Helmut Kinzel

Unterscheidung von physiotypen bei halophyten des neusiedlerseegebietes (Österreich)

Summary 1. The distribution of the mineral ions Na + , K + , Ca ++ , Mg ++ , Cl − , and SO 4 −− , as well as the total content of anions and the potential osmotic pressures of the cell saps have been studied in the most common halophytes of the region east of the lake Neusiedlersee (Austria). 2. The plants investigated show very different ion compositions. It has been found that a certain pattern of ion content, as a result of a specific pattern of ion uptake, can frequently be correlated with a certain taxum. We propose the term «physiotype« for such a specific constellation of physiological characteristics, if this constellation is typical for a certain taxum. 3. The following physiotypes could be distinguished: a) The Gramineae, Juncaceae and some Cyperaceae take up less Na + than any other group. On the other hand we found a remarkable preference for K + . Among the inorganic anions Cl − is the main component, while SO 4 content is significant only in Crypsis aculeata and Phragmites comm . b) The Chenopodiaceae are, on the contrary, physiotypes characterized by an excessive content of salt, especially Na + , and organic acids (probably oxalate). Cl − is the dominant inorganic anion also in this group. Some affinity to Na + and to Cl − (respectively NO 3 − ) might be a characteristic of this family in general. c) Lepidium cartilagineum is also an extremely «sodiophile» type with relatively high contents of Ca ++ and Mg ++ . This species exhibits a preference for SO 4 −− and for organic acids, the latter comparable to the Chenopodiaceae . However, the occurrence of oxalate is excluded by the high level of soluble Ca ++ in the cell sap. The Brassicaceae are probably characterized in general by their high content in SO 4 −− . d) The Plantaginaceae might represent physiotypes, which are characterized by a preferential uptake of inorganic anions (Cl − and/or SO 4 −− ) and by a low synthesis of organic acids, evidently under nonsaline conditions, too. 4. Examples could be also found for the 3 types of halophytes introduced by Walter (chloride halophytes, sulphate halophytes, and alkali halophytes). However, in contrast to the terms «physiotypes» proposed in our paper, these types are not to be interpreted with respect to their taxonomic position.

Calcium in the Vacuoles and Cell Walls of Plant Tissue1)

Summary Current knowledge of Ca uptake and modes of transport in higher plants were discussed. The relationships of Ca both within the cell and in relation to metabolic movement along transport paths throughout the plant were considered. It was stressed that Ca flows into the plant for the most part passively with the water flow of transpiration. The deposition of this often surplus amount of Ca is accomplished by various means in different physiological types of plant. The following results of the author’s research group were presented in a coordinated form: 1. Ca found outside the cytoplasm is partly in the vacuoles and partly in the cell walls. In the latter case, it is not only bound to the anionic constituents of the cell walls (pectins), but may also be present, in some plant species, in considerable quantities as CaCO 3 . 2. Ca may be present in different fractions and different conditions in the vacuoles: a) Plants which produce oxalate will always contain Ca-oxalate. When there is more oxalate than Ca, then all of the Ca in the vacuole will be in the insoluble form of Ca-oxalate except for a very small quantity of free Ca 2+ ions which can exist in the presence of excess oxalate (4.2 • 10 −5 mol/l at the most). Plants where this occurs are well established and follow taxonomic groupings. Some of these “oxalate types” are stimulated to oxalate production by an influx of Ca so that dissolved Ca will never be stored. b) Ca is present in dissolved form to a lesser extent than other cations such as K and Mg in the majority of plant families and species. However, Poaceae and Cyperaceae have an especially large surplus of dissolved K in comparison to dissolved Ca. c) Ca is stored in appreciably large amounts in the vacuoles of a group of plants where certain plant families predominate. This “calciotrophic type” has a K/Ca ratio below 1 in the water soluble fraction of its leaves. 3. Current analytical methods for determination of water-soluble Ca do not reveal what fraction is present as free Ca 2+ ions. Investigation with an ion sensitive electrode showed only part of the Ca to be in this form: a) Several Brassicaceae contain an oversaturated, but stabile solution of CaSO 4 which is only partly ionized. b) The vacuoles of most Boraginaceae have pectin type poly-anions that Ca binds to. c) Generally if the cell sap contains ions of hydroxy-carbon acids such as malate and citrate, an appreciable part of Ca may be complexed by them. 4. In vacuoles of plant types mentioned in sub 2.b., ionized Ca 2+ may range from a few mmol to about 20mmol/l. The total of dissolved Ca may be more than double these values. In calciotrophic types (2.c.), relations in press saps allow us to infer that the vacuoles may have up to 140mmol/l dissolved Ca and more than 50mmol/l ionized Ca 2+ . The special types mentioned in sub. 3.a. may contain 50−100mmol/l dissolved Ca and 10−15mmol/l ionized Ca. The Boraginaceae (3.b.) have been estimated to contain 2−37mmol/l dissolved Ca and 0.25 − 1 mmol/1 ionized Ca 5. The consequences of these observations for our concept of the compartmentalization of Ca within the plant cell and the transport modes between cell compartments were discussed.

