Vliv snížené teploty a mrazu na expresi genů zapojených do odpovědi Arabidopsis na chlad

David Smečka

Bachelor's thesis

The impact of low temperature and frost on the expression of genes involved in Arabidopsis response to cold

Abstract:

Schopnost rostlin přizpůsobit se měnícím se podmínkám je klíčová pro pěstování rostlin v zemědělství a zároveň pro udržení ekosystémů po celém světě. Tato práce se zaměřuje na vliv nízkých teplot a dopad tvorby ledových krystalů (nukleace) na růst a přežití rostlin. V průběhu experimentů byly vzorky rostlin A. thaliana vystaveny čtyřem různým podmínkám a rozděleny do skupin: kontrola (22 °C), chlad (4 °C), mráz (-8 °C) a zamrznutí (-8 °C + nukleace). U těchto čtyř skupin byl následně zhodnocen jejich celkový stav, změřeny fotosyntetické parametry, vyhodnoceno poškození kořenového systému a stanovení množství specifických genů, které jsou při nízkých teplotách exprimovány. Naše práce odhalila, že na přežití rostlin má především vliv změna fáze vody, nikoliv působení teploty. Rostliny, které byly vystaveny 4 °C a - 8 °C bez nukleace vykazovaly velmi podobné výsledky jak v přežití, tak při měření fotosyntetických parametrů. Rostliny, které prošly zamrznutím byly výrazně poškozenější a signál při měření fotosyntetických parametrů byl téměř nulový. Při měření relativní exprese genů vykazovaly skupiny mrazu a zamrznutí podobné hodnoty jak u genů CBF1-3 tak COR28 a COR47. Na druhou stranu v porovnání s chladovou byla exprese CBF1-3 u mrazu a zamrznutí výrazně vyšší. Výsledky ukazují, že nízké teploty mají diametrálně odlišný dopad na základě toho, zda k došlo k nukleaci, či nikoliv, a to jak na úrovni fyziologické, tak molekulární.

Abstract:

The ability of plants to adapt to changing conditions is crucial for crop cultivation in agriculture and for worldwide ekosystem sustainability. This study focuses on the influence of low temperatures and the impact of ice crystal formation (nucleation) on the growth and survival of plants. During the experiments, samples of Arabidopsis thaliana plants were exposed to four different conditions and divided into groups: control (22 °C), chill (4 °C), frost (-8 °C), and freezing (-8 °C + nucleation). Then the overall conditions of these groups were evaluated, photosynthetic parameters were measured, root system damage was assessed, and the amount of specific genes expressed at low temperatures was determined. Our work revealed that the survival of plants is primarily influenced by the change of the phase rather than the temperature exposure. Plants subjected to temperatures of 4°C and -8°C without nucleation showed very similar results in both survival and measured photosynthetic parameters. Plants that underwent freezing were significantly more damaged, with nearly zero signal in the measurement of photosynthetic parameters. During the measurement of relative gene expression, the frost and freezing groups exhibited similar values for genes CBF1-3 as well as COR28 and COR47. However, in comparison to the cold group, the expression of CBF1-3 in frost and freezing was significantly higher. The results indicate that low temperatures have dramatically different effects depending on whether nucleation occurred or not, both at the physiological and molecular levels.

Keywords

Arabidopsis thaliana, CBF, COR, chlad, ICE, mráz, nukleace, zamrznutí

Keywords

Arabidopsis thaliana, CBF, COR, chilling, frost, freezing, ICE, nucleation

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 5. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 11. 6. 2024
• Supervisor: Mgr. Jan Novák, Ph.D.
• Reader: Jan Zouhar, Ph.D.

Mendel University in Brno

Faculty of AgriSciences

Bachelor programme:
Molecular Biology and Biotechnology