Biological Activity of Substances with Strong Antisenescence Effect

Mgr. Zuzana KUČEROVÁ

Doctoral thesis

Abstract:

It is well known that leaf senescence can be suppressed by exogenous application of phytohormones cytokinins. Nevertheles, under specific conditions, cytokinins can have negative effects and can even accelerate senescence. For this reason there are efforts to prepare compounds (cytokinin derivatives) that lack those effects and have other advantageous properties. Recently, two aromatic cytokinin arabinosides (6-benzylamino-9B-D-arabinofuranosylpurines; BAPAs), 3-hydroxy- (3OHBAPA) and 3-methoxy- (3MeOBAPA) derivative have been synthesized and found to possess unique effects and mechanism of action. Analysis of gene expression that was performed on detached Arabidopsis thaliana L. leaves treated with 3MeOBAPA revealed that 6h and 48h treatments with this compound results in a shift in gene transcription toward defence. 3MeOBAPA causes upregulation of genes involved in plant innate immunity including MAPK signalling pathway together with oxidative burst and JA-ethylene signalling, which results in effective protection of field-grown plants against fungal pathogens. Long-term incubation of leaves in 3OHBAPA and 3MeOBAPA does not impair leaf fitness which is common during prolonged activation of defence response mechanisms, but on the contrary effectively delays senescence of detached leaves. Interestingly, the anti-senescence differs quantitatively in wheat (Triticum aestivum L. cv. Aranka) and Arabidopsis (Col-0). In wheat, 3OHBAPA has higher protective effect than 3MeOBAPA, whereas in Arabidopsis, 3MeOBAPA is the more efficient derivative. We have found that the different anti-senescent activity of 3OHBAPA and 3MeOBAPA is coupled to different ethylene production in the treated leaves: the lower the ethylene production, the higher the anti-senescence activity. 3OHBAPA and 3MeOBAPA also protect efficiently the senescing leaves of wheat and Arabidopsis against oxidative damage induced by both H2O2 and high-light treatment, which could also be connected with the low level of ethylene production.

Abstract:

Listovou senescenci lze oddálit exogenní aplikací fytohormonů cytokininů. Za určitých podmínek však mohou mít cytokininy negativní účinky a mohou naopak proces senescence urychlit. Z tohoto důvodu jsou připravovány látky na bázi cytokininů, které tyto negativní účinky nemají a mají další výhodné vlastnosti. V nedávné době byly připraveny dva aromatické cytokininové arabinosidy (6-benzylamino-9B-D-arabinofuranosylpuriny; BAPA), 3-hydroxy-derivát (3OHBAPA) a 3-methoxyderivát (3MeOBAPA), jejichž účinky a mechanismus účinku jsou jedinečné. Analýza genové exprese, která byla provedena na oddělených listech Arabidopsis thaliana L. ponořených v roztoku 3MeOBAPA po dobu 6 a 48 h, odhalila, že tato látka aktivuje geny zapojené v obraně proti patogenům. 3MeOBAPA aktivuje signální dráhy spojené s MAPK, ethylenem a kyselinou jasmonovou a způsobuje přechodnou akumulaci reaktivních forem kyslíku. Tyto reakce mohou vést ke zvýšení rezistence ošetřených rostlin, jak bylo ověřeno v polních experimentech. Ačkoliv dlouhodobá aktivace mechanismů zapojených v obraně proti patogenům má zpravidla za následek zhoršení fyziologického stavu rostlin, 3OHBAPA a 3MeOBAPA naopak vykazují velmi silné antisenescenční účinky. Tyto účinky se kvantitativně liší u oddělených listů pšenice (Triticum aestivum L. cv. Aranka) a Arabidopsis (Col-0). Zatímco v případě pšenice má vyšší antisenescenční účinek 3OHBAPA, u listů Arabidopsis je účinnější 3MeOBAPA. Tento rozdílný efekt je spojen s různou produkcí ethylenu v ošetřených listech: čím nižší je produkce ethylenu, tím vyšší je antisenescenční aktivita daného derivátu. 3OHBAPA a 3MeOBAPA také účinně ochraňují senescentní listy pšenice a Arabidopsis před oxidativním poškozením vyvolaným působením H2O2 a světla, což může rovněž souviset s nízkou produkcí ethylenu po aplikaci těchto látek.

Keywords

cytokininy, deriváty, senescence, pšenice, Arabidopsis, fotosyntéza

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 25. 10. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 16. 2. 2021
• Supervisor: doc. RNDr. Martina Špundová, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Biophysics