Pollen tubes are among the fastest growing cells in the plant kingdom. Pollen are sink organs and require a lot of energy during germination and pollen tube growth. A possible energy source can be the disaccharide sucrose, but also the cleavage products glucose or fructose. Expression analysis showed that two genes for cell wall invertases, seven genes for alkaline/neutral invertases, one gene for a vacuolar invertase and no gene for sucrose synthases are expressed in pollen and/or pollen tubes. However, pollen germination tests with k.o. lines showed that only the vacuolar invertase AtVI2 is important for pollen germination in vitro. Genes of the sugar transporter AtSUC and AtSWEET gene family were expressed in reproductive organs such as funiculi, transmitting tissue, stigma, pollen, pollen tubes, anthers, etc. Investigations on the AtSUCs revealed that seven AtSUC genes are expressed in pollen and/or pollen tubes, but AtSUC1 is the most important sucrose transporter for the functionality of pollen. Ion chromatographic measurements of the sucrose contents of Atsuc1 and Atsuc1Atsuc3Atsuc8Atsuc9 pollen showed that the loss of AtSUC1 resulted in a reduction of the sucrose content in mature pollen by about 50%. This proves that AtSUC1 already plays a role in pollen loading with sucrose during maturation in the anther. Pollen germination tests showed that pollen germinated best on 250 mM sucrose. This indicates that high apoplastic sucrose concentrations promote germination in vivo. Pollen tube growth was also promoted by sucrose in vitro. The pollen tube length increased with increasing sucrose concentrations from 100 mM sucrose to an optimum at 250 mM sucrose. It could be investigated that pollen contains a lot of sucrose but no detectable starch. Sucrose could therefore serve as an energy source, especially during germination, or possibly as a signaling molecule. Sucrose inhibits germination at low concentrations and promotes it at high concentrations. Maltose and proline did not serve as osmotically active substances, and sugars others than sucrose could not replace it in the medium. Accordingly, it is suggested to use sucrose as an energy source in the medium for in vitro analysis. However, the enzyme involved in proline synthesis, AtP5CR, is important for pollen germination and pollen tube growth in vitro, as heterozygous AtP5CR/Atp5cr pollen showed significantly lower germination rates and shorter pollen tubes. The side project to analyze the regulation of AtSUC2 expression revealed that the AtSUC2 promoter was not active in white, chlorophyll-free areas of the green-white spotted leaves of immutans mutants. As it is known that AtSUC2 is not expressed in sink leaves, this suggests that the white areas of immutans leaves stay in a sink status. Addition of external sucrose led to an induction of the AtSUC2 promoter in white regions, demonstrating that the expression of AtSUC2 is inducible by the sucrose content in the apoplast. The second side project showed that BvSUT3 catalyzes the transport of esculin. This is already known from transporters which recognize sucrose as a substrate. This indicates that BvSUT3 may also be able to transport sucrose. BvSUT3 is possibly localized in leaves and roots of Beta vulgaris in cells of the phloem.

Pollenschläuche gehören zu den am schnellsten wachsenden Zellen im Pflanzenreich. Pollen benötigen während der Keimung und Pollenschläuche während des Wachstums viel Energie. Eine mögliche Energiequelle können das Disaccharid Saccharose, aber auch die Spaltprodukte Glukose oder Fruktose sein. Expressionsanalysen konnten zeigen, dass zwei Gene für Zellwandinvertasen, sieben Gene für alkaline/neutrale Invertasen und ein Gen für eine vakuoläre Invertase in Pollen und/oder Pollenschläuchen exprimiert werden. Die Expression von Saccharose-Synthase-Genen war nicht nachweisbar. Pollenkeimungstests mit knockout(k.o.)-Linien ergaben, dass nur die vakuoläre Invertase AtVI2 in vitro für die Pollenkeimung wichtig ist. In reproduktiven Organen wie Funiculi, Durchlassgewebe, Stigma, Pollen, Pollenschläuchen, Antheren etc. konnte die Expression von Zuckertransportergenen der AtSUC- und AtSWEET-Genfamilie nachgewiesen werden. Es stellte sich heraus, dass sieben AtSUC-Gene in Pollen und/oder Pollenschläuchen exprimiert werden, aber AtSUC1 für die Funktionalität der Pollen der wichtigste Saccharosetransporter ist. Ionenchromatographische Messungen des Saccharosegehaltes von Atsuc1- und Atsuc1Atsuc3Atsuc8Atsuc9-Pollen zeigten, dass der Verlust von AtSUC1 eine Reduktion des Saccharosegehaltes im reifen Pollen um ca. 50 % zur Folge hatte. Dies belegt, dass AtSUC1 bereits bei der Beladung des Pollen während der Reifung in der Anthere eine Rolle spielt. Keimungstests zeigten, dass Pollen am besten bei 250 mM Saccharose keimen. Das lässt vermuten, dass in vivo möglicherweise hohe apoplastische Saccharosekonzentrationen die Keimung fördern. Auch das Pollenschlauchwachstum wurde in vitro durch Saccharose gefördert. Ab 100 mM Saccharose im Pollenkeimungsmedium stieg die Pollenschlauchlänge mit zunehmender Saccharosekonzentration bis zu einem Optimum bei 250 mM Saccharose an. Es konnte gezeigt werden, dass Pollen viel Saccharose, aber keine nachweisbare Stärke enthalten. Saccharose könnte deshalb vor allem während der Keimung als Energiequelle dienen oder womöglich als Signalmolekül, da sie die Keimung in niedrigen Konzentrationen hemmt und in hohen Konzentrationen fördert. Maltose, Prolin und andere Zucker neben Saccharose konnten Saccharose im Medium nicht ersetzen. Aufgrund dieser Daten wird vorgeschlagen, Saccharose für in vitro-Analysen mit Pollenschläuchen als Energiequelle im Medium zu verwenden. Das Enzym der Prolinsynthese, AtP5CR, ist für die Pollenkeimung und das Pollenschlauchwachstum in vitro wichtig, da AtP5CR/Atp5cr-Pollen eine signifikant niedrigere Keimungsrate und kürzere Pollenschläuche zeigten. Das Nebenprojekt zur Analyse der Regulation der AtSUC2-Expression ergab, dass der AtSUC2-Promotor in weißen, chlorophyllfreien Bereichen der grün-weiß gefleckten Blätter von immutans-Mutanten nicht aktiv war. Da bekannt ist, dass AtSUC2 in Sink-Blättern nicht exprimiert wird, deutet dies an, dass die weißen Bereiche der immutans-Blätter in einem Sink-Status bleiben. Eine Zugabe von externer Saccharose konnte den AtSUC2-Promotor in weißen Bereichen induzieren, was belegt, dass die Expression von AtSUC2 durch den Saccharosegehalt im Apoplasten induzierbar ist. Im zweiten Nebenprojekt konnte gezeigt werden, dass BvSUT3 Esculin transportieren kann. Dies ist bereits von Transportern bekannt, welche Saccharose als Substrat erkennen. Die Daten deuten an, dass BvSUT3 sehr wahrscheinlich in vivo die Aufnahme von Saccharose katalysiert. BvSUT3 lokalisierte möglicherweise in Blättern und Wurzeln von Beta vulgaris in Zellen des Phloems.