Moderní biofyzikální metody ve studiu fotosyntézy poikilohydrických organismů

Alla Orekhova, Ph.D.

Doctoral thesis

Modern biophysical methods in the study of photosynthesis of poikilohydric organisms

Abstract:

Tématem dizertační práce je využití moderních biofyzikálních metod ve studiu fotosyntézy poikilohydrických autotrofních organismů, jako jsou mechy, lišejníky a řasy. Cílem práce je kvantifikovat odezvu fotosyntetického aparátu modelových druhů poikilohydrických organismů z polárních oblastí Země na stresové faktory prostředí, a to pomocí řízených laboratorních experimentů. Experimentální část doktorské disertační práce je zaměřena na studium primárních procesů fotosyntézy v průběhu vysychání a fotoinhibice u mechů a lišejníků. Další částí práce je studium šokového zmrazení na rychlost obnovení primárních fotosyntetických procesů fotosyntézy ve fotosystému II u mikrořas z Antarktidy. V práci byly použity fluorescenční metody: pomalá Kautského kinetika fluorescence chlorofylu (KK), rychlá indukční kinetika fluorescence chlorofylu (OJIP), a metoda měření fluorescenčních parametrů v průběhu rané fáze fotoinhibice. Úspěšný růst kryptogamů (mechy, lišejníky a řasy) v Antarktidě je nepochybně způsoben jejich poikilohydrickou povahou, jejich schopností vyrovnávat svůj vodní status s okolním prostředím. Kromě dostupnosti vody, je růst těchto autotrofních organismů také významně omezen nízkou teplotou a vysokými hodnotami záření. Z těchto důvodů byly použity dva dominantní druhy stresu: vysychání a fotoinhibice, respektive odpovědi studovaných organismů na tyto faktory. Dále byl zkoumán vliv extrémně nízké teploty (šokové zmrazení) na životaschopnost buněk mikrořas a obnovení jejich primárních procesů fotosyntézy po šokovému zmrazení. Dizertační práce shrnuje výsledky 6 odborných článků zaměřených na využití různých metod (zejména fluorescence chlorofylu) při měření (1) stresu způsobeného vysycháním (Orekhova et al. 2018a; Orekhova et al. 2021a; Barták et al. 2021), (2) stresu vysokým zářením (Orekhova et al. 2021b) a stresu šokovým zmrazením (Orekhova et al. 2018b; Orekhova et al. 2019). V doktorské disertační práci byly využity i další biofyzikální metody studia projevů stresu u mechů a lišejníků: měření změn spektrální odrazivosti v průběhu jejich vysychání.

Abstract:

The topic of doctoral thesis is the application of modern biophysical methods in photosynthetic studies in poikilohydric autotrophic organisms such as mosses, lichens and algae. The aim of the doctoral thesis was to quantify the response of photosynthetic apparatus to stress factors in model species of poikilohydric autotrophs from Earth polar regions by the use of controlled laboratory experiments. The experimental part of the doctoral thesis focuses primary photosynthetic processes in mosses and lichens during their desiccation and photoinhibition. Another part of the thesis deals with the study of a shock freezing effects and the rate of recovery of primary photosynthetic processes in PSII of Antarctic microalgae. In the experiments, the following methods of chlorophyll fluorescence were used: slow Kautsky kinetics of chlorophyll fluorescence (KK), fast induction kinetics of chlorophyll fluorescence (OJIP), and the measurements of chlorophyll fluorescence parameters during the early phase of photoinhibition. Successful growth of cryptogamic poikilohydric organisms (mosses, lichens, algae) in Antarctica is undoubtedly caused by their poikilohydric character, and the ability to balance their hydration status with surrounding environment. Apart of water availability, low temperature and high radiation in austral summer season may limit their growth substantially. Due to this reason, two dominant stress factors, the response of the organisms, respectively, have been studied, i.e. desiccation and photoinhibition. Moreover, the effect of extremely low temperature (shock freezing) on viability of microalgal cells, and the recovery of primary photosynthetic processes have been studied as well. The doctoral thesis sums up the results that have been presented in 6 scientific papers dealing with the application of different methods (mainly chlorophyll fluorescence) in the measurements of (1) desiccation stress (Orekhova et al. 2018a, Orekhova et al. 2021a, Barták et al. 2021), (2) high light stress (Orekhova et al. 2021b), and shock freezing stress (Orekhova et al. 2018b, Orekhova et al. 2019). In the doctoral thesis, other biophysical methods of the measurements of stress in mosses and lichens, such as spectral reflectance measurements, have been used as well.

Keywords

mechy, lišejníky, řasy, dehydratace, fotoinhibice, šokové zmrazení, parametry fluorescence chlorofylu, algae, mosses, lichens, desiccation, photoinhibition, shock freezing, parameters of chlorophyll fluorescence

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 6. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 16. 7. 2021
• Supervisor: prof. Ing. Miloš Barták, CSc.
• Reader: prof. RNDr. Martin Bačkor, DrSc., doc. RNDr. Martina Špundová, Ph.D., doc. Mgr. Otmar Urban, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Plant Anatomy and Physiology / Plant Physiology and Anatomy