Physiological and ecological aspects of the interactions between plant roots and rhizosphere soil

Abstract The rhizosphere soil of six different plant species grown in a factorial combination with four different types of soil was analysed to gain information about the amount of organic metabolites and their origin in the rhizosphere. Amino-acids, sugars, CO 2 evolution and some enzyme activities were measured quantitatively. The results were compared using various statistical methods such as multiple correlation, factor analysis, principal component analysis, and cluster analysis. The amounts of sugars and aminoacids, and the enzyme activities of some metabolites behave in an interdependent way, suggesting a very close interrelationship of the involved organisms. In most cases the soil was the dominating factor in the combination. Some plants were able to predominate certain soil factors. Emphasis is laid on the importance of such physiological investigations as a diagnostic tool for the assessment of the biological state of various natural agricultural soils.

Typen des Mineralstoffwechsels bei den höheren Pflanzen

Bezüglich der Rolle des Calciums im Mineralstoffhaushalt höherer Pflanzen ließen sich zunächst Typen charakterisieren: 1. Oxalattyp: Enthält nahezu das gesamte Ca in unlöslicher Form als Oxalat; fällt aufgenommenes Ca durch stetige Neuproduktion von Oxalat aus. 2. Calciotropher Typ: Speichert hohe Konzentrationen löslicher Calciumverbindungen, enthält vielfach mehr gelöstes Ca als K. 3. Kaliumtyp: Enthält im Vergleich zu K nur mäßige Mengen gelöstes Ca. Oxalattyp: Enthält nahezu das gesamte Ca in unlöslicher Form als Oxalat; fällt aufgenommenes Ca durch stetige Neuproduktion von Oxalat aus. Calciotropher Typ: Speichert hohe Konzentrationen löslicher Calciumverbindungen, enthält vielfach mehr gelöstes Ca als K. Kaliumtyp: Enthält im Vergleich zu K nur mäßige Mengen gelöstes Ca. Der Oxalattyp ist für einige systematische Einheiten spezifisch (Polygonales, Centrospermae, Oxalidaceae, Violaceae sowie einigeLabiatae), dürfte aber sonst nicht sehr verbreitet auftreten. Pflanzen mit calciotrophem Stoffwechsel treten geschlossen in der Familie der Crassulaceen, häufig bei den Cruciferen und Papilionaceen und vereinzelt in zahlreichen weiteren Familien auf. Kaliumtypen finden sich häufig bei den Umbelliferen, Campanulaceen und Compositen und wahrscheinlich geschlossen bei den Gramineen und Cyperaceen. Die Ergebnisse wurden am Beispiel einiger markanter Familien besprochen und in kurzer Form diskutiert. Bezüglich weiterer Angaben bzw. der Analysenwerte sämtlicher, auch der hier nicht aufscheinenden Pflanzen, sei auf die dieser Arbeit zugrunde liegende Dissertation (Horak, 1970) verwiesen.

