Analýza schopnosti asimilačního aparátu vybraných druhů rostlin zvýšit termostabilitu fotochemické aktivity fotosystému II

Bc. Eva ŠILHAVÍKOVÁ

Master's thesis

Adaptability of assimilatory apparatus of selected plant species to increase thermostability of photosystem II photochemistry

Abstract:

Tato diplomová práce zkoumá vliv aklimace sazenic smrku ztepilého na různé režimy teploty a ozářenosti na termostabilitu fotochemických reakcí fotosystému II (PS II) a na funkční stav PS II. Čtyřleté sazenice smrku ztepilého (Picea abies (L.) Karsten) byly aklimovány 10 - 12 dní v růstových komorách na čtyři různé denní režimy s definovaným průběhem teploty a ozářenosti: režim LI-LT (teplota 15 ? 25 °C, nízká ozářenost), režim HI-LT (teplota 15 ? 25 °C, vysoká ozářenost), režim HI-HT (teplota 20-35 °C, vysoká ozářenost) a režim HI-HT2 (teplota 25 ? 40 °C, vysoká ozářenost) při relativní vlhkosti 59 ? 65 %. Termostabilita fotochemických reakcí fotosystému II byla určována pomocí parametrů fluorescenční teplotní křivky (FTC). Součástí experimentální práce bylo zavedení a optimalizace metodiky měření intenzity fluorescence během lineárního ohřevu asimilačního aparátu v termostatované komůrce. Z naměřených FTC byly určeny následující parametry termostability fotosystému II ? kritická teplota (TC), teplota maxima FTC (tMAX), teplota 50% nárůstu fluorescence z minimální na maximální intenzitu (t?F50) a parametr (FMAX-FMIN)/FMAX. Na základě získaných výsledků lze konstatovat, že aklimace rostlin na vysokou ozářenost a nízké teploty (HI-LT) vedla k poklesu termostability PS II ve srovnání s rostlinami aklimovaných na nízkou ozářenost a nízké teploty (LI-LT). U smrků aklimovaných na stejnou ozářenost (HI) se zvýšení maximální aklimační teploty o 10 °C projevilo zvýšením TC o 1,4 °C a další zvýšení maximální aklimační teploty o 5 °C se projevilo zvýšením o TC 1,7 °C. Z těchto výsledků lze usoudit, že termostabilita PS II s maximální aklimační teplotou výrazně vzrůstá a vysoká ozářenost termostabilitu snižuje. Funkční stav fotosystému II byl posuzován z měření závislosti maximální fotochemické účinnosti PS II ve stavu adaptovaném na tmu (FV/FM) na teplotě. Ze srovnání rostlin kultivovaných při stejné teplotě (LT), ale různé ozářeností (LI a HI) bylo zjištěno, že aklimace na vyšší ozářenost snižuje FV/FM v širokém rozmezí testovaných teplot. Naopak u jehlic aklimovaných na nejvyšší teplotu (HI-HT2) bylo prokázáno výrazné zvýšení FV/FM. Uvedené výsledky tedy podporují závěr analýzy FTC, že zvýšení ozářenosti a zvýšení teploty mají opačný vliv na termostabilitu PS II. Je překvapivé, že aklimace na vysokou ozářenost a velmi vysoké teploty (od 25 do 40 °C), netypické pro oblasti výskytu smrku ztepilého, vedla k optimalizaci funkčního stavu PSII v celém rozmezí měřených teplot (od 20 do 44 °C) ve srovnání s rostlinami aklimovanými na nižší teploty. Z analýzy kontinuálního záznamu fluorescence během měření závislosti FV/FM na teplotě bylo zjištěno, že po aplikaci saturačního pulsu klesá fluorescence zpět na výchozí hodnotu F0 pouze při nízkých teplotách (do teploty kolem 32 °C). Při dosažení vyšších teplot docházelo po odeznění saturačního pulzu k rychlému snížení fluorescence pod hodnotu F0 a následnému postiluminačnímu nárůstu fluorescence nad hodnotu před saturačním pulsem. Pozorovaná atypická odezva fluorescence po aplikaci saturačního pulzu souvisí s velmi rychlou a účinnou indukcí nezářivé disipace absorbované excitační energie a cyklického transportu elektronů při teplotách nad 30 °C. Předpokládáme, že schopnost thylakoidních membrán aktivovat při vyšších teplotách tyto ochranné mechanismy přispívá k překvapivě vysoké termostabilitě PS II jehlic smrku ztepilého.

