English Title: Spatial and temporal growth patterns in roots and leaves of dicotyledonous plants

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Abstract

Wachstum - die irreversible Volumenzunahme eines Organs oder Gewebes - ist ein raum-zeitlich höchst dynamischer Prozess, der für Pflanzen von vielgestaltiger Bedeutung ist. Wachstumsmuster der untersuchten Wurzeln und Blätter konnten mit hoher Genauigkeit auf einer Zeitskala von Minuten bzw. einer Ortsskala von unter 1 mm automatisiert gewonnen und interpretiert werden. Dies gelang durch den Einsatz einer innovativen Bildverarbeitungsmethode, die im Verlauf dieser Arbeit in den botanischen Praxisbetrieb überführt wurde. Die Messungen führten auf verschiedenen regulatorischen Ebenen zu grundlegend neuen Erkenntnissen. Bei Wurzeln von Mais konnte ein zweigipfliges Maximum der Wachstumsverteilung detektiert werden, dessen Entstehung möglicherweise auf die Staffelung der raum-zeitlichen Differenzierung von Geweben zurückzuführen ist. Ein konstanter diurnaler Verlauf des Wachstums zeigte sich für die Aktivität der integrierten Wachstumszone. Circumnutatorische Wachstumsbewegungen wurden registriert, deren Periodenlängen ebenso von der externen Nährstoff-Verfügbarkeit abhingen wie die Wachstumsverteilung und die Inhaltsstoff-Zusammensetzung der Wurzelwachstumszone. Bei Blättern von Tabak und Rizinus konnte im Gegensatz zu den Wurzeln ein Tagesgang der Wachstumsaktivität mit einem Maximum am Nacht-Tag-Übergang nachgewiesen werden. Dieses Wachstumsmuster stellt wahrscheinlich einen circadianen Rhythmus dar, der selbst in isolierten Blattscheiben im Dauerlicht weiterläuft. Das Maximum des Tagesganges kann durch differentielle Temperierung von Spross und Wurzel verlagert werden. Eng mit der zeitlichen Aktivitätsverteilung des Wachstums war die Expression eines Expansin-Gens (NtExp1) korreliert. Im Gegensatz zur Wurzel zeigten hier auch viele Inhaltsstoff-Konzentrationen einen deutlichen Tagesgang. Nutatorische und nyctinastische Bewegungen des Blattes konnten als Ausdruck räumlich differentieller, biomechanisch regulierter Wachstumsaktivität charakterisiert werden.

Translation of abstract (English)

Growth - the irreversible increase in volume of an organ or tissue - is a spatio-temporal, highly dynamical process of polymorphic significance. Growth patterns of the investigated roots and leaves were gained automatically and interpreted on a temporal scale of minutes and a spatial scale of less than one millimeter. The combination of spatial and temporal high-performance measurements was reached by the use of a novel digital image sequence processing method. During this thesis, the method was put into a botanical routine method, which led to fundamental new insights on different plant regulatory levels. For roots of maize, a double-peaked maximum of growth rate distribution was detected. Its origin is possibly related to the staggered spatio-temporal differentiation of tissues. A constant diurnal course of growth activity was shown for the growth zone as a whole. Circumnutatory growth movements were registered. Their frequency was shown to be dependent on external nutrient availability, which also affects growth rate distribution and compound concentrations within the root growth zone. Leaves of tobacco and castor bean showed a diurnal variation of growth activity, in contrast to the conditions within roots, with a maximum at the night-day-transition. This growth pattern probably represents a circadian rhythm; running on even in isolated leaf disks in continuous light. The maximum of the diurnal course was shifted by differential heating of root and shoot. The temporal distribution of growth activity was correlated closely with the expression of an a-expansin-gene (NtExp1). In contrast to the conditions in roots, pronounced diurnal variations of many compound concentrations were found here. Nutatory and nyctinastic leaf movements were characterised as the expression of spatially differentiated growth activity, which is regulated by biomechanical means.