Signalling mechanisms involved in regulation of water use in hop plants

Mgr. Halyna Korovetska, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato práce je zaměřená na oblast signálních mechanismů podílejících se na reakci rostlin na pokles množství vody v půdě. Existence a případně i identita dálkových chemických signálů vznikajících v kořenech a přenášených do listů je u rostlin s dlouhými stonky stále nejasná. Zaměřili jsme se proto především na zjištění přítomnosti a identity potenciálních chemických signálů, jejich dynamiku v čase a jejich vztah k rychlost transpirace během poklesu dostupnosti vody v půdě u rostlin chmele (Humulus lupulus L.). Další část práce pak zkoumá, jestli změny pH a chemického složení v xylému několika druhů bylin jsou významnou součástí signálních mechanismů, které přispívají ji k efektivnímu využívání vody v rostlinách. Ukázali jsme, že rychlost transpirace u rostlin chmele klesá ještě před tím, než dojde ke změně vodního potenciálu nadzemní části. Tento vztah ukazuje na přítomnost mechanismu dálkové signalizace poklesu dostupnosti vody v půdě. Koncentrace kyseliny abscisové (ABA) v xylémové šťávě nepřetržitě stoupala od počátečních až do pozdějších fází poklesu obsahu vody v půdě. Naproti tomu v listech rostlin chmele se její koncentrace zvýšila pouze v pozdějších fázích. Zjistili jsme také, že pH xylémové šťávy stonku stouplo zároveň s poklesem rychlosti transpirace. Alkalizace xylémové šťávy byla v některých případech doprovázena snížením koncentrace dusičnanů a zvýšením koncentrace malátu. Kromě změn koncentrace ABA a pH xylémové šťávy, také další změny složení xylémové šťávy mohou potenciálně sloužit jako dálkové signály z kořenů do listů. Mezi sledovanými ionty se pouze koncentrace sulfátu trvale zvyšovala od počátku až do pozdějších fází vysychání půdy. Prokázali jsme také, že sulfát zesílil efekt vyšších koncentrací ABA na zavírání průduchů na listech chmele. Domníváme se, že zřejmě hned několik chemických signálů může spolupůsobit v listech rostlin chmele v průběhu poklesu dostupnosti vody v půdě. Významnost jejich vlivu na rychlost transpirace se však může měnit v závislosti na stupni vysušení půdy. Koncentrace všech ABA metabolitů (s výjimkou koncentrace ABA glukosyl esteru v listech) se zvýšily velmi podobně v listech i xylémové šťávě přibližně při stejném úrovni obsahu vody v půdě a když také poklesl relativní obsah vody v listech. Převažujícími metabolity v listech a xylémové šťávě byly kyselina phaseová a dihydroxyphaseová. Výsledky ukazují, že ABA glukosyl ester nebyl s největší pravděpodob- ností zdrojem zvýšené koncentrace ABA v listech a xylémové šťávě, protože jeho koncentrace byla výrazně nižší než koncentrace ABA. Také jsme zjistili, že koncentrace jasmonátu se v listech chmelových rostlin snížila. Zjištěné změny koncentrace auxinu naznačují, že tento hormon se také může podílet na reakci rostlin chmele v průběhu poklesu dostupnosti vody v půdě. Testovali jsme několik hypotéz týkajících se mechanismu změn pH v xylému. Pro experimenty bylo vybráno osm druhů bylin z různých taxonomických skupin a s různými strategiemi asimilace dusíku. Patřily mezi ně zástupci vikvovitých (Pisum sativum L., Trifolium repens L., Lotus corniculatus L. a Phaseolus coccineus L.), ale i některé další druhy (Helianthus annuus L., Triticum aestivum L., Brassica napus L. a Raphanus sativus L.). Ukázali jsme, že druhy se mezi sebou výrazně lišily v dynamice změn pH xylémové šťávy v průběhu poklesu dostupnosti vody v půdě. Změny pH xylémové šťávy během vysychání půdy nebyly závislé na strategii a hlavním místě asimilace dusíku, ale zřejmě mohou být ovlivněny rychlostí toku xylémové šťávy. Vzájemné vztahy mezi koncentracemi anorganických a organických aniontů v

Abstract:

xylému byly vysoce druhově specifické. Vysoká variabilita mezi jednotlivými druhy v analyzovaných vztazích při reakci na sucho ukazuje, že srovnání mezi různými studiemi a zobecňování výsledků by mělo být prováděno s velkou opatrností.

