Application of ultra-weak photon emission imaging in plant research

Eliška MIHAČOVÁ

Bachelor's thesis

Abstract:

Abstract Plants in their life cycle are exposed to a variety of abiotic stress factors (salinity, drought, extreme temperatures, heavy metals, pollution, high irradiance, etc.) leading to enhanced formation of reactive oxygen species (ROS) due to disruption of cellular homeostasis, therefore, the survival of plants depends on many important factors like change in growth conditions, severity and duration of stress conditions, and the capacity to quickly adapt to changing environment. Technology developed during the past decade has brought faster and more precise ways to quantify the effects and damage caused by oxidative stress. The emergence of a simple tool that can provide a physiological representation of oxidative stress would be a significant step toward monitoring this dynamic process in biological systems while also improving our understanding of this process. Ultra-weak photon emission (UPE) has been proposed as a potential tool for measuring oxidative processes because of the association between UPE and reactive oxygen species. During oxidative stress, ROS can cause oxidation of biomolecules, which involves the transition of electrons from an excited state to the ground state; excited electron states include singlet oxygen, triplet carbonyls, etc. In the current work, different abiotic stresses have been shown to directly enhance the intensity of UPE. The results presented by two-dimensional imaging show the spatiotemporal distribution of stress and spectral measurement indicates toward the generation of specific electronically excited species.

Abstract:

Rostliny jsou během svého životního cyklu vystaveny řadě abiotických stresových faktorů (zasolení, sucho, extrémní teploty, těžké kovy, znečištění, vysoké ozáření, které vede ke zvýšené tvorbě reaktivních forem kyslíku (ROS) v důsledku narušení buněčné homeostázy. Z tohoto důvodu přežití rostlin závisí na mnoha důležitých faktorech, jako je změna růstových podmínek, intenzita a doba trvání stresových podmínek a schopnost rychle se přizpůsobit měnícímu se prostředí. Technologie vyvinuté v posledním desetiletí přinesly rychlejší a přesnější způsoby kvantifikace účinků a poškození způsobených oxidačním stresem. Vznik jednoduchého nástroje, který by dokázal poskytnout fyziologickou reprezentaci oxidačního stresu, by byl významným krokem ke sledování tohoto dynamického procesu v biologických systémech a zároveň by zlepšil porozumění tomuto procesu. Jako potenciální nástroj pro měření oxidačních procesů byla navržena ultra-slabá emise fotonů (UPE), a to díky spojení UPE s reaktivními formami kyslíku. Během oxidačního stresu mohou ROS způsobit oxidaci biomolekul, která zahrnuje přechod elektronů z excitovaného stavu do základního stavu. Mezi excitované elektronové stavy patří singletový kyslík, tripletové karbonyly, peroxidy atd. V současné práci bylo prokázáno, že různé abiotické stresy přímo zvyšují intenzitu UPE. Výsledky prezentované pomocí dvourozměrného zobrazování ukazují časoprostorové rozložení stresu a spektrální měření směřují ke generaci specifických elektronicky excitovaných druhů.

Keywords

Ultra-slabá emise fotonů, zobrazování pomocí CCD zařízení, dvourozměrné zobrazovaní, abiotický stres, Arabidopsis thaliana, vte1 knockout mutant

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 5. 2022

Thesis defence

• Supervisor: Mgr. Ankush Prasad, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Biotechnology and Genetic Engineering / Biotechnology and Genetic Engineering