Planta (Berl.) 74, 371~378 (1967)

Die Wirkung von Gibberellinstiure und Indolylessigs~iure auf die Wurzelbildung

von Tomatenstecklingen

H ~ i ~ z J ~ s ~ N

Institut fiir Botanik der Teehnischen Hochschule Hannover

Eingegangen am 28. Dezember 1966

The E//ect o/Gibberellic Acid and Indoleacetic Acid on the Root Formation o/Tomato Cuttings

Summary: Root formation of tomato cuttings was always inhibited by GA, never promoted. The number of roots was reduced and the roots appeared later, so that at the end of the experiment (13 days later) a reduced dry weight resulted. The effect depended on the concentration of GA, the lowest effective concentra- tion being 10 -3 rag/1. Root formation decreased up to 1000 rag/1 GA. An effect on the shoot was noted at concentrations above 10 mg/1. Counts of root primordias after 3--5 days showed the same diminution of root formation. The growth of existing primordias seemed not to be influenced by GA.

Short-time treatments with GA had a smaller effect, but a 3-day absorption- period resulted in the same decrease as a treatment during the whole experiment. When GA was given after the experiment had started, the first 3 days of treatment were again the most effective. This result shows that the induction of root primordias is inhibited or at least retarded.

CCC had no effect on root formation nor was it able to alter the inhibition by GA. IAA alone did not promote the rooting process. In combination with GA (con- centration range for both 10 -a --1 rag/l) IAA never reduced the inhibition by GA. On the contrary, 1 rag/1 IAA ~ GA was somewhat more inhibitive than GA alone.

Ein le i tung

Einer der wenigen Prozesse, die durch Gibberel l ins~ure (GS) sowohl gefSrder t als auch g e h e m m t werden kSnnen, is~ die Adven t ivwurze l - bf ldung an abgeschn i t t enen Sprol~aehsen (s. F o c x ~ et al., 1965). F i n e K1/irung der e inander widersprechenden Ergebnisse is t k a u m mSglich, solange der Wi rkungsmechan i smus der Gibberel l ine n ich t b e k a n n t ist. F i i r diesen Mechanisraus werden verschiedene M5glichkei~en d iskut ie r t , wobei begrf indete Vors te l lungen vor a l lem f/Jr die Rolle des Gibberel l ins be im Ke imungsvo rgang en twicke l t wurden (Zusammenfassung bei P~J~v~G, 1965). Doch lassen sich diese Vors te l lungen bisher n ich t ohne wei teres auf andere durch GS beeinflul~te physiologische Prozesse fiber- t ragen. Es soll d a r u m versuch t werden, ob bei der Beeinflussung der Adven t ivwurze lb f ldung durch GS wei tere Aufschlfisse fiber Stoff- wechselver/~nderungen und mSglicherweise auch fiber die Wirkungsweise

372 It. JANSEn:

der GS zu gewinnen sind. Dabe i wurde zunachs t e inmal der quan t i t a t i ve Ef fek t der GS untersueht . Des wei teren wurde der Einflul~ yon fl-In- dolylessigsaure ( IES) auf die dureh GS ver i inder te Wurze lb i ldung ge- pri if t .

Methodik

Als UntersuchungsmateriM wurden Steeklinge yon Tomaten, ,,Haubners Vollendung", verwendet, deren Anzueht im Gew~ehshaus erfolgte, wobei im Win- terhMbjahr die Tageslange durch Zusatzbeleuchtung (Leuchtstoffr6hren) auf 15 h ausgedehnt wurde. Die Stecklinge waren im a]lgemeinen 15 cm lang und besM3en 2--3 gr6~ere Bli~tter. Jeder Steckling wnrde in einen 100 ml Erlenmeyer-Kolben in Wasser bzw. VersuchslSsung gestellt, wobei er zu Versuchsbeginn etwa 4 cm tier eintsuchte. Die Durchffihrung der Versuche erfolgte in einer Klimakammer bei 20 • 0,5~ und 35--45 % Luftfeuehtigkeit unter Feldern yon LeuchtstoffrShren (je 4 vom Typ 40 W/15 R und 3 vom Typ 40 W/32 R der Fa. Osram). Die Tages- l~nge betrug 20 h, die Lichtintensiti~t in H5he der Bl~itter im Durchschnitt ca. 4000 Lux (max. Abweichung • 1000 Lux). Bei starker Verdunstung mu]te nach 10--12 d meist etwas Wasser nachgefiillt werden. Die Auswertung erfolgte 13 Tage nach Versuchsbeginn. Die gebildeten Adventivwurzeln wurden unmittelbar am SproB abgeschnitten, fiber Nacht bei 105 o C his zur Gewichtskonstanz getrocknet und gewogen. Als Ma] ffir die Wurzelbildung diente das Trockengewicht.