Abstract:

This thesis is focused on the area of signalling mechanisms involved in the response of plants to soil drying. The existence and possibly identity of a chemical long-distance signalling mechanism between roots and leaves in plants with a long stem such as climbing plants is unclear. Therefore, we mainly focused on the occurrence and identity of potential chemical signals, their dynamics and their relationships with transpiration rate during soil drying in hop (Humulus lupulus L.) plants. In addition to specific observations on hops we explored if dynamics of changes in composition of xylem sap in several herbaceous plants is an essential part of signalling mechanism contributing to efficient use of water in plants. We showed that transpiration rate decreased prior to changes in shoot water potential in hop plants indicating presence of an early signalling mechanism under soil drying. Concentration of abscisic acid (ABA) in xylem sap continuously increased from early to later stages of water stress, whereas in leaves of hop plants it increased only at later stages. We also found that shoot sap pH increased simultaneously with the decrease of transpiration rate. Xylem sap alkalization was in some cases accompanied by a decrease in nitrate concentration and an increase in malate concentration. Apart from changes in ABA and sap pH, other changes in the ionic composition of xylem sap may potentially act as a signal in root to shoot communication. Among the ions analyzed in this study only the concentration of sulphate continuously increased from the early to the later stages of drought stress. The sulphate in combination with a higher ABA concentration also enhanced stomatal closure. We conclude that several potential early chemical signals from xylem may jointly influence stomata of hop plants under soil drying. The significance of their impact on transpiration may, however, vary according to the stage of soil drying. The concentrations of all ABA metabolites (except the concentration of ABA glucosyl ester in leaves) increased in the same manner in leaves and xylem sap approximately at the same level of soil water content when the relative water content of leaves decreased. The predominant metabolites in leaves and xylem sap were phaseic acid and dihydroxyphaseic acid. The results indicate that ABA glucosyl ester was not most probably a source of the increased concentration of ABA in leaves and xylem sap because of its considerably lower concentration compared to ABA. We also found that concentration of jasmonates decreased in leaves of hop plants. Changes in auxin concentration suggest that this hormone may also be involved in the response of hop plants to soil drying. We tested several hypotheses related to the mechanism of pH changes in xylem. Eight herbaceous species from different taxonomical groups and with different nitrogen assimilation strategies were chosen for the experiments. These included legumes (Pisum sativum L., Trifolium repens L., Lotus corniculatus L. and Phaseolus coccineus L.) and non-legumes species (Helianthus annuus L., Triticum aestivum L., Brassica napus L. and Raphanus sativus L.). We showed that species differed considerably in the dynamics of pH changes in xylem in drying soil. Changes in xylem sap pH during drying did not relate to the nitrogen assimilation strategy or primary site of nitrogen assimilation but may have been affected by sap flow rate. Simultaneous changes in the concentrations of inorganic and organic anions were highly species specific. We conclude that high variability among species in the observed relationships in response to drought indicates that comparisons among different studies and the generalization of results should be made with caution.

Keywords

soil drying, hops, long distance signalling, xylem sap, nitrate, malate, sulphate, abscisic acid (ABA), ABA metabolites, ABA glucosyl ester, relative water content, transpiration rate, pokles množství vody v půdě, chmel, dálková signalizace, xylémová šťáva, dusičnany, malát, sulfát, kyselina abscisová (ABA), ABA metabolity, ABA glukosyl ester, relativní obsah vody v listech, rychlost transpirace

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 1. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 8. 2. 2017
• Supervisor: doc. RNDr. Vít Gloser, Ph.D.
• Reader: doc. Ing. Josef Urban, Ph.D., prof. Ing. Jiří Šantrůček, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Plant Anatomy and Physiology