Fluorescenční analýza míry odolnosti fotosyntetického aparátu a analýza fotosyntetických pigmentů u rostlin vystavených různé teplotě a ozářenosti

Michaela PROVAZOVÁ

Bachelor's thesis

Fluorescence analysis of the resistance of the photosynthetic apparatus and analysis of photosynthetic pigments in plants exposed to different temperature and irradiance

Abstract:

Cílem mé bakalářské práce je zjistit, jaký má zvýšená a snížená teplota a ozářenost vliv na vývoj ječmene setého (Hordeum vulgare). Práce je zaměřena na aklimační odezvu obsahu fotosyntetických pigmentů, aktivitu xantofylového cyklu a funkční stav fotosystému II (PSII). Měření probíhá na rostlinách ječmene, který je kultivován v růstové komoře po dobu 14 dní. Prvních 7 dní rostliny rostou při podmínkách MI-NT (tj. 400 ?mol.m-2.s-1 a teplotě 20 °C), poté se režim mění podle aklimačních podmínek (HI-HT, HI-NT, LI-HT, LI-NT, HI-LT a LI-LT). Po 14 dnech jsou rostliny podrobeny první části analýzy, druhé části se účastní rostliny, které jsou na 3 hodiny vloženy do komory se stresovými podmínkami, které odpovídají režimu HI-HT. Stresu nejsou vystaveny rostliny HI-HT, protože tyto rostliny jsou na tento režim již aklimatizovány. Praktická část mé práce je rozdělena na 4 části. V první části se stanovuje morfologie primárních a sekundárních listů. Pomocí základního laboratorního vybavení (analytické váhy, skener, počítač, pravítko) a základních výpočtů jsou zaznamenány a vypočítány základní morfologické znaky listu jako je délka, plocha, čerstvá hmotnost, obsah sušiny a tloušťka listu. Kromě obsahu sušiny nepozorujeme výraznější odchylky ve výsledcích. Obsah sušiny je vysoký u HI variant (až 25 %), LI varianty mají obsah sušiny kolem 10-15 %, nejnižší obsah sušiny pozorujeme u LI-LT varianty, zde je obsah sušiny pod 5 %. V druhé části je stanoven obsah pigmentů pomocí spektrofotometru. Obsah chlorofylu a karotenoidů má podobný trend. Nejvyšší hodnoty chlorofylu pozorujeme u LI variant, HI varianty mají obsah nízký. Výjimkou je HI-LT varianta, zde se ukazuje pozitivní vliv nízké teploty, který nám v případě chlorofylu zvyšuje obsah pigmentů trojnásobně, u karotenoidů dvojnásobně. Pomocí Chl a/Chl b určujeme relativní množství Chl b ve světlosběrných anténách PSI a PSII. U LI variant jsou antény redukované, dostáváme menší hodnoty poměru než u variant HI. Relativní množství karotenoidů je naopak nižší u HI variant, protože vlivem vysoké ozářenosti dochází k jejich vyšší produkci. V třetí části stanovujeme pomocí HPLC obsah jednotlivých karotenoidů. Z výsledků je patrné, že na ochraně rostliny se největší mírou podílí pigmenty xantofylového cyklu (violaxantin, anteraxantin a zeaxantin). Tyto pigmenty se ve vyšším množství nachází u HI variant. Dále stanovujeme de-epoxidační stav systému (DEPS), měření probíhá na sekundárních listech. DEPS je výrazný u HI variant, stresem se DEPS zvyšuje. U LI variant je u listů po aklimaci DEPS poměrně nízký, po stresu se několikanásobně zvyšuje. V případě HI-NT a HI-LT pozorujeme maximální hodnoty DEPS. Epoxidace ve tmě je u rostlin po stresu standardní, s přibývajícím časem, který rostlina stráví ve tmě, klesá DEPS u všech variant. Podobně je tomu i u rostlin po aklimaci na HI, u LI však dochází k mírnému nárůstu DEPS po tmě, což může být způsobeno chybou měření. Poslední část se věnuje křivkám relaxace Y(II) a parametru Fv/Fm. Křivky Y(II) jsou si velmi podobné, již po 10 minutách dochází k ustálení hodnoty Y(II), kinetika relaxace Y(II) se nemění. Parametr Fv/Fm udává poškození rostliny vlivem ozářenosti a teploty. V našem případě dochází k většímu poškození u HI variant, LI varianty jsou poškozeny mírně.

