Obranné mechanismy rostlin proti oxidativnímu stresu

Mgr. Helena KYSELÁKOVÁ

Disertační práce

The defense mechanisms of plants against oxidative stress.

Anotace:

Práce je postavena jak na výsledcích modelových experimentů simulujících oxidační stres v listech rostlin tak na výsledcích získaných na celých rostlinách, kde byl oxidační stres navozen virovou infekcí. V prvním řešeném projektu jsme se zaměřili na modelový oxidační stres vyvolaný aplikací methyl viologenu. Cílem bylo zjistit, jak jsou obranné mechanismy rostliny schopny se s tímto mírným stresem vypořádat. Zaměřili jsme se na změny v aktivitě antioxidačních enzymů, rozdíly v elektronovém transportu, změny v xantofylovém cyklu a nefotochemickém zhášení fluorescence. Zjistili jsme, že v podmínkách mírného oxidačního stresu při slabé ozářenosti nebyl urychlen elektronový transport a došlo k poklesu aktivity askorbát peroxidasy. Zjistili jsme nerovnováhu mezi vysokým obsahem zeaxanthinu v thylakoidní membráně a nízkou úrovní NPQ při limitních světelných podmínkách. Ukázalo se, že violaxanthin de-epoxidasa je aktivní také při limitních světelných podmínkách a činnost tohoto enzymu je omezena spíše dostupností violaxanthinu, než aciditou lumenu. Předpokládáme, že mírný oxidační stres může mít vliv na uvolňování violaxanthinu ze světlosběrných komplexů. Dále jsme ukázali, že při mírném oxidačním stresu zeaxanthin účinně ochraňuje thylakoidní membránu před lipidovou peroxidací. Během kompatibilních virových interakcí dochází k mnohým změnám na úrovni buněk, pletiv i celých rostlin. Jak rostlina při kompatibilní interakci reaguje, není zatím zcela objasněno ikdyž jsou to přávě kompatibilní patogeny, které způsobují onemocnění rostlin a tím i velké ztráty v zemědělství. Modelovým systémem, na kterém byly realizovány experimenty zaměřené na změny v primárním metabolismu rostliny v průběhu systémové virové infekce, byl hrách setý (Pisum sativum cv. Merkur) infikovaný virem enační výrůstkové mozaiky (PEMV). Zjistili jsme pokles v obsahu fotosyntetických pigmentů, pokles maximálního kvantového výtěžku fotochemie fotosystému II, pokles v rychlosti asimilace CO2. Zaznamenali jsme aktivaci fotoprotektivních mechanismů, tj. nárůst hodnot NPQ který byl spojený s akumulací de-epoxidovaných xantofylů. Předpokládáme, že ve studovaném modelovém systému jsou změny ve fotosyntéze hostitele spojeny s inhibicí Calvinova cyklu způsobenou nárůstem aktivity invertasy a následnou akumulací asimilátů v infikovaném pletivu a také že virová infekce urychlila proces senescence, jež byl spojen s poklesem rychlosti asimilace CO2 a efektivního kvantového výtěžku fotochemie fotosystému II. Třetí tematická část práce se zabývá úlohou reaktivních forem kyslíku a dusíku (RONS) při systémové PEMV infekci hrachu. Lokalizovali jsme RONS především v blízkosti listových žilek, kde byly formovány enace a chlorotické skvrny. Předpokládáme, že RONS se podílejí na regulaci hyperplazie a tkáňové diferenciace u buněk nově vzniklých v meristému. PEMV infekce vyvolala změny v koncentraci hormonů v roslinném pletivu. Už 5. den po inokulaci byl zaznamenán nárůst v koncentraci kyseliny abscisové, zatímco koncentrace kyseliny salicylové klesla, tento jev se vyskytuje při potlačení hypersenzitivní reakce. Zjistili jsme antagonistický vztah mezi změnami v hladinách SA/JA u studovaného patosystému, kdy zřejmě došlo k inhibici JA signálem SA. Během systémové infekce byly zjištěny změny v produkci proteinu tepelného šoku (HSP70), a aktivitě peroxidázy.

Abstract:

This work is based on the results of model experiments simulating oxidative stress in plant leaves and on the results obtained for the whole plants, where the oxidative stress was induced by viral infection. In the first project we studied the oxidative stress, which was purposely induced by methyl viologen treatment on barley leaves. The aim of this study was to find how are defense mechanisms of plant capable to cope with this mild stress. We focused on changes in the activity of antioxidant enzymes, xanthophyll cycle and non-photochemical quenching (NPQ). We found that electron transport in thylakoid was not accelerated in such condition of slight oxidative stress at moderate light and activity of ascorbate peroxidase was reduced. Futher, we found out the misbalance between a high amount of zeaxanthin in thylakoid membranes and low NPQ under light limiting conditions. It has indicated that VDE is active also at moderate light and its activity is limited by violaxanthin availability and no by the lumenal acidity. We hypothesize that the mild oxidative stress could initiate the release of violaxanthin from LHCs. Further, we have shown that under mild oxidative stress zeaxanthin could effectively protect the thylakoid membrane against lipid peroxidation. During compatible interactions, viral invasion triggers numerous changes in host cells, tissues and even whole plants. However, how plants respond to infection by compatible viruses is less well understood despite the fact that it is compatible pathogens that cause disease and hence economic losses in agriculture. The model systems, on which experiments focused on alterations of primary metabolism of plant during systemic viral pathogenesis were realized, was pea (Pisum sativum cv. Merkur) infected by Pea enation mosaic virus (PEMV). We found out decrease of photosynthetic pigments, the maximum quantum yield of photochemistry of photosystem II, CO2 assimilation. Concomitant photoprotective responses, i.e. an increase in NPQ and accumulation of de-epoxidized xanthophylls, were also detected. Interestingly, alternative electron sinks in chloroplastswere not stimulated by PEMV infection. We assume that changes in photosynthesis in the studied model system during host infection are associated with inhibition of Calvin cycle following the rise in invertase activity and subsequent accumulation of assimilates in the infected tissue and also that viral infection accelerated senescence during which a decrease in effective quantum yield of photosystem II photochemisty took place in coordinated manner with an inhibition of CO2 assimilation. The third thematic part of the thesis addresses the issue of the role of reactive oxygen and nitrogen species (RONS) during systemic PEMV infection of pea plant. We found out that RONS were accumulated mostly in the vicinity of leaf veins, where enations and chlorotic flecks were formed. We assume that RONS have a crucial role in the control of hyperplasia and tissue differentiation throughout wall synthesis in the cells newly derived by the meristem. PEMV induces systemic changes in concentration of hormones. At 5 days post inoculation (dpi) abscisic acid level increased while this of salicylic acid decreased, which is known to act in suppression of hypersensitive reaction. We observed antagonistic relationship in temporal changes of SA and JA concentrations in studied pathosystem, i.e. the induction of SA attenuates JA signal. With the systemic development of infection were detected changes in production of heat shock protein (HSP70) and peroxidase activity.

Klíčová slova

antioxidační enzymy, fluorescence Chla, fotosyntéza, nefotochemické zhášení fluorescence, oxidační stres, patogeneze, Pea Enation Mosaic Virus, reaktivní formy kyslíku a dusíku, xantofylový cyklus

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 12. 7. 2012

Zveřejnit od: 12. 7. 2012

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Prof. RNDr. Petr Ilík, Ph.D.

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Fyzika / Biofyzika