Ergebnisse Um die Wurzelbildung quantitativ effassen zu kSnnen, war es vorteilhaft, ein

flfissiges Bewurzelungsmedium zu verwenden. Da HEMBERG (1951) bei seinen Ver- suchen mit Bohnenhypokotylen die beste Bewurzelung in Leitungswasser erhielt, wurde in Vorversuchen neben Aqu~ bidest, und vollentsalztem Wasser (Leit- f~higkeit ~ 2~S) vor allern Leitungswasser geprfift. Die durchschnittliehen Wurzel- trockengewichte verhielten sich dabei wie 23,4%:59,7%:100%. Die Wurzel- bildung war also auch bei Tomaten in Leitungswasser erheblich besser; deshalb wurden Mle weiteren Versuehe in Leitungswasser durchgeffihrt.

Ein/lu/3 der GS-Konzentration: Berei ts die ers ten Versuche mi t 1 und 10 rag/1 GS ergaben erhebliehe Minderungen des Wurze lgewichts bei GS-Zusatz . Es war anzunehmen, dal~ die Sti~rke der H e m m u n g yon der G S - K o n z e n t r a t i o n abhi~ngt, wobei in AnMogie zu W i r k u n g s k u r v e n an- derer Wuchss toffe auch ein F6rderbere ich exis t ieren k6nnte . U n t e r unseren Versuehsbedingungen wurde jedoch s te ts nur eine H e m m u n g der Adven t ivwurze lb i ldung gefunden, wobei die un te re Grenzkonzen t ra t ion der W i r k s a m k e i t bei 10 -a rag/1 GS lag. Diese H e m m u n g n a h m mi t stei- gender K o n z e n t r a t i o n zu (Abb. 1). Bei K o n z e n t r a t i o n e n yon 10 rag/1 an aufwi~rts t r a t nach einigen Tagen ein deut l iches S t reckungswachs tum der noch n icht ausd~fferenzierten In t e rnod ien ein, so dal~ die Steckl inge bei Versuchsende oft l~nger waren als die Kont ro l len . Wegen dieser Wechse lwi rkung wurden keine fiber 1000 rag/1 h inausgehenden Konzen- t r a t i onen geprfift . Die Beobach tung der Wurze lb i ldung zeigte, dM~ die Wurze ln der GS-Steckl inge sp~ter s i ch tbar wurden und deshalb nach 3 Tagen noch wesent l ich kfirzer waren als die der Kont ro l l e (Abb. 2),

Wirkung yon GS und IES auf die Wurzelbildung yon Tomaten 373

w/~hrend naeh 13 Tagen das Waehstum (Wurzells aufgeholt hatte. Die Zahl der Wurzeln naeh GS-Zusatz blieb allerdings stets geringer. Das heigt dureh GS-Einflug wird die Anlage der Wurzeln verz6gert und reduziert, das weitere Waehstum jedoeh nicht beeinflul~t.

Die neugebildeten, noch undifferenzierten Zellkomplexe in den tie- feren I~indenschiehten kSnnen vom 3. Tag nach Versuehsbeginn an

/00,

.,..80

~g0

~ K

10 9 GS-/ronz (ms / t ) Abb. 1. Wirkung yon GS auf die Adventivwurzelbildung bei Tomatensteeklingen (Auswertung nach

13 Tagen, 20 Std Lieht]Tag)

Abb. 2. Wurzelbildung 8 Tage nach Versuchsbeginn. Links Kontrolle, mitte 1, rechts 10 mg/l GS

sichtbar gemacht werden, indem die unteren Stenge]absehnitte dureh l~ngeres Liegen in Alkohol ausgebleicht werden. Ausz~Lhlungen der Wurzelanlagen w~thrend dieses Stadiums ergaben ffir die relative Hem- mung sehr gut tibereinstimmende Werte mit den naeh 13 Tagen er- haltenen Wurzeltroekengewichteu (Tabelle 1). Naeh 6 Tagen waren diese Anlagen bereits so zahlreich, dab weitere Neubildungen zwischen den bereits vorhandenen Wurzeln nicht mehr untersehieden werden konnten.

