Reakce rostlin na zvýšenou intenzitu UV záření v závislosti na chromosomální struktuře

Bc. Klára Plačková

Bachelor's thesis

The response of plants to higher UV-radiation in respect to their chromosomal structure

Abstract:

Holocentrické chromosomy vznikly vícekrát během evoluce eukaryot. Důvod jejich opakovaného vzniku by mohl souviset s tím, že druhy, které je mají, mohou snáze přežívat při zvýšeném UV-B záření. Kinetochory, tvořené na většině délky těchto chromosomů, umožňují přenos chromosomálních fragmentů do dceřiných buněk, zatímco u hojněji se vyskytujících druhů s monocentrickými chromosomy jsou acentrické fragmenty v následných děleních ztraceny, což se zpravidla neobejde bez letálních následků. Jedním z faktorů způsobujících chromosomální zlomy je právě UV-B záření. V laboratorních studiích bylo prokázáno, že škodlivé účinky UV-B záření může mírnit endopolyploidie, která umožňuje úspornější růst prostřednictvím expanze buněk a poskytuje čas na případnou reparaci. Dosud však nebyla endopolyploidní odpověď rostlin na UV-B záření zkoumána v přírodních populacích, ani v souvislosti s typem chromosomů (holocentrických nebo monocentrických). Proto jsme v párově designovaném přírodním experimentu měřili cytometricky míru endopolyploidie a spektrofotometricky množství UV-B protektivních látek u rostlin stejného druhu jak z lesního podrostu (505 vzorků), tak ze sousední paseky (503 vzorků). Pokus zahrnoval 4 druhy s holocentrickými chromosomy a 8 druhů s chromosomy monocentrickými. Intenzitu UV-B záření jsme kvantifikovali na základě sférických fotografií nad místem odběru a sklonu svahu. Pomocí lineárních smíšených modelů jsme modelovali míru endopolyploidie jako funkci pro intenzitu UV-B záření a množství UV-protektivních látek. Na základě výsledků těchto modelů můžeme říci, že u druhů s monocentrickými chromosomy je nárůst endopolyploidie v závislosti na intenzitě UV-B strmější než u druhů s chromosomy holocentrickými, u nichž nebyl nárůst endopolyploidie významný. Ke stejnému výsledku lze dospět, i když jako prediktor dávky UV-B záření využijeme množství vytvořených UV-protektivních látek. Rozdíly mezi druhy s holocentrickými a monocentrickými chromosomy však musíme interpretovat s opatrností, protože mohou být způsobeny i tím, že druhy s holocentrickými chromosomy reprezentovaly v naší studii především druhy z čeledi Cyperaceae, které mohou být proti účinkům UV-B záření chráněny také křemičitými tělísky ukládanými v epidermálních buňkách.

Abstract:

Holocentric chromosomes evolved independently during evolution of eukaryotes. The reason of their recurrent origin could relate to the fact that species with them should better survive increased UV-B radiation. Kinetochores formed along almost their whole length enable transmission of chromosomal fragments to the daughter cells while in much more abundant species with monocentric chromosomes, acentric chromosomal fragments are deleted in subsequent divisions that is usually lethal. One of the factors causing the chromosomal breaks is UV-B radiation. In laboratory experiments, it has been shown that the deleterious effects of UV-B radiation can be moderated by endopolyploidy that enables low-cost growth via cell expansion and allows enough time necessary for reparation. So far, however, the endopolyploid response of plants to UV-B radiation has not been investigated in natural populations or in relation to the type of chromosomes (holocentric or monocentric). In a pair-designed natural experiment, therefore, we have analyzed cytometrically the degree of endopolyploidy and spectrophotometrically the amount of UV-B-protective compounds in conspecific plants from forest undergrowth (505 samples) as well as from adjacent glade (503 samples). The experiment included four species with holocentric and eight species with monocentric chromosomes. We estimated the intensity of UV-B radiation based on spherical photographs above the sampling site and the slope exposition. Using linear mixed models, we modeled the degree of endopolyploidy as a function of intensity of UV-B radiation and the amount of UV-protective compounds. Based on the results of these models, we can say that the increase of endopolyploidy in relation to the intensity of UV-B radiation is steeper in the species with monocentric chromosomes then in the species with holocentric chromosomes in which the increase of endopolyploidy was not significant. The same result can be obtained even if we apply the amount of created UV-protective compounds as a predictor of UV-B radiation dose. However, the variance between the species with holocentric and monocentric chromosomes have to be interpreted with caution, because it could be affected due to the fact that species with holocentric chromosomes are represented in our study mainly the species from family Cyperaceae, which can also be protected by the silica bodies located in epidermal cells against the effects of UV-B radiation.

Keywords

endopolyploidie, UV záření, UV-protektivní látky, flavonoidy, holocentrický chromosom, monocentrický chromosom, endopolyploidní index, přírodní experiment, endopolyploidy, UV radiation, UV-protective compounds, flavonoids, holocentric chromosome, monocentric chromosome, endoreduplication index, natural experiment

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 5. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 13. 6. 2019
• Supervisor: doc. RNDr. Petr Bureš, Ph.D.
• Reader: Mgr. Petr Šmarda, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Ecological and Evolutionary Biology / Ecological and Evolutionary Biology