Využití spektrálně optických metod ke studiu vlivu teplot a světla na vlastnosti thylakoidních membrán a makroorganizaci PPC

Bc. Lenka KUCHAŘOVÁ

Master's thesis

Using of spectral optical methods for study of temperature and light influence on the properties of thylakoid membranes and PPC macroorganization

Abstract:

Cílem práce bylo studovat vliv zvýšené teploty a nadměrné ozářenosti na strukturu fotosyntetického aparátu. Hlavní metodou bylo měření nízkoteplotních (77 K) fluorescenčních spekter intaktních jehlic semenáčků smrku ztepilého (Picea abies L.) a listů huseníčku rolního (Arabidopsis thaliana). Oba typy rostlin byly pěstovány v růstových komorách při nízkých hodnotách fotosynteticky aktivní radiace (50 ?mol.m 2.s 1). Před samotným měřením byly vzorky aklimovány dvě hodiny na tmu a následně vystaveny teplotnímu (20 °C, 36 °C a 40 °C po dobu 15 nebo 5 minut) a světelnému (ozářenost 1 400 ?mol.m-2.s-1 po dobu 10 minut) stresu. Dále byl studován vliv 1 s světelných pulzů (1 400 ?mol.m-2.s-1) na reorganizaci fotosyntetického aparátu (odběr vzorku před a po 10. pulzu při teplotě 20 °C, 36 °C nebo 40 °C). V práci jsou také prezentovány výsledky HPLC analýzy pigmentů xantofylového cyklu, obsahu chlorofylů a vliv teploty na nefotochemické zhášení fluorescence. Během zvyšující se teploty došlo u smrku ztepilého k nárůstu agregace světlosběrných komplexů fotosystému II (ve tmě i na světle vykazovaly rostliny reorganizaci při 40 °C). Naproti tomu huseníček rolní nevykazoval ani při nejvyšší teplotě (40 °C) a působení nadměrné ozářenosti žádnou výraznou agregaci, ale na světle došlo k posunu maxima fotosystému I k nižším vlnovým délkám. Výsledky ukazují, že huseníček rolní je vůči působení vyšších teplot a kontinuální ozářenosti odolnější než semenáčky smrku ztepilého. V případě světelných pulzů došlo u smrku k reorganizaci struktury fotosyntetického aparátu při nižších teplotách (změny byly pozorované již při pokojové teplotě) a nebyl pozorován žádný výrazný rozdíl mezi vzorky odebranými před nebo po 10. pulzu. U huseníčku nedošlo při aplikaci pulzů k žádným výrazným změnám. Výsledky ukazují, že během teplotního stresu dochází k poklesu obsahu chlorofylů a narůstá nefotochemické zhášení fluorescence. Při působení světla došlo ve vzorcích k nárůstu obsahu zeaxantinu. Dílčím experimentem pak bylo sledování změn fluorescenčních spekter ječmene jarního (Hordeum vulgare L.) pěstovaného při různé kvalitě světla (modrá, zelená, červená). Výsledky potvrdily, že rostliny pěstované na bílém světle mají rozdílnou strukturu fotosyntetického aparátu, která se promítá do charakteru emisních i excitačních spekter.

Abstract:

The aim of the thesis was to study influence of high temperature and excessive irradiance on the structure of photosynthetic apparatus using 77 K fluorescence spectra of intact leaves of spruce (Picea abies L.) and thale cress (Arabidopsis thaliana). Both types of plants were grown in growth chamber under low photosynthetically active radiation (50 ?mol.m-2.s-1). Before the measurement plants were acclimated for 2 hours in the dark and then exposed to the temperature (20 °C, 36 °C, 40 °C for 15 or 5 minutes) and light (irradiance 1 400 ?mol.m-2.s-1 for 10 minutes) stress. Further, the influence of 1 second light pulses (1 400 ?mol.m-2.s-1) on reorganisation of photosynthetic apparatus (measurement of samples before or after 10th pulse at the temperatures 20 °C, 36 °C or 40 °C) was studied. Additionally, results of HPLC analyses of xanthophyll cycle pigments, content of chlorophylls and the influence of temperature on non-photochemical quenching of the fluorescence is presented. With the increase of temperature the aggregation of light-harvesting complexes of photosystem II was higher in spruce (both in the dark and in the light plants show reorganization at 40 °C). On the other hand, the thale cress didn´t show significant aggregation even at the highest temperature (40 °C) and excessive irradiation, but it showed the shift of emission maximum of photosystem I to shorter wavelengths. The results show that thale cress is more thermostable than spruce seedlings upon high temperature and continuous light stress. In the case of light pulses spruce showed the reorganisation of photosynthetic apparatus at lower temperatures (even at room temperature) and there was no significant difference between the samples taken before or after the 10th pulse. The thale cress didn´t show any significant changes after the application of light pulses. The results also show the decrease of chlorophyll content and increase of the non-photochemical quenching of fluorescence during the temperature stress. After the sample exposure to high light increase of zeaxanthin content was observed. Another experiment was focused on changes of fluorescence spectra of barley (Hordeum vulgare L.) grown under different quality of light (blue, green and red). The results confirmed that plants grown under white light have different structure of the photosynthetic apparatus that can be observed by the emission and excitation spectra.

Keywords

vysokoteplotní stres, nadměrná ozářenost, nefotochemické zhášení fluorescence (NPQ), nízkoteplotní fluorescenční spektra (77 K)

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 4. 2015

Accessible from:: 27. 4. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 5. 6. 2015
• Supervisor: Mgr. Martin Navrátil, Ph.D.

University of Ostrava

Faculty of Science

Master programme / field:
Applied Physics / Biophysics