Zeitpunkt der GS-Zugabe: In weiteren Versuehen wurde die Zeit- spanne variiert, in der GS auf die Steeklinge einwirken konnte, um da- mit eventuell Aussagen fiber den Zeitpunkt der maximalen Wirksamkeit

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der GS zu ermSglichen (vgl. z. B. F E L L E N B : E R G , 1965). Zunachst wurde die Nachwirkung der GS auf die Wurzelbildung untersucht, wobei die Stecklinge in unterschiedlichen Absti~nden aus der GS-LSsung (10 -1 rag/l) in Wasser umgesetzt wurden. Erwartungsgem~6 ergab sich eine Ab- hs vonde r Dauer der Einwirkung (Abb. 3 a). Nach 3 Tagen GS- Aufnahme war der Hemmeffekt genau so grol3 wie bei einer GS-Ein- wirkung bis zum Versuchsende; die bei dieser Konzentration maximal mSgliche Hemmung war also nach 3 Tagen erreicht.

Tabelle 1. Anzahl der Wurzelanlagen und Adventivwurzelu pro Steckling nach

3--5 Tageu in HsO bzw. GS-L6sung (Mittel von 20 Stecklingen)

Tabelle2. Adveutivwurzelbildung bei GS- und CCC-Zugabe (Wurzeltrocken-

gewicht nach 13 Tagen in % der KontroUe)

Anzahl nach GS-Konzen- CCC-Konzentration trat ion in mg/1 in rag/1

3 Tagen 4 Tagen 5 Tagen 0 10 100

H20 56 132 138 GS(lmg/1) 22 44 54 0 100 ]00 I01

0,1 60 - - 58 in % 39 33 39

Wurde die GS einige Tage nach Versuchsbeginn gegeben, so war die Hemmung der Wurzelbildung um so geringer, je sp~ter die Stecklinge in die GS-LSsung (10 -1 mg/1) umgesetzt worden waren (Abb. 3b). Aus dieser Kurve geht deutlich hervor, da~ die GS-Hemmung innerhalb yon 3 Tagen um beinahe die H~lfte, bei sp~terer Zugabe aber nur noch lang- sam abnimmt. Die I-Iemmung dtirfte danach im wesentlichen die In- duktion der Wurzeln betreffen, die zum gr61]ten Teil innerhalb der ersten 3 Tage angelegt werden.

Diese Ergebnisse konnten dureh Versuche mit anderen Arten mehffach best~- tigt werden. So fiihrte (unter Gewachshausbedingungen) ein Einstellen der Steck- linge ftir 15 rain (Coleus) bzw. far 24 h (Chrysanthemen) in 1--100 rag/1 GS-L6- sung bei den h6heren Konzentrationen immer zu einer Verminderung des Wurzel- troekengewichtes, w~hrend far 1 rag/1 keine Wirkung nachzuweisen war. Auch ein Besprtihen der Mutterpflanzen vor dem Abnehmen der Stecklinge mit 10--50 rag/1 GS ergab eine schlechtere oder verz6gerte Bewurzelung bei Chrysanthemen, Hor- tensien und Pelargonien, wobei die Wirkung schw~cher wurde, wenn die Behand- lung einige Tage vor dem Stecken erfolgte.

CCC-Zusatz: Nach den Untersuchungen yon LIBB~T und U~BA~ (1964} f6rdert 2-Chlor/ithyltrimethylammoniumchlorid (CCC) die Ad- ventivwurzelbildung bei Windepftanzen, die einen hohen endogenen Gibberellingehalt anfweisen, wobei das CCC die Biosynthese des endo- genen Gibberellins hemmt (LIB~RT und K~LLS,, 1966; ZEEVAART, 1966). Bei Sonnenblumen und Buschbohnenhypocotylen zeigte CCC keine Wirkung, wohl aber bei Bohnenepicotylen (LIBBERT und K~EnnE).

