Velikost buněk a odpověď rostlin na sucho

Bc. Vít Kuchař

Master's thesis

Cell size and plant response to drought

Abstract:

Cíle Jedním z projevů současných klimatických změn je extrémnější chod srážek s delšími obdobími sucha. Pro rostliny by za takových podmínek mohlo být výhodné mít male a husté průduchy, protože ty se na základě dosavadních studií zavírají rychleji, což umožňuje lépe regulovat výpar vody a lépe s ní hospodařit při jejím nedostatku. Rostliny rostoucí v suchých oblastech jsou navíc typické malými buňkami a tak se zdá, že za sucha by měly lépe prosperovat obecně rostliny s malými buňkami (genomy). Cílem této práce je ověřit tyto hypotézy porovnáním vztahu mezi parametry průduchů a epidermálních buněk s reakcemi druhů na experimentálně indukované sucho v DroughtNet experimentu na Univerzitě Bayreuth v Německu. Metody Od každého z 28 druhů z experimentu byly na kontrolních, nemanipulovaných plochách odebrány vzorky listů a na jejich obou stranách změřena na mikroskopických preparátech délka a šířka svěracích buněk průduchů, délka a šířka průduchové štěrbiny a spočteny průduchy a neprůduchové epidermální buňky. Z těchto údajů byly vypočítány hustoty a plochy průduchů a neprůduchových epidermálních buněk, objem svěracích buněk, stomatální index, maximální teoretická vodivost průduchů a další buněčné parametry. Odpovědi druhů na sucho byly vyjádřeny jako trend ve změně pokryvnosti za experimentálního sucha vzhledem ke kontrole za roky 2013, 2018, 2019 a 2020 spočteného pro každý druh pomocí lineárního smíšeného modelu v programu R. Vztah jednotlivých buněčných parametrů s odpovědí druhů na sucho byl testován pomocí lineárních modelů, kde byly odpovědi váženy svou spolehlivostí a druhy rozděleny do tří funkčních skupin odrážející také odlišný typ průduchů (byliny a Fabaceae s ledvinovitými průduchy a graminoidy s činkovitými průduchy). Tyto modely byly počítány jak s ponecháním, tak odfiltrováním efektu velikosti genomu na buněčné parametry. Výsledky U bylin se skutečně podařilo prokázat, že za omezených srážek se daří lépe druhům s malými a hustšími průduchy, ale zároveň i neprůduchovými epidermálními buňkami. To u těchto druhů může značit, že úspěšnost v suchém prostředí nemusí být dána nutně anatomickými výhodami malých průduchů, ale obecně malou velikostí buněk. U graminoidů byl vztah mezi buněčnými parametry a odpovědí na sucho obecně pozitivní trend (tj. opačný než u bylin), což by mohlo souviset s jejich odlišným typem průduchů, ale díky malému počtu druhů v pokusu tyto vztahy nebyly nikdy statisticky signifikantní. Fabaceae měly obecně nejhorší odpověď na sucho a nebyl zde pozorován žádný vztah těchto odpovědí k buněčným parametrům. Výsledky ukazují, že parametry buněk by mohly být užitečné při predikci odpovědi druhů na sucho, ale obecnost a univerzálnost těchto predikcí by chtělo dále testovat.

Abstract:

Aims Current climate change brings more extreme precipitation events with longer periods of drought. Recent studies show that smaller stomata can be regulated faster, enabling plants with smaller and dense stomata to better regulate water evaporation, and thus better manage water shortages. In addition, plants growing in arid areas typically have small cells, so it seems that plants with smaller cells (genomes) should perform better under drought. This work aims to verify this hypothesis by comparing selected cellular parameters (size and density of stomata and epidermal cells, and other assosiated measures) and experimental drought responses of species from the DroughtNet experiment in University of Bayreuth (Germany). Methods The length and width of the guard cells, the stomatal pore and the number of stomata and non-stomatal epidermal cells were measured on both sides of four leaf samples taken from all 28 species grown in control, non-manipulated parts of the Bayreuth DroughtNet experiment. These measured data were used to calculate cell densities, cell areas, guard cell volumes, stomatal index, maximum theoretical stomatal conductance and other cellular parameters. Drought responses of species were calculated as the changes in their abundance in dried plots relative to control ones for 2013, 2018, 2019 and 2020 calculated separately for all species using a linear mixed effect model in R program. These species responses were then weighted by their accuracy and compared with cellular parameters for the three major fucntional groups of species (herbs, grasses, Fabaceae) with and without filtering effect of genome size using linear regression. Results The hypothesis that species with smaller and more dense stomata or cells could perform better under drought was verified in herbs. However, as the better response was simultaneously observed in species with smaller stomata and also the other non-stomatal cells, this better response need not to be directly related to smaller stomata and their physiological functions, but rather smaller cell size in general. In grasses, a generally positive trend between cell size and response to drought (i.e., opposite than in herbs) was observed. However, the small number of grass species prevents any such relationship to became significant. Fabaceae generally showed the worst drought response without any apparent association with cellular parameters. Results suggest that stomatal or cellular sizes could predict species response to drought though the universality and robustness of these predictions need to be further tested.

Keywords

velikost průduchů, globální změna klimatu, DroughtNet experiment, velikost buněk, velikost genomu, Bayreuth, suchovzdornost, optická mikroskopie, stomatal size, cell size, genome size, drought resistance, global climate change, optical microscopy

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 4. 5. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 14. 6. 2022
• Supervisor: Mgr. Petr Šmarda, Ph.D.
• Reader: Mgr. František Zedek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Botany / Plant Biosystematics