enthielten Motive für licht- und temperaturabhängige Transkription, gewebespezifische Expression im Leitgewebe, in Schließzellen und in Wurzeln, sowie hormonabhängige Transkription. Die Genaktivitäten von PTORK und PTK2 wurden nach Transformation von A. thaliana mit geeigneten Promotor-GUS-Konstrukten im Phloem und Xylemparenchym von Blattstielen nachgewiesen. Erstmals für Pflanzen wurden mit PTORK und PTK2 Kaliumkanal-Proteine immunologisch durch Antikörper in Phloem- und Strahlzellen während des aktiven Holzwachstums lokalisiert. Während PTK2 gleichmäßig in den Strahlzellen verteilt war, wurde im gleichen Zelltyp für PTORK eine polare Anordnung zu den angrenzenden Gefäßen hin beobachtet. Um die verschiedenen Kaliumtransporter mit der kambialen Aktivität und dem Holzwachstum zu verknüpfen, wurden die Expressionsprofile mit jahreszeitlichen Änderungen der Kaliumgehalte im Stamm verglichen. Die Transkriptanalyse von PTORK, PTK2, KPT1 und PtKUP1 über den Zeitraum eines Jahres in Stamm- und Blattknospen zeigte eine transkriptionelle Korrelation von PTORK und PTK2 mit der saisonal begrenzten Holzbildung. Ihre hohen Transkriptmengen im Herbst lassen, zusammen mit ihrer Lokalisation im Leitgewebe und ihren funktionellen Eigenschaften, auf eine Beteiligung der beiden Kaliumkanäle an Speicherungsvorgängen in die lebenden Mark- und Baststrahlen im Herbst schließen. Im Frühjahr dagegen, wenn sich die Kaliumströme umkehren, um „sink“-Gewebe mit Kalium zu versorgen, wird das Kalium vermutlich hauptsächlich über PTK2, der dann maximal exprimiert wird, aus den Strahlen und Gefäßen zu den Meristemen in Stamm und Knospen transportiert. Die hauptsächlich in Schließzellen lokalisiert KPT1 wurde zur Knospenöffnung transient induziert. Damit könnte gesichert werden, dass ausreichend osmotisch aktives Kalium für Zellexpansion und Stomaöffnung in die Schließzellen gelangt. PtKUP1 war in allen Geweben während des gesamten Jahres niedrig exprimiert und sichert daher vermutlich eine Kaliumversorgung auch unter limitierenden Bedingungen. Zur Vermehrung und Schaffung neuen Pflanzenmaterials wurde eine sterile Agarkultur aus P. tremula x P. tremuloides sowie eine Pappel-Suspensionskultur aus oberirdischem, sich teilendem Sprossgewebe etabliert. Die Expressionsanalyse der Zellkultur deutete auf eine Ausstattung an Kaliumkanälen wie in Wurzelhaaren hin, mit hohen Transkriptzahlen für PTORK, geringer Expression von PTK2 und geringsten PtKUP1-Transkripten.The current work focussed on the elucidation of the molecular basis for K+-dependent wood formation. Using molecular techniques in combination with biophysical and immu-nological approaches the results can be summarised as follows: The cDNA’s of three putative potassium transporter, PTK2 (Populus tremula K+ channel 2), KPT1 (K+ channel Populus tremula 1) and PtKUP1 (Populus tremula K+ uptake trans-porter 1), were isolated from wood-cambium-phloem tissue. Based on the deduced amino acid sequences, PTK2 was assigned to the AKT2/3-subfamily and KPT1 to the KAT1-suptype of Shaker channels, while PtKUP1 was grouped into the family of the KT/KUP/HAK-transporters. The contribution of potassium channels for wood formation was shown by local application of the K+ channel blocker TEA+ as well as under limiting K+ conditions. Both treatments resulted in a decrease of vessel lumen area, a significant reduction of the zone of expanding xylem cells and a premature initiation of secondary cell wall synthesis. The transcripts of PTK2 and PTORK (Populus tremula outward rectifying K+ channel), were mainly localised in the phloem of the vascular tissue and in guard cells while KPT1 was restricted to guard cells. In contrast, the mRNA of PtKUP1 was ubiqui-tously present at low levels. PTK2 was functionally characterised as a weakly voltage-dependent, K+-selective channel mediating potassium currents into and out of the cell. Reminiscent to AKT2/3-like channels, PTK2 was sensitive to extra cellular protons and blocked by calcium in a voltage-dependent manner. KPT1 and PtKUP1 were able to com-plement a potassium uptake deficient strain of E. coli. Therefore KPT1 und PtKUP1 repre-sent potassium uptake transport proteins. Protoplasts from poplar suspension cultures dis-played an outward rectifying, potassium- and voltage-dependent, K+-selective channel. This outward rectifier exhibiting slow sigmoidal activation kinetics, reminiscent of PTORK when heterologously expressed in Xenopus oocytes. In addition, an inward rectify-ing, voltage-dependent, K+-selective channel was detected in suspension cultured cells, showing a voltage-dependent calcium block like PTK2 expressed in Xenopus oocytes. The currents carried by this channel were completely abolished after application of extra cellu-lar caesium. The promotor regions of all three poplar potassium channels and the potas-sium transporter were isolated. Sequence analysis revealed signal motifs for temperature- and light-dependent regulation as well as tissue-specific expression in vascular tissue, guard cells and roots and motifs for hormonal dependent transcription. Transformation of A. thaliana with promotor-GUS-constructs showed that PTORK and PTK2 gene activities were predominantly observed in the phloem and xylem parenchyma of petioles. For the first time in plants the K+ channel proteins PTORK and PTK2 were immunologically local-ised with antibodies in phloem and rays during the active wood forming period. In contrast to PTK2 which was equally distributed within ray cells PTORK was polar arranged to neighbouring vessels. In order to link the different potassium transporters to cambial activ-ity and wood formation expression profiles were compared to seasonal changes of potas-sium content of the stems. The annual expression analysis of PTORK, PTK2, KPT1 und PtKUP1 in stems and buds revealed a correlation of PTORK und PTK2 with seasonally limited wood formation. Their induction in autumn, as well as their localisation in vascular tissues and their functional properties, indicated an involvement of both potassium chan-nels in loading the still living pit and phloem rays in autumn. In contrast in spring, when K+ fluxes reverse from the rays and vessels to the meristematic tissues to ensure cambial activ-ity, this ion is probably transported via PTK2, which is maximal expressed at this time. KPT1, which is mainly localised in guard cells, was induced transiently when buds open and therefore probably ensures that sufficient, osmotic active potassium comes into guard cells for expansion and stomatal opening. Finally, PtKUP1 may represent a gene that is important for potassium nutrition under limiting conditions since transcript levels were low in all tissues throughout the year. A sterile agar culture of P. tremula x P. tremuloides was generated for propagation and a sterile poplar suspension culture was established from over ground dividing stem tissue. The K+-channel expression profile of the cell culture was similar to that described for root hairs showing high transcript levels of PTORK, little ex-pression of PTK2 and minimal amounts of PtKUP1 transcripts