Changes in net proton release by roots of intact maize plants after local nutrient supply in a split root system

Abstract

The effect of local nutrient supply to maize roots (Zea mays L. cv. Blizzard) on net proton release was studied using the split root technique (SRNS, SRCa) to compare plants that were cultivated with their roots completely in either nutrient solution (NS) or 0.1 mM CaSO4 (Ca). Roots in NS released more protons than roots in Ca. This higher net proton release was associated with significantly higher ATP concentrations in the root tissue. Higher net proton release and ATP concentrations were also observed after a 4 h lag phase when 20 μM abscisic acid were exogenously applied to roots in 0.1 mM CaSO4. It is suggested that higher metabolic activity in roots supplied with nutrients increased ATP concentrations and thus the substrate supply of the plasma membrane H+ ATPase. When only half of the root system was supplied with nutrient solution with the other half bathed in 0.1 mM CaSO4, the roots in the SRNS compartment released significantly higher amounts of protons relative to the NS control plants. Conversely, roots in the SRCa compartment showed net proton uptake in contrast to the roots of control plants in 0.1 mM CaSO4 which significantly acidified the root medium. These differences in proton release by roots in the split root system and control roots could not be explained in terms of differences in ATP concentrations. It is therefore suggested that an internal signal may lead to a modification of the plasma membrane H+ ATPase as shown earlier during plant adaptation to low pH in the root medium. Veranderungen der Protonen-Nettoabgabe von Wurzeln intakter Maispflanzen wahrend eines lokalen Nahrstoffangebotes in Split-Root-Technik Der Einfluss eines lokalen Nahrstoffangebotes auf die Protonen-Nettoabgabe von Maiswurzeln (Zea mays L. cv. Blizzard) wurde in Split-Root-Technik (SRNS, SRCa) im Vergleich zu Kontrollpflanzen untersucht, deren Wurzeln entweder vollstandig in Nahrlosung (NS) oder in 0,1 mM CaSO4 (Ca) kultiviert wurden. Wurzeln in NS gaben mehr Protonen ab als solche in Ca. Diese hohere Protonen-Nettoabgabe war mit hoheren ATP-Konzentrationen im Wurzelgewebe verbunden. Auch exogene Zugabe von 20 μM Abscisinsaure im Wurzelmedium erhohte nach einer vierstundigen Verzogerung die ATP-Konzentrationen und Protonen-Nettoabgabe von Wurzeln in 0,1 mM CaSO4. Die hohere metabolische Aktivitat von Wurzeln in NS durfte zu gestiegenen ATP-Konzentrationen und damit zu einer gesteigerten Substratversorgung der H+-ATPase im Plasmalemma gefuhrt haben. Wurde nur die Halfte des Wurzelsystems mit Nahrlosung versorgt, wahrend die andere Halfte in Ca tauchte, gaben die Wurzeln in SRNS signifikant mehr Protonen ab als Kontrollpflanzen in NS. Umgekehrt nahmen Wurzeln im SRCa-Kompartiment netto Protonen auf, wahrend Kontrollpflanzen in 0,1 mM CaSO4 das Wurzelmedium signifikant ansauerten. Diese Unterschiede in der Protonen-Nettoabgabe von Wurzeln in Split-Root-Technik und von Kontrollwurzeln liesen sich nicht mit Unterschieden der ATP-Konzentrationen erklaren. Es wird daher vermutet, dass ein internes Signal zu einer Modifikation der H+-ATPase im Plasmalemma fuhrt, wie dies bereits fur die Anpassung von Pflanzen an niedrige pH-Werte im Wurzelmedium gezeigt wurde.