Physiology of manganese toxicity and tolerance in Vigna unguiculata (L.) Walp.

Abstract

In cowpea (Vigna unguiculata (L.) Walp.) tolerance of manganese (Mn) excess depends on genotype, silicon (Si) nutrition, form of nitrogen (N) supply, and leaf age. The physiological mechanisms for improved Mn leaf-tissue tolerance are still poorly understood. On the basis of the density of brown spots per unit of leaf area and the callose content which are sensitive indicators of Mn toxicity, it was confirmed that cultivar (cv.) TVu 1987 was more Mn-tolerant than cv. TVu 91, young leaves were more Mn-tolerant, Si improved Mn tolerance, and NO3—-grown plants were more Mn-tolerant than NH4+-grown plants. A close positive relationship existed between the bulk-leaf Mn content and the vacuolar Mn concentration from the same leaves. Since no clear and consistent differences existed between leaf tissues differing in Mn tolerance, the results suggest that accumulation of Mn in the vacuoles and its complexation by organic anions do not play a role in Mn leaf-tissue tolerance in cowpea. A near linear relationship was found between leaf Mn contents and concentrations of free (H2O-soluble) and exchangeable-bound (BaCl2-extractable) Mn in the apoplastic washing fluid (AWF) extracted from whole leaves by an infiltration and centrifugation technique. There were no differences in apoplastic Mn concentrations owing to genotype and form of nitrogen nutrition. However, Si decreased the Mn concentration in the AWF. With increasing bulk-leaf Mn contents, concentrations of organic anions in the AWF also increased. The results suggest that complexation of Mn by organic anions in the leaf apoplast contribute to Mn tolerance due to genotype and more clearly due to NO3-N nutrition. Cell wall-bound peroxidase activity increased with leaf age and was higher in the Mn-sensitive cv. TVu 91 than in cv. TVu 1987. This was in agreement with a higher H2O2 production rate in cv. TVu 91. Also, a lower ratio of reduced to oxidized ascorbic acid in the AWF revealed that in Mn-sensitive leaf tissue, the apoplastic reduction capacity was lower than in Mn-tolerant leaf tissue when genotypes and leaves of different age were compared. We interpret our results as strong circumstantial evidence that Mn tolerance depends on the control of the free Mn2+concentration and of Mn2+-mediated oxidation/reduction reactions in the leaf apoplast. Physiologie der Mangantoxizität und -toleranz bei Vigna unguiculata (L.) Walp. Bei Cowpea (Vigna unguiculata (L.) Walp.) hängt die Toleranz gegenüber Mangan-(Mn)-Überschuß vom Genotyp, der Silizium-(Si)-Versorgung, der Form der Stickstoff-(N)-Ernährung und dem Blattalter ab. Die physiologischen Ursachen der Mn Blattgewebe-Toleranz sind bisher noch unzureichend verstanden. Auf der Basis der Dichte brauner Punkte und dem Kallosegehalt, die empfindliche Indikatoren für Mn-Toxizität sind, ließ sich eindeutig nachweisen, daß der Genotyp TVu 1987 Mn-toleranter als der Genotyp TVu 91 ist, junge Blätter waren Mn-toleranter als alte Blätter, Si erhöhte die Mn-Toleranz und NO3—-ernährte Pflanzen waren Mn-toleranter als NH4+-ernährte Pflanzen. Zwischen dem Gesamt-Mn-Gehalt und der vakuolären Mn-Konzentration derselben Blätter bestand eine enge positive Beziehung. Da jedoch keine eindeutigen Unterschiede zwischen unterschiedlich Mn-tolerantem Blattgewebe auftraten, läßt sich folgern, daß die Akkumulation von Mn in der Vakuole und Komplexierung durch organische Anionen keine Rolle für die Mn- Toleranz im Blattgewebe von Cowpea spielt. Zwischen den Mn-Gehalten im Blatt und den Konzentrationen an freiem (H2O-löslichem) und austauschbar gebundenem (BaCl2-extrahierbarem) Mn in der apoplastischen Waschflüssigkeit (AWF) konnte eine nahezu lineare Beziehung gefunden werden. Unterschiede in den apoplastischen Mn-Konzentrationen in Abhängigkeit von Genotyp und Form der Stickstoffernährung gab es nicht. Siliziumversorgung verminderte jedoch die Mn-Konzentration in der AWF. Mit zunehmenden Mn-Gehalten des Gesamtblatts stieg auch die Konzentration organischer Anionen in der AWF. Die Ergebnisse lassen vermuten, daß die Komplexierung von Mn durch organische Anionen im Blattapoplasten zur durch Genotyp und NO3—-Ernährung bedingten Mn-Toleranz beiträgt. Weiterhin wurden auch Parameter gemessen, die direkter mit der Oxidation von Mn und Phenolen im Blattapoplasten im Zusammenhang stehen. Die Zellwand-gebundene Peroxidaseaktivität stieg mit zunehmendem Blattalter und war beim Mn-sensitiven Genotyp TVu 91 höher als beim Genotyp TVu 1987. Dies war gleichzeitig mit einer höheren H2O2-Produktionsrate verbunden. Außerdem bestätigte auch ein engeres Verhältnis von reduzierter zu oxidierter Ascorbinsäure in der AWF die niedrigere apoplastische Reduktionskapazität von Mn-sensitivem im Vergleich zu Mn-tolerantem Blattgewebe in Abhängigkeit von Genotyp und Blattalter. Wir interpretieren unsere Ergebnisse als deutlichen indirekten Hinweis darauf, daß Mn-Toleranz von der Kontrolle der freien Mn2+ Konzentration und von Mn2+-vermittelten Oxidations-/Reduktionsreaktionen im Blattapoplasten abhängt.