Abstract:

This diploma work examines the influence of acclimation of seedlings of Norway spruce to different temperature and irradiation on thermostability of photochemical reactions of photosystem II (PS II) and on PS II function. 4-years old seedlings of Norway spruce (Picea abies (L.) Karsten) were acclimated for 10 - 12 days in growth chambers at 4 different day modes with defined courses of temperature and irradiation: LI-LT conditions (temperature 15 ? 25 °C, low irradiation), HI-LT conditions (temperature 15 ? 25 °C, high irradiation), HI-HT conditions (temperature 20-35 °C, high irradiation) and HI-HT2 conditions (temperature 25 ? 40 °C, high irradiation) with relative humidity 59 ? 65 %. Termostability of photochemical reactions of PS II was determined using the fluorescence temperature curve (FTC). A part of experimental work was an introduction and optimization of the fluorescence measurement during linear heating of assimilatory apparatus in thermostated chamber. The following parameters of PS II thermostability were estimated from the measured FTCs ? critical temperature (TC), temperature of FTC maximum (tMAX), temperature of 50 % increase of fluorescence from minimal to maximal levels (t?F50) and parameter (FMAX-FMIN)/FMAX. On the basis of obtained results we can say that acclimation of plants to high irradiation and low temperature (HI-LT) leads to decreased PS II thermostability in comparison with plants acclimated to low irradiation and low temperatures (LI-LT). Norway spruces acclimated at the same irradiation (HI) with increased maximal acclimation temperature by 10 °C reveal increased TC by 1,4 °C and another rise of maximal acclimation temperature by 5 °C results in further increase of TC by 1,7 °C. According to these results we can say that PSII thermostability increases with maximal acclimation temperature and high irradiation decreases thermostability. Functional state of photosystem II was estimated from measurements of dependence of maximal PS II photochemical efficiency in dark-adapted state (FV/FM) on the temperature. The comparison of plants cultivated at the same temperature (LT), but at different irradiation (LI and HI) revealed that HI acclimation reduces FV/FM over the range of tested temperatures. On the contrary, the significant increase of FV/FM was found for the needles acclimated to the highest temperature (HI-HT2). Mentioned results confirm the conclusion of FTC analysis that increased irradiation and elevated temperature antagonistically affect PS II thermostability. It is surprising that acclimation to high irradiation and very high temperatures (from 25 to 40 °C), untypical for areas of presence of Norway spruce, leads to optimalization of functional state of PSII over the whole range of measured temperatures (from 20 to 44 °C) in comparison with plants cultivated at lower temperatures. As found from the analysis of the continuous recording of fluorescence during measurements of FV/FM dependence on temperature, fluorescence signal after the application of saturation pulse decreased back to the initial F0 level only at low temperatures (approximately up to 32 °C). When higher temperatures were reached, the fast decrease of fluorescence bellow F0 occurred after the saturation pulse that was followed by post-illumination fluorescence rise above the initial level. Observed atypical response to saturation pulse is related to extremely fast and efficient induction of the nonradiative dissipation of absorbed excitation energy and cyclic electron transport at the temperatures above 32 °C. It is suggested that the ability of thylakoid membranes to activate these protective mechanisms at elevated temperatures contributes to surprisingly high PS II thermostability of Norway spruce needles.

Keywords

termostabilita fotosystému II, fluorescenční teplotní křivka, kritická teplota, maximální fotochemická účinnost, aklimace

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 25. 6. 2010

Accessible from:: 25. 6. 2010

Thesis defence

• Date of defence: 25. 8. 2010
• Supervisor: Doc. RNDr. Vladimír Špunda, CSc.

University of Ostrava

Faculty of Science

Master programme / field:
Applied Physics / Biophysics