Wirkung yon GS und IES auf die Wurzelbildung yon Tomaten 375

Ein Zusatz yon CCC bei Tomatenstecklingen blieb in Konzentrationen yon l0 und 100 rag/1 ohne Einflul3 auf die Adventivwurzelbildung (Tabelle 2). 500 und 1000 rag/1 ffihrten zu starken Sch~digungen der

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Abb. 3a u. b. Wirkung yon GS (0,1 rag/l) a u i die "Wurzelbildung in Jbhgngigkeit a v o n der Dauer der Einwirkung; b vom Zeitpunkt der Zugabe. Auswertung nach 13 Tagen, 20 Std Licht/Tag

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Abb. 4. Adven~iwvurzelbildang bei OS- und IES-Zug~be. Auswertung nach 13 Tagen, 20 Std Licht]Tag

Blgtter und spgter meist zum Absterben der Stecklinge. Bei gleichzei- tiger G~be yon CCC und GS wurde die GS-bedingte Hemmung nicht vergndert.

Wir]cung yon GS und I E S : Nachdem verschiedentlich fiber die Be- einflussung des IES-Stoffwechsels durch GS berichtet worden ist (z. B. SAcus, 1965) und IES bekanntlich hgufig die Wurzelbildung stimulieren kann, untersuchten wir, ob sich eJn Wechselspie] zwischen IES und GS

376 H. JANSEN :

naehweisen liege. Zwar hat ten BRIAN et al. bereits kombinierte Be- handlungen mit beiden Wuchsstoffen an Erbsen- und Bohnensteek- lingen durchgeffihrt, doeh war die Methodik verschieden, und die ver- wendeten Konzentrationen ]agen sehr hoeh. Unter unseren Bedingungen lie$ sieh dureh al]einigen Zusatz yon IES bei Tomaten im Gegensatz zu den Ergebnissen von BRIAN et al. keine FSrderung der Wurzelbildung erzielen (Abb. 4). Dabei zeigten sieh yon 10 2 mg/] an bei den Bl~ttern die ffir Auxin typisehen epinastisehen Reaktionen. Konzentrationen fiber 1 mg/1 IES ffihrten zu Seh/idigungen der Steeklinge und ergaben eine verminderte Wurzelbildung. Die GS-bedingte t t emmung wurde dutch IES im Prinzip nieht aufgehoben, vielmehr nahm die GS-Hemmung mit steigender IES-Konzentrat ion meist noeh etwas zu. Aueh diese Tatsache steht im Gegensatz zu den Ergebnissen von B~IAN eta] . , bei denen der GS-Effekt dutch IES-Zusatz entsprechend hoher Konzen- tration praktisch aufgehoben wurde.

Diskussion

Da fast alle Beobachtungen fiber eine FSrderung bzw. Hemmung der Adventivwurzelbildung durch GS qualitativer Natur waren (s. FOCKE et al.), sehien uns eine Feststellung des wirksamen Konzentrations- bereiches gfinstig, um damit vielleieht Hinweise auf die Wirkungsweise der GS zu erhalten.

Naeh unseren Ergebnissen ffihrt ein GS-Zusatz bei Tomatcn immer zu einer konzentrationsabh~ngigen Hemmung, wobei eine vollst~ndige Unterbindung der Wurzelbildung nicht erzie]t werden konnte; es er- scheint auch fraglich, ob GS diesen Vorgang vSllig blockieren kann. Denn auch bei Zusatz yon verschiedenen Gibberellinen zu Gewebekulturen yon Tabak konnte wohl die Differenzierung in Wurzel und Sprol~ gehemmt, nicht aber die Zellteilung verhindert werden (MuaASmGE, 1964). Bei hSheren Konzentrationen erweisen sich die Nebenwirkungen auf Spro~- spitze (gefSrdertes Waehstum) und Bls als stSrend, da man dabei eine Konkurrenz yon Spitze und Basis um die Energie liefernden i~e- servestoffe in Betracht ziehen mul~. DaB diese Konkurrenz bei niedrigen Konzentrationen, die nicht zu erkennbaren Reaktionen der Sprol~spitze ffihren, keine Rolle spielen soll (B~IA~ et al.), kann nicht vSllig ausge- schlossen werden. Denn bei der sehnellen Aufnahme- und Transport- fs der GS innerhalb der ganzen Pflanze (McR]~ADu 1966) kSnnten in der Spro~spitze Prozesse beeinfluI~t werden, die m6glicherweise ihrer- seits l~fickwirkungen auf die Wurzelbildung haben.

