Vliv spektrální kvality a celkové ozářenosti FAR na složení fotosyntetických pigmentů a fenolických látek v listech Arabidopsis thaliana

Bc. Tereza KONEČNÁ

Master's thesis

The effect of spectral quality and total irradiance on the composition of photosynthetic pigments and phenolic compounds in leaves of Arabidopsis thaliana

Abstract:

Tato diplomová práce se zabývá problematikou vlivu spektrální kvality fotosynteticky aktivní radiace (FAR), zejména pak její modré složky, na produkci fenolických látek (FL) a fotosyntetických pigmentů (FP) při aklimaci rostlin Arabidopsis thaliana a Hordeum vulgare na vyšší ozářenost. Kromě toho byla studována také role rostlinných fotoreceptorů modrého světla, konkrétně kryptochromů, v tomto procesu. Za tímto účelem byly v rámci experimentu 1 a 2 využity rostliny Arabidopsis thaliana Landsberg erecta (LER; divoký typ) a jeho mutantní line s narušenou funkcí kryptochromů 1 a 2 (CRY). V experimentech prezentovaných v této práci byly rostliny aklimovány z nízké (LI; 100 ?mol m-2 s-1) na vyšší (HI; 400 ?mol m-2 s-1) ozářenost FAR různé spektrální kvality (W - bílé, B - modré, GR ? červeno zelené světlo). Obsah FL a FP byl stanovován využitím vysokotlaké kapalinové chromatografie s detektorem typu diodového pole (HPLC-DAD). Mimo to bylo stanoveno UV-A a UV-B stínění in-vivo, s využitím fluorescenčního spektrofotometru a zařízení Dualex. U rostlin A. thaliana prekultivovaných na bílém světle (u nichž lze předpokládat normální vývoj; experiment II) byl zaznamenán nárůst UV-A i UV-B stínění při aklimaci na HI různých spektrálních kvalit. Tento nárůst byl nejmarkantnější na bílém a modrém světle u A. thaliana LER, zatímco v podmínkách GR byl nárůst nízký (LER i CRY). Mutant CRY vykazoval na modrém obdobnou odezvu jako LER i CRY na GR. Odezva stínění regulovaná modrým světlem je tedy ve FAR oblasti regulována zejména kryptochromy. Překvapivě mutant CRY na bílém světle vykazoval značný nárůst stínění. Lze předpokládat, že tato odezva mohla být vyvolána UV-A složkou bílého světla prostřednictvím UVR8 receptoru. Pozorovaná odezva UV stínění byla v případě Horedum vulgare podobná jako u A. thaliana. Zdá se však, že nárůst stínění v podmínkách HI bez modré složky radiace je u Hordeum vulgare ještě méně výrazný než v případě A. thaliana. Výsledky HPLC analýzy volných FL jsou v souladu s pozorovanou odezvou UV stínění. Aklimace na vysoké bílé světlo vedla k nárůstu obsahu většiny sledovaných FL jak u divokého typu, tak mutantu (odezva UV-A -> UVR8). Při aklimaci na vysoké modré světlo došlo k prudkému navýšení obsahu FL pouze u divokého typu (B -> kryptochromy) a v GR podmínkách nebyl pozorován významný nárůst obsahu FL ani u divokého typu ani u mutantu. Obsah většiny volných FL Hordeum vulgare je výrazně menší v podmínkách GRHI ve srovnání s BHI a WHI. Tyto výsledky vedou k závěru, že vyšší ozářenost (FAR) vede k efektivní indukci UV-stínění a aktivaci metabolismu FL pouze v přítomnosti modré složky a jejího fotoreceptoru kryptochromu. Lze předpokládat, že za normálních spektrálních podmínek může být obdobná odezva vyvolána prostřednictvím UV-A, nebo UV-B (zřejmě prostřednictvím UVR8). Obsah fotosyntetických pigmentů citlivě reagoval zejména na celkovou ozářenost. Poměr chl a/chl b byl u A. thaliana vyšší v HI podmínkách nezávisle na spektrální kvalitě či přítomnosti funkčních kryptochromů. V případě Hordeum vulgare vykazovaly rostliny kultivované při HI zanedbatelně vyšší poměr chla/chlb (pro Hordeum vulgare je 400 ?mol m-2 s-1 spíše střední ozářenost). U rostlin A. thaliana i Hordeum vulgare byly detekovány deriváty chl a případně chl b, a to především v podmínkách GR. Poměr VAZ/car (x+c) byl obecně vyšší u A. thaliana ve srovnání s Hordeum vulgare. Rozdíly v poměrech VAZ/chl a+b se z hlediska spektrální kvality lišily především u Hordeum vulgare, přičemž výraznější nárůst tohoto poměru byl detekován v podmínkách B a GR ve srovnání s W.

