SpatiotemporaI heterogeneity and limitation of primary photosynthetic processes over a leaf area in selected model plants as affected by heavy metals combined wlth high light stress

Davide Giordano, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Znečištění těžkými kovy, zejména kadmiem (Cd), představuje rostoucí problém v oblasti životního prostředí a bezpečnosti potravin pro suchozemské ekosystémy a zemědělství. Rostliny rostoucí v půdách kontaminovaných Cd mohou být současně vystaveny nadměrnému slunečnímu záření, avšak kombinované fyziologické účinky kadmia a stresu způsobeného intenzivním osvětlením (HL) na fotosyntetický aparát nejsou dosud zcela objasněny. Navíc, ačkoli je chlorofylová fluorescence (ChlF) dobře zavedeným neinvazivním nástrojem ve fyziologii stresu rostlin, časoprostorová heterogenita parametrů ChlF v různých částech listu při kombinovaném stresu nebyla dosud dobře kvantifikována. Tato doktorská práce se zabývá oběma těmito mezerami prostřednictvím čtyř vzájemně propojených studií využívajících Arabidopsis thaliana a Solanum lycopersicum (rajče) jako modelové systémy. Studie 1 charakterizovala dávkově závislé účinky stresu způsobeného Cd a kombinovaného stresu Cd + HL na primární fotosyntézu u A. thaliana a prokázala, že Cd působí především na donorovou stranu fotosystému II (PSII) – konkrétně na komplex uvolňující kyslík (OEC) – a to pomocí analýzy transientů OJIP, Kautskyho kinetiky a křivek rychlosti transportu elektronů. Kombinovaný stres Cd a HL vyvolal synergické inhibiční účinky na účinnost PSII. Studie 2 rozšířila tuto analýzu na prostorovou heterogenitu, porovnala divoký typ A. thaliana a mutanta aba1-6 s deficitem zeaxanthin s deficitem epoxidázy a představila integrovaný postup pixelového zobrazování Chl zahrnující analýzu koeficientu variace, Hartiganův dip test, detekci režimů založenou na REBMIX a bimodální separační index S. Tento postup odhalil, že stresem indukovaná prostorová heterogenita je specifická pro dané parametry a vyvíjí se odlišně v případě Cd oproti kombinovaným stresorům. Studie 3 a 4 aplikovaly tento postup na agronomicky relevantní scénáře u rajčat: Studie 3 prokázala, že doplnění síranu amonného zhoršilo Cd-indukované narušení fotosyntézy, přičemž prostorová analýza odhalila inhibici soustředěnou do cévní oblasti; studie 4 ukázala, že listová aplikace nanočástic stříbra a zinku účinně zmírnila pokles fotosyntetické účinnosti a růstu vyvolaný Cd, přičemž zároveň identifikovala zkreslení přeživších jako kritický matoucí faktor při fenotypování založeném na ChlF za podmínek silného stresu. Tyto výsledky společně představují ověřený a snadno použitelný postup pro analýzu časoprostorové heterogenity ChlF, který je použitelný u různých druhů rostlin a za různých stresových podmínek a má přímý význam pro precizní zemědělství a včasnou detekci stresu u plodin kontaminovaných kadmiem.

Abstract:

Heavy metal contamination, cadmium (Cd) in particular, represents a growing environmental and food safety challenge for terrestrial ecosystems and agriculture. Plants growing in Cd-contaminated soils may simultaneously experience excess light radiation, yet the combined physiological effects of Cd and high light (HL) stress on the photosynthetic apparatus remain incompletely understood. Moreover, although chlorophyll fluorescence (ChlF) is a well-established non-invasive tool in plant stress physiology, the spatiotemporal heterogeneity of ChlF parameters over leaf areas under combined stress has not been well quantified. This doctoral thesis addresses both of these gaps through four interconnected studies using Arabidopsis thaliana and Solanum lycopersicum (tomato) as model systems. Study 1 characterised the dose-dependent effects of Cd and combined Cd + HL stress on primary photosynthesis in A. thaliana, demonstrating that Cd primarily targets the donor side of Photosystem II (PSII) – specifically the oxygen-evolving complex (OEC) – through OJIP transient analysis, Kautsky kinetics, and electron transport rate curves. Combined Cd and HL stress produced synergistic inhibitory effects on PSII efficiency. Study 2 extended this analysis to spatial heterogeneity, comparing wild-type A. thaliana and the zeaxanthin epoxidase-deficient aba1-6 mutant, and presenting an integrated pixel-wise ChlF imaging pipeline incorporating Coefficient of Variation analysis, Hartigan's dip test, REBMIX-based mode detection, and the bimodal separation index S. The pipeline revealed that stress-induced spatial heterogeneity is parameter-specific and develops differently under Cd versus combined stressors. Studies 3 and 4 translated the pipeline to agronomically relevant scenarios in tomato: Study 3 demonstrated that ammonium sulfate supplementation exacerbated Cd-induced photosynthetic impairment, with spatial analysis revealing vascular region-centred inhibition; Study 4 showed that foliar application of silver and zinc nanoparticles effectively mitigated Cd-induced decline in photosynthetic efficiency and growth, while also identifying survivor bias as a critical confounding factor in ChlF-based phenotyping under severe stress. Together, these results establish a validated, accessible spatiotemporal ChlF heterogeneity pipeline applicable across species and stress conditions, with direct relevance to precision agriculture and early stress detection in Cd-contaminated crops.

Keywords

Cadmium stress, Chlorophyll fluorescence, Spatiotemporal heterogeneity, High Light stress, Plant phenotyping

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 8. 7. 2026

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 24. 9. 2026
• Vedoucí: prof. Ing. Miloš Barták, CSc.
• Oponent: doc. Mgr. Otmar Urban, Ph.D., Prof. Bronislaw Wojtun, PhD, doc. Ing. Marek Živčák, PhD.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Anatomie a fyziologie rostlin / Anatomie a fyziologie rostlin