Von den Prozessen, die letztlich zum Erscheinen der Adventiv- wurzeln ffihren, wird offenbar in erster Linie das Anfangsstadium be- einflufit, d. h. die Anlage der Wurze]n wird durch GS gehemmt bzw. verzSgert, wie die Auszs der nach 3 Tagen sichtbaren Zellkomp]exe

Wirkung yon GS und IES auf die Wurzelbildung yon Tomaten 377

ergab. Ebenso war bei hSheren Konzent ra t ionen die Zahl der Wurzeln deutlich geringer als bei den Kontrollen. Schliel31ich wird die volle Hemmwirkung schon in den ersten 3 Tagen nach der Applikat ion er- reicht, wiihrend eine sp&tere Zugabe yon GS nur mehr zu einer gering- ffigigen H e m m u n g ffihrt, was ebenfalls fiir einen Einflul~ der GS auf die Induk t ion der Wurzeln sprieht. Dabei bleibt often, ob die Mitoserate verminder t (BnIA~ at a].) oder die Differenzierung herabgesetzt ist (Mc~ASHIa~, FELL~E~G).

Dal~ CCC-Zusatz wirkungslos blieb, best~tigt die Befunde yon LIBB~.~T U. Mitarb., wonach nur bei Pflanzen mit hohem Gibberellingehalt (Windepflanzen) die Wurzel- bildung durch CCC gefSrdert wurde, wozu offenbar Tomaten nicht gehSren; viel- mehr muB man annehmen, dal~ hier der endogene Gibberellinspiegel relativ niedrig ist und fiir die Bewurzelung keine Rolle spielt. Auf appliziertes GS hatte CCC da- gegen keinen Einflul], da dessen Effekt fiber eine Hemmung der Biosynthese des endogenen Gibberellins zustande kommt (LIBBE~T und K~LLE, Zn~VAA~T).

Der Zusatz yon I E S ha t te im Gegensatz zu den Ergebnissen yon GRAY {1958) und B~IAN et a]. bei unseren Versuehsanstellungen keinen EinfluI~ auf die Wurzelbi ldung der Tomaten und zeigte in Kom- bination mit GS eher eine ]eichte Verst~rkung der GS-bedingten Ham- mung. Als Ursaehe dieser verst~rkten H e m m u n g kSnnte man zuniichst einen unter GS-Einflui~ erhShten IES-Geha l t bzw. eine verminderte Peroxydaseaktiviti~t annehmen (Lit. bei SACHS, 1965), SO dal~ eine ffir die

Adven t ivwurze lb i ldung fiberoptimale Anhi~ufung yon I E S vorliegen wfirde, die zu einer H e m m u n g der Wurzelbi ldung ffihrt. Dabei w~re die GS-Wirkung indirekter Natur , indem sie ns fiber eine Veri~nderung des Auxinspiegels zustande k~me, eine Vorstellung, die mehrfaeh, unter anderen bereits yon P r o v E s und HILLMA~ (1959) ffir das Streckungs- wachs tum widerlegt wurde. Infolgedessen mu~ bei einer direkten Wir- kung angenommen warden, dab GS in die zur Wurze]bildung ffihrenden Prozesse entweder an einer frfiheren Stelle eingreift a]s IES , da die H e m m u n g durch exogenes I E S nieht aufgehoben warden kann, oder d ~ GS in der Lage ist, die IE S-Wi rkung zu bloel~ieren.

Herrn Prof. Dr. M. B o ~ bin ich fiir die Durchsicht des Manuskriptes und wert- volle Hinweise dankbar. Fraulein SABINE MULLER danke ich ffir ihre Hilfe bei der Durchffihrung der Versuche.

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26 s (Berl.), Bd. 74

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Dr. H. JA~SE~r Institut fiir Botanik der Techn. Hochsehule ttannover 3 Hannover-Herrenhausen, Herrenh/~user Str. 2