Studium reaktivních forem dusíku a kyslíku u rostlin vystavených působení stresových faktorů

Jana Piterková

Disertační práce

Study of reactive oxygen and nitrogen species in plants exposed to stress treatment

Anotace:

Cílem disertační práce bylo studium úlohy reaktivních forem dusíku (RNS) a kyslíku (ROS) v rámci reakce rostlin na stres vyvolaný infekcí biotrofním patogenem, změnou teploty, zvýšenou koncentrací solí, přítomností manitolu, toxických kovů, případně kombinací vybraných stresových faktorů. Modelovými systémy, na kterých byly realizovány experimenty zaměřené na studium reakce rostliny v průběhu patogeneze, byly genotypy Solanum spp. lišící se stupněm rezistence na infekci patogenem Oidium neolycopersici a dále genotypy Lactuca spp. infikované patogenem Bremia lactucae. V prvním řešeném projektu bylo potvrzeno zapojení oxidu dusnatého a enzymu s NO synthasovou aktivitou v obranné reakci rostliny během počáteční fáze infekce a v rámci systémové odpovědi rostliny na stres. Následující práce byla zaměřena na studium vlivu NO na vývoj patogenu. Histochemická detekce odhalila akumulaci NO v penetrovaných buňkách rezistentních genotypů Solanum spp. vztahující se k iniciaci hypersenzitivní reakce, a také v klíčních vláknech a apresoriích patogenu, což naznačuje významnou roli NO při průniku O. neolycopersici do buňky. V projektu řešícím problematiku úlohy reaktivních forem dusíku a kyslíku v reakci rostliny vystavené krátkodobému teplotnímu stresu a následně infikované patogenem byl zaznamenán vliv NO na produkci heat shock proteinů (Hsp70) v závislosti na schopnosti genotypu aktivovat obranné mechanismy. Druhá tématická část disertační práce řešící problematiku úlohy ROS a RNS při regeneraci protoplastů a vlivu toxických kovů na buněčnou suspenzi, byla realizována na modelovém systému Cucumis sativus. Pomocí fluorescenční a konfokální mikroskopie byla prokázána lokalizace produkce NO v průběhu regenerace protoplastů v chloroplastech, ROS v cytoplasmě a pravděpodobně v peroxisomech. Byla prokázána účast RNS a ROS při regeneraci protoplastů C. sativus. Při vyšších koncentracích NO byl pozorován jeho antioxidační účinek. Z dosažených výsledků je zřejmý regulační vliv NO na regenerační proces po izolaci protoplastů a na intenzitu buněčného dělení. Získané výsledky dále potvrzují roli NO jako mediátora signalizace a odezvy rostlinných buněk na krátkodobé a dlouhodobé působení kadmia. Třetím tématickým okruhem bylo studium úlohy RNS a ROS v reakci rostlin na osmotický a salinitní stres. Pro tento experiment byl vybrán specifický model dvou genotypů Solanum lycopersicum Mill. ? WT a mutant 7B-1. Experimenty byly realizovány za různých světelných podmínek (tma, modré nebo bílé světlo). Byl detekován zesilující a kontrolní vliv modrého světla na obranné reakce zprostředkované oxidem dusnatým u rostlin vystavených osmotickému a salinitnímu stresu. Jednoznačně byla potvrzena esenciální regulační funkce NO v procesu klíčení rostlinných semen

Abstract:

The aim of Ph.D. thesis was to study the role of reactive nitrogen (RNS) and oxygen (ROS) species in plant responses to stress elicited by biotrophic pathogen infection, temperature changes, high salt concentration, mannitol presence and toxic heavy metals, eventually by combinations of chosen stress factors. The model systems, on which experiments focused on the study of plant defence responses during pathogenesis were realized, were Solanum spp. genotypes differing in the level of resistance to Oidium neolycopersici and Lactuca spp. genotypes infected by Bremia lactucae. In the first project, the involvement of nitric oxide and enzyme with NO synthase-like activity in plant defence response during the initial stages of infection and in systemic acquired response of plant to stress was confirmed. The following work was aimed at the study of the influence of NO to the development of pathogen. The histochemical detection revealed NO accumulation in the penetrated cells of resistant Solanum spp. genotypes, relating to the initiation of hypersensitive reaction, as well as in the germ tubes and appresorium of pathogen, indicating an essential role of the molecule for the penetration of biotrophic pathogen. In the project tackling the role of RNS and ROS in the plant response to short term exposure to temperature stress and subsequent inoculation by pathogen, the influence of NO on the heat shock proteins (Hsp70) depending on the ability of genotype to activate the defence mechanisms was detected. The second thematic part of this thesis, focused to the study of the role of ROS and RNS in protoplast regeneration and influence of toxic heavy metals to cell suspension, was realized on Cucumis sativus model system. Using fluorescence and confocal microscopy, the localization of NO production in chloroplasts and ROS in cytoplasm and probably in peroxisomes during cucumber protoplast regeneration was detected. The implication of RNS and ROS in C. sativus protoplast regeneration was proved. In higher NO concentration, the antioxidant effect of this molecule was observed. The regulatory influence of NO on the regeneration process after protoplast isolation and on the cell division intensity is evident from obtained results. The results obtained in our study also confirm the proposed role of NO as a crucial mediator of signalling and responses of plant cell to cadmium both in short- and long-term treatment. The third thematic sphere of action was the study of RNS and ROS role in the plant responses to osmotic and salinity stress. For this experiment, a specific model of two genotypes of Solanum lycopersicum Mill. ? WT and 7B-1 mutant was chosen. Experiments were realized under different light conditions (dark, blue light and white light). The amplifying and controlling influence of the blue light on the NO-mediated defence reactions of tomato plants under the drought and salinity stress was detected. The essential regulatory function of NO in the process of the plant seed germination was evidently proved

Klíčová slova

heat shock proteiny, osmotický stres, oxid dusnatý, patogeneze, protoplast, reaktivní formy dusíku, reaktivní formy kyslíku, salinitní stres, teplotní stres

Keywords

heat shock proteins, nitric oxide, osmotic stress, pathogenesis, protoplast, reactive nitrogen species, reactive oxygen species, salinity stress, temperature stress

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 21. 6. 2010

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 21. 6. 2010
• Vedoucí: Lenka Luhová
• Oponent: Helena Ryšlavá, Jitka Vostálová

Univerzita Palackého

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Biochemie / Biochemie