Abstract:

This thesis deals with the influence of the spectral quality of photosynthetically active radiation (PAR), especially its blue component, on the production of phenolic compounds (PC) and photosynthetic pigments (PP) during acclimation of Arabidopsis thaliana and Hordeum vulgare plants to higher irradiation. In addition, the role of blue light plant photoreceptors (specifically cryptochromes), in this process was also studied. For this purpose, Arabidopsis thaliana Landsberg erecta (Ler; wild type) and its mutant line lacking functional cryptochrome 1 and 2 (CRY) was used in experiment 1 and 2. In presented experiments plants were acclimated from low (LI, 100 ?mol m-2 s-1) to higher (HI, 400 ?mol m-2 s-1) PAR of different spectral qualities (W - white, B ? blue, GR ? green red light). The PC and PP contents were determined by using high pressure liquid chromatography with a diode array detector (HPLC-DAD). Moreover, UV-A and UV-B shielding was determined in-vivo, using a fluorescence spectrophotometer and a Dualex device. In the case of A. thaliana precultivated on white light (for which normal development can be expected, experiment II), an increase in UV-A and UV-B shielding was observed during HI acclimation under different spectral qualities of light. This increase was most striking on white and blue light in A. thaliana LER, while in GR conditions, the increase was low (in both LER and CRY). The CRY mutant showed a similar response on blue light as the LER and CRY on GR. Thus, the response of UV shielding induced by blue light spectral component of HI PAR was controlled in particular by cryptochromes. Surprisingly, the CRY mutant acclimated to HI white light showed a significant increase in shielding. It can be assumed that this response could be induced by the UV-A component of blue light through the UVR8 receptor. The observed UV shielding response of A. thaliana was similar in the case of Hordeum vulgare. However, it seemed that the increase in UV shielding in HI conditions without the blue component of radiation was even less pronounced in H. vulgare than in A. thaliana. Results of HPLC analysis of free PCs were consistent with observed UV shielding response. Acclimation on W HI led to an increase in the content of most of the observed PCs in both the wild type and the mutant (UV-A response -> UVR8). Acclimation to HI blue light resulted in a steep increase in PC only in the wild type (B ?> cryptochromes), and in GR conditions no significant increase in PC content was observed either in the wild type or in the mutant. The content of most soluble PCs in H. vulgare was significantly lower under GR HI than B HI and W HI. These results lead to the conclusion that higher irradiance (PAR) leads to effective induction of UV shielding and activation of PC metabolism only in the presence of the blue component of PAR and blue light sensitive cryptochrome photoreceptors. It can be assumed that under normal spectral conditions similar response can be induced by UV-A or UV-B (apparently via UVR8). The content of photosynthetic pigments sensitively responded to the overall irradiance of PAR. The ratio of chlorophyll a/chlorophyll b (chl a/chl b) was higher in HI conditions in A. thaliana, regardless of the spectral quality or the presence of functional cryptochromes. In the case of Hordeum vulgare, the plants cultivated at HI showed a negligibly higher ratio of chl a/chl b (for Hordeum vulgare, 400 ?mol m-2 s-1 was rather medium irradiance). In both A. thaliana and Hordeum vulgare, chl a and possibly chl b derivatives were detected, especially under GR conditions. The VAZ/car (x+c) ratio was generally higher in A. thaliana compared to Hordeum vulgare. Differences in VAZ/chl a+b ratios differed in terms of spectral quality primarily for Hordeum vulgare, with a more pronounced increase in this ratio detected under conditions B and GR compared to W.

Keywords

spektrální kvalita, intenzita ozářenosti, fenolické látky, fotosyntetické pigmenty, kryptochromy, Arabidopsis thaliana

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 6. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 29. 8. 2017
• Supervisor: Mgr. Jakub Nezval, Ph.D.

University of Ostrava

Faculty of Science

Master programme / field:
Applied Physics / Biophysics