Abstract:

The aim of my bachelor thesis is to find out how the increased and decreased temperature and irradiance affect the development of barley (Hordeum vulgare). The thesis is focused on the acclimation response of the content of photosynthetic pigments, the activity of the xanthophyll cycle and the functional state of photosystem II (PSII). The measurement takes place on barley plants, which are cultivated in a growth chamber for 14 days. The first 7 days, the plants grow under the conditions of the MI-NT (i.e. 400 ?mol.m-2 s-1 and 20 ° C), then the mode will change according to the acclimation conditions (HI-HT NT HI-LI-HT LI-NT, HI-LT and LI-LT). After 14 days, the plants are subjected to the first part of the analysis, the second part involves plants which are placed in a chamber for 3 hours under stress conditions corresponding to the HI-HT regime. The practical part of my work is divided into 4 parts. In the first part I determine the morphology of primary and secondary leaves. Using basic laboratory equipment (like analytical balance, scanner, computer, ruler) and basic mathematical calculations are recorded and calculated some basic leaf morphological features such as length, area, fresh weight, dry matter content and leaf thickness. Apart from the dry matter content, we do not observe any significant deviations in the results. The dry matter content is high in HI variants (up to 25%), LI variants have a dry matter content around 10-15%, the lowest dry matter content is observed in the LI-LT variant, here the dry matter content is below 5%. In the second part of my bachelor thesis, the content of pigments is determined using a spectrophotometer. The content of chlorophyll and carotenoids has a similar trend. The highest values of chlorophyll are observed in LI variants, HI variants have a low content. The exception is the HI-LT variant, which shows the positive effect of low temperature, which in the case of chlorophylls increases the pigment content threefold, in the case of carotenoids twice. Using Chl a / Chl b, we determine the relative amount of Chl b in the light-harvesting antennas of PSI and PSII. For LI variants the antennas are reduced, we get smaller values of the ratio than for HI variants. The relative amount of carotenoids is lower in HI variants, because due to high irradiation, their production is higher. In the third part, we determine the content of individual carotenoids by HPLC. The results show that xanthophyll cycle pigments (violaxanthin, anteraxanthin and zeaxanthin) play the greatest role in plant protection. These pigments are found in higher amounts in HI variants. We also determine the de-epoxidation state of the system (DEPS), the measurement takes place on secondary leaves. DEPS is pronounced in HI variants, DEPS increases with stress. In LI variants, DEPS is relatively low in leaves after acclimatization, it increases several times after stress. In the case of HI-NT and HI-LT, we observe the maximum values of DEPS. Epoxidation in the dark is standard in plants after stress, with increasing time the plant spends in the dark, DEPS decreases in all variants. It is similar in plants after acclimatization to HI, but in LI there is a slight increase in DEPS after dark, which may be due to a measurement error. The last part deals with the relaxation curves Y (II) and the parameter Fv/Fm. These curves are very similar, after 10 minutes the value of Y (II) stabilizes, the kinetics of relaxation of Y (II) do not change. The Fv/Fm parameter indicates the damage to the plant due to irradiation and temperature. In our case there is more damage in HI variants, LI variants are slightly damaged.

Keywords

Ozářenost, teplota, ječmen setý, fotosyntetické pigmenty, xantofylový cyklus, fotosystém II, morfologie listu, spektrofotometr, HPLC, Dual-PAM-100, chlorofyly, karotenoidy, relaxace Y (II), Fv/Fm

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 6. 2020

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Date of defence: 24. 8. 2020
• Supervisor: Mgr. Michal Štroch, Ph.D.

University of Ostrava

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Applied Physics / Biophysics