Zellsaft-Analysen zum pflanzlichen Calcium- und Säurestoffwechsel und zum Problem der Kalk- und Silikatpflanzen

I. Einleitung und Sammelreferat fiber eillige filtere Befunde . . . . . . . . . . . . . . . . 522 II. Experimenteller Toil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534 A. Qualitative Untersuehungen 1. Methodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534 2. Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534 B. Quantitative Analysen 1. ~r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539 2. Ergebnisse an Caryophyllaeeen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541 3. Ergebnisse an Geranium-Arten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 4. Ergebnisse art Jasione montana und Echium vulgate . . . . . . . . . . . . . . . . 550 [II . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552 IV. Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553

Die Bedeutung der Pektin- und Zellulosekomponente für die Lage des Entladungspunktes pflanzlicher Zellwände

ZusammenfassungDer Entladungspunkt (EP, oft noch als IEP bezeichnet) wird mit Hilfe des Fluoreszenzmikroskops in den üblichenpH-gestuften Acridinorangereihen, außerdem aber in — stärker wirksamen — Farblösungsreihen mit steigendem CaCl2-Zusatz bestimmt. In solchen Reihen zeigen pektinreiche Zellwände (z. B. Sonnenblumenmark) einen weiter im sauren Bereich bzw. bei höherem CaCl2-Zusatz liegenden EP, während praktisch pektinfreie Substrate (z. B. Wattefasern aus reiner Zellulose) überhaupt keine deutliche Färbeschwelle zeigen.Herauslösen der Zellulose aus Gewebeschnitten mit Cuoxam hat keinen nennenswerten Einfluß auf den EP, während Zerstörung des Pektins, z. B. mit H2O2, eine bedeutende Verschiebung des EP in Richtung des Neutralpunktes bewirkt.Diese Versuchsergebnisse legen den Schluß nahe, daß die Ursache des elektroadsorptiven Bindungsvermögens der pflanzlichen Zellwand bei den vor allem im Pektin enthaltenen COOH-Gruppen zu suchen ist und daß die Lage des Entladungspunktes einer Zellwand vor allem vom Pektingehalt derselben bestimmt wird.Es konnte auch in einem Modellversuch nachgewiesen werden, daß eine Vermehrung der in der Zellulose enthaltenen Carboxylgruppen durch NO2-Oxydation eine Vergrößerung ihres Bindungsvermögens für basische Farbstoffe und eine Verschiebung des EP nach der sauren Seite hin zur Folge hat.

Zur methodik der analyse von pflanzlichen zellsaft-stoffen, mit besonderer berücksichtigung der organischen säuren

Zusammenfassung 1. Es wird eine Methode zur Gewinnung von Pflanzenextrakten beschrieben, die darauf ausgerichtet ist, dass einerseits alle im Zellsaft gelosten Stoffe erfasst werden, anderseits eine Durchfuhrung wahrend einer Exkursion unabhangig vom Laboratorium moglich iest. 2. Es werden Arbeitsvorschriften zur Abtrennung einer Saurefraktion aus dem Extrakt mit Hilfe von Ionenaustauschern sowie zu einer Reinigung dieser Fraktion von storenden Substanzen, wie Phenolderivaten und Oxalsaure, angegeben. Ferner wird auf die Moglichkeit hingewiesen, mit Hilfe von Ionenaustauschern einen Pflanzenextrakt in eine Fraktion der Kationen, eine Fraktion der Sauren und eine Fraktion der Nichtelektrolyte aufzutrennen. 3. Es werden die RF- Werte einer Anzahl von Sauren, hauptsachlich fur ein Propanol-Ammoniak-Gemisch als Losungsmittel, mitgeteilt. 4. Als befriedigendste Methode fur den Nachweis von Sauren auf dem Papier hat sich die Verwendung eines Misch-Indikators aus Bromphenolblau und Methylrot erwiesen.

NON-SYMBIOTIC NITROGEN FIXATION ASSOCIATED WITH TEMPERATE SOILS IN RELATION TO SOIL PROPERTIES AND VEGETATION

Abstract Acetylene reduction was assayed on soil cores from 23 surface soils from 9 regions in eastern Austria. The highest N 2 fixation rates were found in saline soils and in peatlands (39.1–951.9 nmol C 2 H 4 m −2 day −1 ). Nitrogen fixation was comparatively higher on grassland than on forest and field plots ranging from 1.3 to 207.6 nmol m −2 day −1 . A large number of soil properties were measured and correlated with nitrogenase activity. Principal component analysis (PCA) revealed relationships between N 2 fixation and soil texture and C:N ratio. Interactions of N 2 fixation with nutrient availability. pH and humus content were demonstrated. Nitrogenase activity seemed to be unaffected by the combined N content and by the N mineralization potential of the investigated systems. Endogenous C 2 H 4 production as determined with the CO-inhibition technique did not affect the experiments. The conversion factor for 15 N fixation determined for peat is 5.4 and for saline soils it ranges from 2.1 to 2.8.

