A cytokinin potion in plant lives: almost as miraculous as light

Alexandra Husičková

Doctoral thesis

Abstract:

Similarly as in the animal kingdom, in the floral realm all development and growth are governed by hormones. One of the best and longest known groups of plant hormones bears the name cytokinins. Cytokinins are documented to take part in many developmental processes, including the senescence (?ageing? leading to death of particular plant parts) and handling of adverse environmental conditions. Although these plant hormones are well known for their ability to retard or slow down senescence, there are pieces of evidence that cytokinins can induce acceleration of senescence. Going through the literature, we have noticed that this reversal of cytokinin influence is connected with either their high concentration or exposition of leafs to high light doses, or both. On the basis of this assumption, substantiated by many reports, a new model for cytokinin action is presented here. Many of plant responses to cytokinin treatment imitate responses to light, and plants (plant parts) experiencing both cytokinin and light treatment simultaneously often exhibit the sum of the effects of these signals. However, when the sum of the light and cytokinin influence reaches a certain threshold the effect of their action turns over. In virtue of our observations a possible mechanism of the reversal of cytokinin action during artificial senescence is proposed. This mechanism, nevertheless, cannot explain many other responses originating in light and cytokinin interaction. Looking for a more general connection of cytokinin and light action the literature concerning cytokinin and light signalling pathways was researched. A brief review of common intermediates in cytokinin and light signalling is presented at the end of third chapter of the dissertation. The next part is dedicated to the influence of cytokinins on plants dealing with stressful conditions. Water deficit, being one of the most frequent plants stresses, comprises the best documented stress in the connection with cytokinin influence, thus it deserved a short section in my thesis. Further stress, pathogenic (mildew) infection, was the other aim of our interest and research. Some reports indicate that cytokinins could serve as a disease control agent; our results, however, contradicted the potential utility of cytokinins sprays in field conditions, at least for lettuce endangered by downy mildew. My further research should have been concerned with the influence of cytokinin application on plants undergoing cold stress, which is supposedly the least documented stress in the connection with cytokinin treatment. Nevertheless, our experiments (at the beginning intended to be pre-experiments) concerning the dgd1 Arabidopsis mutant during cold acclimation brought such interesting results, that it gained a separate manuscript. Hence, the ?cytokinin work? remained for future research. A brief overview of the original results obtained during my Ph.D. research is presented in ?Summary?

Abstract:

Podobně jako v království zvířat, také v říši rostlin je veškerý růst a vývoj podřízen vládě hormonů. Jedna z nejdéle a nejlépe známých skupin rostlinných hormonů nese jméno cytokininy. Cytokininy se účastní mnoha procesů týkajících se vývoje rostlin. Mezi tyto procesy patří i vyrovnání se rostliny s nepříznivými vlivy prostředí (tzv. stresem rostlin) a senescence, nebo-li ?stárnutí? vedoucí k smrti určité části rostliny. Přesto, že cytokininy jsou obecně přijímány jako látky schopné zpomalovat senescenci, výsledky několika laboratoří dokládají, že mohou vyvolat i urychlení průběhu senescence. Při podrobnějším studiu této problematiky jsme si všimli, že změna vlivu cytokininů v opačný byla vždy spojena s aplikací buď vysokých koncentrací cytokininů nebo vysokých světelných dávek. Na základě této hypotézy, podpořené výsledky mnoha autorů, je v mé disertační práci prezentován nový model účinku cytokininů. Mnohé z reakcí rostlin na aplikaci cytokininů jsou podobné reakcím vyvolaným působením světla, a u rostlin (rostlinných částí), které jsou pod vlivem jak světla tak aplikovaných cytokininů, můžeme často pozorovat součet účinků obou těchto efektorů. Nicméně, pokud součet účinků světla a cytokininů přesáhne určitou prahovou hodnotu, výsledek jejich působení se také začne měnit v protichůdný. Na základě našich pozorování jsme navrhli mechanismus, který by vysvětloval změnu účinku cytokininů na uměle vyvolanou senescenci v opačný. Tento mechanismus nicméně nevysvětluje mnoho jiných reakcí rostlin, které se při zvyšovaní intenzity světla nebo koncentrace aplikovaných cytokininů změní v reakci protichůdnou. Pro nalezení obecnějšího propojení mezi účinky světla a cytokininů bylo tedy zapotřebí podrobnějšího studia signálních drah cytokininů i světla. Stručný přehled společných styčných bodů v signálních drahách světla a cytokininů je prezentován na konci třetí kapitoly mé disertační práce. Další kapitola je věnována působení cytokininů aplikovaných na rostliny, které jsou vystaveny různým stresům. Jedním z nejčastějších a tudíž i nejlépe zdokumentovaných rostlinných stresů v souvislosti s působením cytokininů je sucho, a proto je mu určena také část mé disertace. Výsledky některých laboratoří naznačují, že cytokininy by mohly pomoct zemědělcům v boji s patogeny snižujícími výnosy. Naše výsledky ale ukázaly, že plošný postřik cytokininů není vhodný jako prevence salátu proti Bremia lactucae (původci plísně salátové). Můj další vědecký výzkum měl být zaměřen na vliv endogenně zvýšeného obsahu cytokininů při aklimaci rostlin na snížení pěstební teploty. Naše experimenty s dgd1 mutanty rostlin huseníčku rolního, původně zamýšlené jen jako předběžné, ale přinesly tak zajímavé výsledky, že si zasloužily samostatnou publikaci. Stručný přehled původních výsledků získaných během mého studia je uveden v ?Summary?, poslední části mé disertace

Keywords

cytokinin, meta-topolin, benzyladenine, photosynthesis, cytokinin signalling, drought stress, Bremia lactucae, cold acclimation

Keywords

cytokinin, meta-topolin, benzyladenin, fotosyntéza, signální cesty cytokininů, vodní stres, Bremia lactucae, aklimace na chlad

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 8. 2010

Thesis defence

• Date of defence: 10. 8. 2010
• Supervisor: Martina Špundová

Univerzita Palackého

Přírodovědecká fakulta

Doctoral programme / field:
Fyzika / Biofyzika