Efektivní koncentrace polyolů v mechanizmech odolnosti lišejníků vůči nízkým teplotám

Bc. Lubomír Smejkal

Master's thesis

Effective concentration of polyols in mechanisms of lichen resistance to freezing temperatures

Abstract:

První částí mé diplomové práce je zpracování literární rešerše. Jejími hlavními body jsou mechanismy odolnosti lišejníků vůči nízkým a mrazovým teplotám a rozšíření poznatků o polyolech, kterými jsem se zabýval v mé bakalářské práci. Důležitou součástí je vypracování přehledné tabulky přirozených obsahů polyolů u různých lišejníků. Druhou částí pak je experimentální práce, kde se zabývám vlivem externě dodaného ribitolu na primární procesy fotosyntézy pomocí měření parametrů indukované fluorescence chlorofylu in vivo a snažím se potvrdit či vyvrátit předpokládanou účinnou koncentraci ribitolu, která pomáhá lišejníkům udržet fotosyntetické procesy aktivní i v mrazových teplotách. Prvním zjištěním je, že externě dodaný ribitol má pozitivní vliv na primární procesy fotosyntézy u lišejníků druhu Cetraria islandica a Flavocetraria nivalis. U lišejníku Cetraria islandica je přímý vliv prokazatelný za všech tří experimentálních teplot, tedy: 0 °C, –10 °C a –15 °C. Naproti tomu u lišejníku Flavocetraria nivalis byl prokazatelný vliv pouze na zvýšení hodnot parametrů FV/FM a FII, a to pouze za teploty 0 °C. Po srovnání všech tří lišejníků pak z toho vyplývá, že přímý vliv externě dodávaného ribitolu je podobný u lišejníků Xanthoparmelia somloensis (Gyelnik) Hale a Cetraria islandica, ale u druhu Flavocetraria nivalis je přímý vliv prokázán pouze u FV/FM a jediné teploty, a to 0 °C. Jedním z cílů bylo najít efektivní koncentraci ribitolu v mechanismech odolnosti experimentálních druhů lišejníků vůči nízkým teplotám. Z výsledků experimentální práce publikované v mé bakalářské práci u druhu lišejníku Xanthoparmelia somloensis (Gyelnik) Hale se 32mM koncentrace jevila jako efektivní. Z výsledků dvou experimentálních druhů Cetraria islandica a Flavocetraria nivalis však nelze tuto hypotézu potvrdit. Z grafů je patrné, že tato koncentrace nevykazuje pozitivní vliv na primární procesy fotosyntézy a její úlohu spíše přebírá 50mM koncentrace. Hledání a potvrzení efektivní koncentrace externě dodaného ribitolu v mechanismech odolnosti lišejníků si však vyžádá ještě hlubší zkoumání a řadu dalších experimentů. Bude to však nesmírně těžké, protože v těchto procesech hrají důležitou roli různé chemické a fyzikální faktory (pH, transport vody, sluneční energie, transport živin). Nedílnou součástí je také fyziologický stav studovaných lišejníků. Teplotní účinek na zvýšení hodnot NPQ se projevil u všech zkoumaných druhů lišejníků. Lišejníky Cetraria islandica a Flavocetraria nivalis vykazují nárůst při 0 °C, lišejník Xanthoparmelia somloensis (Gyelnik) Hale při 5 °C. Teplotní účinek týdenní expozice na hodnoty FV/FM a FII se u studovaných druhů sbíraných v Norsku neprojevil. Může to být způsobeno tím, že oba lišejníky sesbírané v Norsku jsou teplotně aklimovány na nižší teploty. Naproti tomu lišejník Xanthoparmelia somloensis (Gyelnik) Hale byl sesbírán v okolí Brna, a tak není teplotně aklimován na nižší teploty. Tento fakt se projevil poklesem hodnot parametrů indukované fluorescence chlorofylu FV/FM a FII při teplotě –5 °C. Podobný efekt popsal ve své studii Hájek et al. 2001. Vliv heterogenity fotosyntetických procesů uvnitř stélek studovaných druhů lišejníků může mít dopady na zjištěné hodnoty fotosyntetických parametrů indukované fluorescence chlorofylu. Keříčkovitá stélka je velmi složitý objekt. U takového typu stélky dochází k nerovnoměrnému rozložení dopadajícího slunečního záření. Je to způsobeno tím, že horní část stélek je tmavěji pigmentována než spodní nebo střední část. Hodnoty parametrů indukované fluorescence chlorofylu FV/FM a FII jsou tak v horní č

Abstract:

ásti stélky nižší, než ve střední části.

Abstract:

My bachelor thesis was composed of two basic parts. The first one was focused on a literature review on polyols (sugar alcohols), their role in lichen protection against low and freeze temperatures. The second part of my bachelor thesis was an experimental work. The main aim of the diploma thesis was to find effective concentrations of polyols, ribitol in particular, in mechanisms of lichen resistance to low and freezing temperatures. Thalli of foliose lichen species Xanthoparmelia somloensis (Gyelnik) Hale, with Trebouxia as a photobiont, were collected close to the Brno Lake dam, Czech Republic, in November 2006. The thalli were cleaned with deionized water. Then, a half of the selected segments were subjected to acetone rinsing. In acetone rinsed (AR) lichen segments, majority of secondary metabolites were extracted. Untreated (non-AR) and acetone-rinsed (AR) thalli were exposed to 32mM (5 g/l) or 50mM (7.8 g/l) ribitol for 10 min, left in closed Petri dishes under dim light for 24 h, and then exposed to the respective ribitol concentration for 10 min again. Thalli segments of control (C), non-AR and AR treatments were then closed into Petri dishes using Parafilm and cultivated at -5, 0, and +5 °C (LABIO, Prague, Czech Republic) under 300 μmol.m-2.s-1 of photosynthetically active radiation for 168 h. Every 24 h, parameters of chlorophyll fluorescence (potential yield of photochemical reactions in PS II – FV/FM, effective quantum yield of photochemical reactions in PS II – II and non-photochemical quenching of chlorophyll fluorescence – NPQ) were measured using a HFC-010 portable fluorometer (Photon Systems Instruments, Brno, Czech Republic). During cultivation, the Petri dishes were opened very shortly and lichen thalli were sprayed several times by demineralised water. In all the examined thalli segments, an apparent drop in potential yield of photochemical reactions in PS II (FV/FM) values was found after 24-h exposure to respective temperature. Maximum decrease in FV/FM was found at -5 °C, while the decrease was much less pronounced at 0 and +5 °C. Lower FV/FM values were usually found in control thalli than in acetone rinsed thalli segments (AR) and in non-AR. Application of ribitol affected FV/FM values only at -5 °C. While positive effect on FV/FM was apparent in thalli treated with 32mM ribitol, negative effect occurred when treated with 50mM ribitol. Effective quantum yield of photochemical reactions in PS II (II) showed similar response to temperature treatments as FV/FM. Absolute II values decreased with treatment temperature. Positive effect of 32 mM ribitol on II was found at -5 °C in AR thalli while no such response was apparent in non-AR thalli.

Keywords

Klíčová slova, lišejníky, polyoly, ribitol, manitol, arabitol, nízké a mrazové teploty, Xanthoparmelia somloensis (Gyelnik) Hale, Trebouxia Key-words, lichens, polyols, sugar alcohols, mannitol, low and freezing temperatures, Trebouxia

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 5. 2010

Thesis defence

• Date of defence: 22. 6. 2010
• Supervisor: Mgr. Josef Hájek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Chemistry / Upper Secondary School Teacher Training in Biology