Vliv klimatických faktorů na expresi genu podílejících se na biosyntéze fenolových látek a antioxidační ochraně rostlin

Mgr. Adriana VOLNÁ

Doctoral thesis

The effect of climatic factors on the experession of genes related to phenolic compound biosynthesis and antioxidative protection in plants

Abstract:

Phenolic compounds are an important group of diverse secondary metabolites with UV-screening and antioxidative features. Their amount and biochemical profile profile can dynamically change in response to environmental cues, such as high irradiance, temperature, or CO2 concentration. Such changes are partially caused by the switches in the enzymatic activities (Duke and Naylor, 1974; Zhan et al., 2020) of proteins involved in phenolics biosynthesis, but these changes are also modulated by the expression of genes encoding the biosynthetic enzymes which are capable to create phenolic compounds. Therefore, both regulation types contribute to the observed changes in the total content of phenolic compounds. At the Department of Physics, one of the main research directions is aimed at understanding the impact of photosynthetically active radiation on the accumulation of phenolic compounds in the absence of UV radiation and the role of these compounds in the protection of plants (with particular emphasis on the photosynthetic apparatus) against oxidative stress. Up till now, research was based on the analysis of phenolic compounds and the estimation of various functional traits related to the state of the assimilatory apparatus using biochemical and biophysical methods. However, there was no experience with the topic of gene expression regulation and the corresponding molecular biology techniques. Thus, in order to be able to perform more complex research covering both metabolomics and transcriptomics of phenolic compounds, it was necessary to establish, adjust and further optimize in the Department of Physics the RT-qPCR method including the total RNA isolation, DNase treatment, RNA quality controls, reverse transcription and quantitative PCR. In the presented thesis, I summarize both published and yet unpublished data from the experiments dealing primarily with the stimulative effects of blue light on the expression of selected genes related to antioxidative protection and phenolic compounds synthesis. In addition, experiments dealing with the interactive effects of temperature and spectral quality on both gene transcription and accumulation of phenolic compounds were performed. To further understand the regulation of the genes involved in phenolic compounds biosynthesis, I also started to study the general epigenetic mechanisms of gene expression control, including the quadruplex forming structures, in cooperation with my colleagues from the Department of Biology and the Institute of Biophysics (Czech Academy of Sciences).

Abstract:

Fenolové sloučeniny jsou důležitou skupinou různorodých sekundárních metabolitů s UV-stínícími a antioxidačními vlastnostmi. Jejich množství i profil se mohou dynamicky měnit v závislosti na okolních podnětech (např. vysoká ozářenost, teplota, koncentrace CO2). Tyto změny jsou částečně způsobeny změnami enzymatické aktivity proteinů (Duke and Naylor, 1974; Zhan et al., 2020) podílejících se na jejich biosyntéze, ale také expresí genů kódujících vlastní biosyntetické enzymy, které jsou schopny vytvářet fenolické sloučeniny, a přispívají tak i k pozorovaným změnám v celkovém obsahu fenolových látek. Na katedře fyziky je jedním z hlavních směrů výzkumu pochopení vlivu fotosynteticky aktivního záření na akumulaci fenolových sloučenin v nepřítomnosti UV radiace a úlohy těchto látek v ochraně rostlin (fotosyntetického aparátu) před oxidativním stresem. Dosavadní výzkum byl založen na analýze fenolových látek a také na odhadu různých funkčních vlastností odhadujících stav asimilačního aparátu pomocí biochemických a biofyzikálních metod, avšak s tématem regulace genové exprese a molekulárně biologickými analýzami a technikami nebyly na pracovišti zkušenosti. Aby tedy bylo možné provádět komplexnější výzkum zahrnující jak metabolomiku, tak transkriptomiku, bylo nutné zavést, upravit a dále optimalizovat metodu RT-qPCR včetně izolace celkové RNA, ošetření DNAzou a reverzní transkripce na Katedře Fyziky. V předkládané práci shrnuji jak publikovaná, tak dosud nepublikovaná data z experimentů zabývajících se především stimulačními účinky modrého světla na expresi vybraných genů souvisejících s antioxidační ochranou a syntézou fenolových sloučenin. Kromě toho byly provedeny také experimenty zabývající se interaktivními účinky teploty a spektrální kvality jak na expresi genů, tak na akumulaci fenolických sloučenin. Pro další pochopení regulace genů zapojených do biosyntézy fenolových látek jsem začala studovat obecné epigenetické mechanismy řízení genové exprese, včetně struktur tvořících kvadruplexy ve spolupráci s kolegy z Katedry Biologie a Ekologie OU a Biofyzikálním Ústavem Akademie věd České republiky.

Keywords

fenolové látky, exprese genů, antioxidační enzymy, spektrální kvalita, ozářenost, fotosynteticky aktivní radiace, fotoreceptory, teplota

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 1. 2023

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: doc. RNDr. Vladimír Špunda, CSc., doc. RNDr. Vladimír Špunda, CSc.

University of Ostrava

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Applied Physics / Biofyzika