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Artübergreifende Bestimmung von Parametern des Primärwurzelwachstums durch raum-zeitlich hochaufgelöste Bildsequenzanalyse unter besonderer Berücksichtigung der Variation der externen Nährstoffverfügbarkeit

Terjung, Stefan

English Title: Characterisation of primary root growth parameter using image sequence analysis with spatio-temporal high resolution

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PDF, German
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Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Primärwurzelwachstum vier verschiedener Arten (Arabidopsis, Nicotiana, Solanum und Zea) genau analysiert. Dabei konnte eine sehr hohe räumliche und zeitliche Auflösung erzielt werden, die bisher in dieser Kombination nicht erreicht wurde. Dies wurde durch die Anwendung einer innovativen Bildsequenzanalyse (DISP-Methode) möglich. Um die genannte Methode auf sehr kleinen Wurzeln (Durchmesser < 0,3 mm) anwenden zu können, wurde ein ‚Mikrorhizotron’-Aufbau konstruiert, mit dem die notwendige raum-zeitliche Auflösung erreicht wurde. In interdisziplinärer Zusammenarbeit wurde die Verfolgung der Wurzelspitze im Bildbereich zur kontinuierlichen Wurzelbeobachtung über mehrere Tage entwickelt und Optimierungen im Bereich des Auswertungsverfahrens eingeführt. Durch die Anwendung der weiterentwickelten DISP-Methode konnte eine Vielzahl neuer Erkenntnisse gewonnen werden. Invarianten des Wachstums: Die vergleichende Analyse der Wachstumsmuster hat ergeben, dass das Maximum der relativen elementaren Wuchsrate ( REGRmax), der Abstand der REGRmax von der Wurzelspitze, die REGR-Halbwertsbreite und die Länge der Wachstumszone sich bei den vier untersuchten Arten auf die gleiche Weise proportional zur Geschwindigkeit der Spitze (VSpitze) verhalten. Es konnte auch gezeigt werden, dass die oben genannten Wachstumsparameter sowie VSpitze in linearer Weise vom Wurzeldurchmesser abhängen. Die untersuchten Arten weisen keinen diurnalen Rhythmus des Wurzelwachstums auf. An Maiswurzeln konnte bei Versuchen unter konstanten sowie rasch veränderten Umgebungsbedingungen gezeigt werden, dass die Symmetrie der relativen Wuchsratenverteilung vom externen Nährstoffangebot abhängt. Auch die Wachstumsleistung der Primärwurzelspitze wird durch die umgebende Nährstoffkonzentration beeinflusst. Je höher die Konzentration ist, desto schneller nimmt die Wachstumsleistung ab. Erstmals konnte die dynamische Reaktion der Primärwurzeln auf rasche Variation der Nährstoffverfügbarkeit mit hoher raum-zeitlicher Auflösung untersucht werden. Bei der dynamischen Reaktion der Wurzel auf die veränderten Bedingungen werden fast ausschließlich REGRmax und VSpitze variiert. Das Ausmaß der Wachstumsveränderung ist geringer abhängig von der veränderten Osmolarität als von der Nährstoffkonzentration– sowohl von der Ausgangskonzentration als auch von der absoluten Veränderung. Dies legt einen Zusammenhang der Wachstumsreaktion mit der Nährstoffaufnahme nahe. Durch den Einsatz einer stabil transformierten Arabidopsis-Linie mit einem labilen Reportergen-Konstrukt konnte die Dynamik des G2/M-Übergangs (und damit der Zellteilungsaktivität) in vivo ohne externe Behandlung untersucht werden. Für die Zellteilungsaktivität und Meristemlänge wurde mit dieser Methode eine lineare Abhängigkeit von der Spitzengeschwindigkeit der Wurzel festgestellt.

Translation of abstract (English)

A thorough analysis of primary root growth parameters of seedlings of four different species (Arabidopsis, Nicotiana, Solanum, and Zea) were carried out in this thesis. The combination of spatial and temporal growth measurement resolution was brought to a new level of precision by employing innovative image processing methods (‘DISP-method’). To use this method on very small roots (diameter of Arabidopsis, Nicotiana, and Solanum < 0.3 mm) a special Microrhizotron’- setup was constructed to visualize the vertically growing roots which enabled image acquisition with the necessary temporal and spatial resolution. Within the framework of interdisciplinary cooperation computer-controlled tracking of the root tip over several days was established. Furthermore the image sequence processing algorithms have been optimized for root growth analysis. Applying the improved DISP-method led to a multitude of new insights on root growth. Invariants of growth: Comparative analysis of the growth parameters of the four analysed species revealed similar relation of four parameters to the root tip velocity (VTip): Relative elemental growth rate maximum (REGRmax), Distance of the REGRmax from the root tip, Full width half maximum of the REGR, and Length of the growth zone. Moreover, these growth parameters and VTip are linearly correlated with the root diameter. No diurnal course of VTip and REGRmax was present in all examined species. Experiments on maize roots under constant as well as rapidly changed environmental conditions revealed the dependency of the REGR profile on the external nutrient supply. Moreover, the growth capacity of the primary root is influenced by the concentration of the surrounding nutrient solution. The higher the nutrient concentration, the faster growth capacity declines. For the first time the dynamic response of primary roots to rapid variation of the nutrient availability was studied with high spatial and temporal resolution. Adaptation to the changed conditions is achieved nearly exclusively by the variation of REGRmax and VTip. Changes in the investigated growth parameters depend only to a minor extent on differences in osmolarity but mainly on nutrient concentration variation – both concerning the initial nutrient concentration and the absolute change. These results suggest a correlation of the growth adaptation with the nutrient uptake. Using a transgenic Arabidopsis-line expressing a labile cyclin-gfp fusion protein, the dynamics of the G2/M-transition of the cell cycle were imaged in vivo without external application of fluorescent dyes. A linear dependency of the cell division activity as well as of meristem length on VTip has been determined with this method.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schurr, Prof. Dr. Ulrich
Date of thesis defense: 26 January 2004
Date Deposited: 05 Mar 2004 10:40
Date: 2003
Faculties / Institutes: Service facilities > Centre for Organismal Studies Heidelberg (COS)
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Bildverarbeitung, Botanik, Wurzel, Hauptwurzel, Wachstumsrate, Wachstum, Pflanzenwachstum, Zellstreckung, Zellteilung
Uncontrolled Keywords: relative Wuchsrate , Nährlösungsvariationroot , growth , botany , image processing
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