Assessment of aluminum sensitivity of maize cultivars using roots of intact plants and excised root tips

Abstract

Maize cultivars (Zea mays L.) were evaluated for their aluminum (Al) sensitivity using intact plants and excised root tips exposed to 25 μM Al in nutrient solution of low ionic strength and pH 4.3. Aluminum supply increased callose formation and Al concentrations in root tips of intact plants as well as in excised root tips. Using intact plants, differences in Al sensitivity among cultivars could be characterized by Al-induced callose formation, Al-induced inhibition of root elongation, as well as Al contents in root tips as parameters. Significant correlations between Al-induced callose formation and Al contents in root tips (r2 = 0.64**) and inhibition of root elongation (r2 = 0.80***) were found. Excised root tips did not show a significant Al-induced inhibition of root elongation. While average Al-induced callose formation was similar for root tips of intact plants and excised root tips, mean Al contents in excised root tips were up to 1.5-fold higher than in root tips of intact plants after 24 h of Al treatment. Aluminum-induced callose formation as found in excised root tips did neither correspond to Al-induced callose formation nor to inhibition of root elongation of intact plants. The addition of 10 mM glucose to the incubation medium led to a significant increase in the elongation of excised root tips and a 2-3-fold increase in Al-induced callose formation. Staining with triphenyl-tetrazolium-chloride (TTC) revealed increased viability of these root segments. However, these effects of glucose supply did not improve the characterization of the cultivars for Al resistance. The results presented suggest that Al exclusion mechanisms expressed in root tips of intact plants might be non-operational in excised root tips. Therefore, the characterization of maize germplasm for Al resistance using excised root tips appears not to be reliable. Charakterisierung der Aluminium-Empfindlichkeit von Mais-Genotypen an intakten Pflanzen im Vergleich zu abgeschnittenen Wurzelspitzen Die Aluminium (Al)-Empfindlichkeit von Mais-Genotypen (Zea mays L.) wurde an Wurzeln intakter Pflanzen im Vergleich zu abgeschnittenen Wurzelspitzen durch Angebot von 25 μM Al in Nährlösung mit geringer Ionenstärke und pH 4,3 charakterisiert. Aluminium-Angebot führte sowohl bei Wurzeln intakter Pflanzen als auch bei abgeschnittenen Wurzeln zu vermehrter Kallose-Bildung und erhöhten Al-Gehalten. Bei Wurzeln intakter Pflanzen konnten übereinstimmende Unterschiede in der Al-Empfindlichkeit sowohl durch das Ausmaß der Al-induzierten Kallose-Bildung, der Al-Gehalte in den Wurzelspitzen als auch der Hemmung des Wurzellängenwachstums festgestellt werden. Die Kallose-Gehalte waren mit den Al-Gehalten (r2 = 0,64**) und mit der Hemmung des Wurzellängenwachstums (r2 = 0,80***) signifikant positiv korreliert. Bei abgeschnittenen Wurzelspitzen hemmte Al-Angebot das generell geringe Wurzelwachstum nicht. Während die Al-induzierte Kallose-Bildung vergleichbar zu intakten Wurzeln war, waren die Al-Gehalte nach 24 h Al-Angebot um den Faktor 1,5 erhöht. Aluminium-induzierte Kallose-Bildung in abgeschnittenen Wurzeln war nicht korreliert mit der Kallose-Bildung und der Hemmung des Wurzellängenwachstums bei intakten Pflanzen. Zusatz von 10 mM Glukose zum Inkubationsmedium führte zu einer signifikanten Förderung des Längenwachstums und einer 2-3fach erhöhten Kallose-Bildung bei abgeschnittenen Wurzeln. Anfärbung der Wurzelspitzen mit Triphenyl-Tetrazolium-Chlorid (TTC) zeigte eine stark verminderte Vitalität 24 Stunden nach dem Abschneiden. Der Glukosezusatz verbesserte jedoch nicht die Klas-sifikation der Genotypen nach Al-Empfindlichkeit. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass der für Al-Resistenz in-takter Pflanzen verantwortliche Mechanismus der Diskriminierung von Al von der Aufnahme in die Wurzelspitzen in abgeschnittenen Wurzeln beeinträchtigt ist. Daher ist ein Screening von Mais-Geno-typen auf Al-Resistenz mit abgeschnittenen Wurzelspitzen nicht zuverlässig möglich.