Spurenelemente in höheren Pilzen

Summary The contents of Fe, Mn, Zn, Cu, Mo, Co, Ni, and Cr were determined in 8 7 species of higher fungi from natural habitats by atomic absorption spectroscopy. It is evident, that fungi do not accumulate all heavy metals, but give preference to certain elements. Compared to higher plants fungi contain much more Zn and Cu, more Co, nearly equal amounts of Ni and Cr, and less Fe, Mn, and Mo. There are significant differences among the analysed systematic groups of fungi: The highest contents for both Zn and Cu (more than 300 and 200 ppm in dry matter, respectively) were found in the Lycoperdales. The Boletinae contain very low amounts of Mn (mostly less than 10 ppm in dry matter). Relatively small quantities of all elements were determined in fungi growing on wood. It is apparent that fungi have high requirements for Zn and Cu, conveying bot elements to their metabolism by means of well operating mechanisms for absorption and translocation. However the selectivity of these mechanisms is imperfect, and as a consequence of this also some toxic heavy metals like Hg and Cd are accumulated.

pH-Werte alkalischer Phosphatpufferlösungen

Zur Untersuchung biologischer Vorg~nge in einem w~isserigen Medium yon bestimmter Wasserstoffionenkonzentration fiihrte S t r u g g e r (1935) die in der physikalischen Chemie damals schon bekannten Phosphatpuffer15sungen ein, Diese LSsungen sind inzwischen zum t@lichen Handwerkszeug bei Vitalfiirbeversuchen und auch in anderen Teildlsziplinen der Zellphysiologie geworden. Andere PufferlSsungen haben sich nicht in diesem Maf~e bewhhrt, die Acetatpuffer beispielsweise deshalb nicht, weil die Essigs~ure merklich durch das lebende Plasma permeiert und dieses sch~digt. Im saureu Bereich sind diese LSsungen leicht zu handhaben und leicht beziiglich ihres pH-Wertes zu iiberpriifen. Im alkalfschen Bereich treten Schwierigkeiten auf: Erstens fiillt die im Gebrauch so bequeme Chinhydronelektrode aus und zweiteus sind die alkalischen Puffer empfindlicher gegen Aui3eneinfliisse, well ja die Kohlenshure der Luft ihre cH verhndern kann. Prof. H 5 f l e r regte deshalb an, zu den yon D r a w e r t (1937) und S t r u g g e t (1958 und 1949) bereits angegebenen Werten hinzu noch eine neue Reihe durchzumessen. Dazu stand uns als Erg~inzung des im Institut +r handeuen Lautenschl@er-Ionometers eine vor kurzem yon der gleichen Firma bezogene Glaselektrode zur Verfiigung. Es kam mir dabei weniger darauf an, unter subtilsten Bedingungen Werte yon hoher Pr~izision zu erha]ten, als nachzupriifen, wieweit die angegebenen Werte unter normalen Laboratoriumsbedingungen reproduzierbar sind, welche Ver~uderungen der Zusatz yon Farbstoff bewirkt und wie es um die Haltbarkeit der LSsungen bestellt ist. Die Glaselektrode ist eine sehr diinnwandige Glaskugel, die mit einer yon der Firma beigegebeuen SpeziallSsung gefiillt wird. In dies~ L5sung wird eine Ag/AgCl-Ableitungselektrode eingefiihrt. Die so ausgestattete Glaskugel taucht nun in die zu messende LSsung. Als zweites Glied der Me~kette dient eine ges~ittigte Kalomelelektrode. Diese beiden Elektroden sind in Form einer Durchilufikette angeordnet: Ein U-fSrmiges Glasgef~ft tr~gt in seinem einen, engeren Schenkel die Kalomelelektrode und das Thermometer, w~ihrend in den anderen, weitereu die Glaselektrode ein-