Changes in higher plants induced by a defined heating regime and heat stress-related plant recovery

Mgr. Jiří FROLEC

Doctoral thesis

Abstract:

Záměrem disertační práce bylo studium dopadů vysokoteplotního stresu na různé úrovně vyšších rostlin a vratnost takto vyvolaných změn. K monitorování samotného fotosyntetického aparátu byly použity především techniky fluorescence chlorofylu ? fluorescenční teplotní křivka (FTC) a velmi rychlý indukční jev (FLR). Kromě těchto změn byla také zjišťována odezva na buněčné úrovni, konkrétně pohyb chloroplastů. Pro komplexnější pohled na dopady vysokoteplotního stresu bylo využito několik rozdílných teplotních režimů a velké rozmezí stresových teplot. Cílem první části experimentální práce bylo charakterizovat a popsat dopady lineárního ohřevu/ochlazování při různých rychlostech (0,5; 1; 2 nebo 3 °C min-1) na změny fluorescence chlorofylu v listech ječmene (tj. měření FTC). Plně vratná funkce fotosystému II (PSII), detekovaná chlorofylovou fluorescencí, byla sledována pouze do teploty 42 °C. Alespoň částečná vratnost pokračovala až ke stresovým teplotám v rozmezí od 52 °C (pro rychlost 0,5 °C min-1) do 59 °C (3 °C min-1). Pro každou rychlost ohřevu byla také vyhodnocena aktivační energie nutná k uskutečnění počáteční nevratnosti fluorescence při nižších stresových teplotách. Její hodnoty (průměrně 41 kJ mol-1) mírně klesaly s rostoucí rychlostí ohřevu a odrážejí spíše menší strukturní změny v PSII. Na základě výsledků fitování se pro nevratné změny fluorescence jeví jako nejpravděpodobnější důvod ireversibilní uzavření určité části reakčních center, tj. akumulace QA-. Druhá část experimentální práce sledovala dopad lineárního (2 °C min-1) a skokového (5minutová inkubace) vysokoteplotního stresu na pohyb chloroplastů, který byl vyvolán světly o různých intenzitách. Změny v pohybu chloroplastů způsobené teplotním stresem byly detekovány při pokojové teplotě metodou kolimované transmitance listu. Zatímco inkubace vzorku při teplotě 35 °C po dobu 5 minut představovala optimální podmínky pro pohyb chloroplastů, po vystavení listů teplotám kolem 40 °C tento pohyb ustával a pro nejvyšší měřené teploty (45 °C) byla schopnost pohybu inhibována téměř úplně. Aplikovaný stres způsobil inhibici pohybu chloroplastů za nižších stresových teplot (40 - 42 °C) oproti funkci PSII, která byla detekována měřením parametrů odvozených z FLR křivek (42 - 45 °C). Ve srovnání s lineárním teplotním režimem byl tento rozdíl v citlivosti obou metod výraznější v případě teplotního skoku, což opět poukazuje na rozhodující roli zvoleného teplotního režimu. Omezená schopnost pohybu je pravděpodobně důsledkem poškození buněčného cytoskeletu. Předpokládáme, že tato inhibice může přispívat k ochraně většiny chloroplastů v listu před fotoinhibičním poškozením. Měření kolimované transmitance tak představuje velmi citlivou metodu, která je vhodná pro včasnou detekci počátečních negativních dopadů vysokoteplotního stresu.

Abstract:

The thesis focuses on study of heat stress effects and the reversibility of the resultant changes. The use of a variety of heating regimes (T-jump and linear heating with various heating rates) and comparison of their impact, formed the major part of the work. The first experimental part deals with the reversibility of the fluorescence temperature curve (FTC) measured using four different heating/cooling rates (0.5, 1, 2 or 3 °C min-1). The degree of fluorescence irreversibility after the heating/cooling cycle, a set of tangents of selected linear parts of the FTC and a denaturation model of transforming a photosystem II (PSII) from being fully functional into to an adversely changed one, were used for detailed evaluation of the measured data. A fully reversible response of PSII function as reflected in the reversibility of chlorophyll fluorescence, was found for maximal temperatures (Tm) of linear heating up to 42 °C. A partially reversible response occurred up to temperatures between 52 and 59 °C depending on the heating/cooling rate (from 0.5 to 3 °C min-1). We applied the model to calculate activation energies (Ea) of this initial increase in the fluorescence irreversibility separately for each heating rate. Four different approaches led to values of from 30 to 50 kJ mol-1, and these decreased slightly with the increasing heating rate. The assumptions used for the Ea evaluation suggest that the unrecoverable part of fluorescence changes is caused by irreversible closure of certain PSII reaction centers (i.e. the accumulation of QA-). The second part of the thesis deals with the impact of linear and temperature-jump heat stress on light-induced chloroplast movement. The leaf segments were either linearly (2 °C min-1) heated up to Tm or incubated for 5 min in a water-bath at the same temperature. The changes in light-induced chloroplast movement caused by the HS pretreatment were detected after the particular heating regime at 25 °C using a method of time-dependent collimated transmittance (CT). For each sample, the chlorophyll a fluorescence rise (FLR) was also measured to determine changes in PSII function caused by the HS and for comparison of sensitivity of the two methods. To evaluate the effect of the HS regime on the samples more accurately, we calculated 6 fluorescence parameters from the JIP-test and 4 transmittance parameters (amplitudes and rates of chloroplast translocation for both accumulation as well as avoidance response). The HS began to inhibit the chloroplast movement at lower stress temperatures (40 - 42 °C) than PSII function, as reflected in the FLR curves (42 - 45 °C). This difference in sensitivity of CT and FLR was higher for the T-jump than for the linear HS, indicating the importance of the applied heating regime. For the highest Tm (45 °C), the motility of chloroplasts was almost completely inhibited. We tentatively propose that the inhibition of chloroplast movement at higher temperatures may enhance the shielding function of the exposed upper layer of chloroplasts and help protect other chloroplasts located deeper inside the leaf from photoinhibitory damage. Moreover, measurement of collimated transmittance changes, caused by light-induced chloroplast movement, proved to be a sensitive method for use too, in the early detection of the adverse effects of elevated temperatures.

Keywords

Fluorescence chlorofylu, fluorescenční indukční jev, fluorescenční teplotní křivka, nevratnost, pohyb chloroplastů, vysokoteplotní stres

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 12. 2010

Accessible from:: 20. 12. 2010

Thesis defence

• Date of defence: 20. 12. 2010
• Supervisor: Prof. RNDr. Jan Nauš, CSc.

PALACKÝ UNIVERSITY IN OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Biophysics