Μελέτη της επίδρασης του αργιλίου (Al) σε δύο καθαρές σειρές καλαμποκιού (Zea mays L.) με διαφορετική ανθεκτικότητα ως προς το Al

Abstract

The aim of this dissertation was to study the effect of Αl on Zea mays plants. More specificly were investigated at a morphological, cytological and physiological level two maize inbred lines with different Al tolerance. Seed germination experiments indicated that low concentrations οf Al did not influence substantially the germination process either of the two inbred lines. On the contrary, the high concentrations of Al had a negative affect upon (particularly in the sensitive inbred line) the seed germination and the indicator of tolerance elongation of root of plants. Concurrently at the biochemical level the concentration of Al in the nutritious solution was positively correlated with the concentration of Al, proline, the carbohydrates, the lipid peroxidation (malondialdeyde) H2O2, in the root and in the shoot-leaves. However the tendency of the distribution of all the parameters in the tissues of the tolerant and sensitive inbred line appeared to be different. Specifically the tolerant maize line seem to endure low level of lipid peroxidation and to accumulate higher levels of carbohydrates and proline which are related to the osmoregulation and the membrane stabilization. These observations suggest an efficient metabolism system in the tolerant maize line VA-22 during Al stress. Nevertheless, in both of the two inbred lines, the accumulation of Al in the roots appeared to be higher compared to the transport of the metal in the upper parts of plants. As far as the toxic effect of high concentrations of Al is concerned a negative correlation with the elements K, Mg, Fe and Mn became apparent. Generally, low concentrations of Al did not influence the uptake and transport of nutritious elements from roots to shoots-leaves, in the tolerant inbred line. Likewise, the tolerant line retained larger concentrations of Ca2+, Mg2+ and K+, measured in roots and in shootsleaves, compared to the sensitive inbred line A4/67. From the cytological results it was realised that the concentration of 60 mM Al for 24 hours did not cause serious damage in the root. In particular, it was observed increase of vacuoles (vacuolization) and shrink of cellular membrane. In regard to the the electrophoretic studies, it appeared that the concentration of 240 mM Al on the third day caused the appearance of one of low molecular weight DNase only in the ensitive inbred line. Also it appeared one low molecular weight DNase in the concentration of 360 mM Al on the fifth day and only in the sensitive inbred line. Serious differences were observed between the two inbred lines after 24, 48 and 72 hours of exposure to aluminium. More specific in the tolerant inbred line there was an increase in the activity of antioxidant enzymes (there were found increased SOD and POX activity in the roots, contrary to the sensitive inbred line where a reduction in the activity of SOD and POX enzymes was observed). Μοre specificly the anionic POD isoforms profiles and the SOD isoforms profiles showed that in the Al-tolerant maize plants the anionic POD isoforms A2 and A4 and the SOD isoforms SOD1 and SOD2 were induced by increased Al-stress. It seemed that in the Al tolerant maize line, the anionic POD isoforms A2 and A4 and the SOD isoforms SOD1 and SOD2 were required for adaptation as the oxidant level increased by the increased Al stress. The results of the present study suggest that Al toxicity may be mediated by oxidative stress, and that the better protection of the Al tolerant maize roots from Al-induced oxidative damage results, at least partially, from the increased activity of their antioxidative system. Thus, the ability of tolerant inbred line to increase the antioxidant activity of the system with aim to limits the cellular damage can be a mechanism that leads to the Al tolerance. Εlectrophoretic analysis of phosphatases and esterases isoforms had different electrophoretic pattern in both enzymes. In the tolerant inbred line appeared six esterases isoforms (EST1, EST4, EST5, EST6, EST7, EST8) and four phosphatases isoforms (ACP1, ACP2, ACP5, ACP6) while in the sensitive inbred line appeared five esterases isoforms (EST4, EST5, EST6, EST7, EST8) and five phosphatases isoforms (ACP3, ACP4, ACP6, ACP7, ACP8). Specificly the activity of phosphatases and esterases isoforms in the tolerant inbred line increased especially in the highest Αl concentration (480 μΜ), but on the contrary in the sensitive line the activity of those enzymes decreased in this concentration. ...........................................................

Σκοπός αυτής της διατριβής ήταν η μελέτη της συμπεριφοράς του καλαμποκιού (Zea mays L.) στην επίδραση του Al. Πιο συγκεκριμένα διερευνήθηκε η επίδραση του Al σε μορφολογικό, κυτολογικό, βιοχημικό και φυσιολογικό επίπεδο σε δύο καθαρές σειρές καλαμποκιού (VA-22, A4/67), με διαφορετική ανθεκτικότητα ως προς σε αυτό. Από τα πειράματα της φυτρωτικότητας των σπερμάτων διαπιστώθηκε ότι σε χαμηλές συγκεντρώσεις Αl δεν επηρεάστηκε ουσιαστικά η φύτρωσή τους σε καμία από τις δύο καθαρές σειρές. Αντίθετα οι υψηλές συγκεντρώσεις Αl στην ευαίσθητη καθαρή σειρά, επέδρασαν αρνητικά ιδιαίτερα στη φυτρωτικότητα των σπερμάτων και στο επί τις % μήκος της ρίζας (δείκτη ανθεκτικότητας) των φυτών. Παράλληλα, σε βιοχημικό επίπεδο η συγκέντρωση του Αl στο θρεπτικό διάλυμα συσχετίστηκε θετικά με τη συγκέντρωση των υδατανθράκων της προλίνης, της υπεροξείδωσης των λιπιδίων (μηλονυλο-διαλδεύδης) και τoυ H2O2 στη ρίζα και στο βλαστό. Διαφορετική όμως εμφανίστηκε η τάση κατανομής όλων των παραπάνω παραμέτρων στους ιστούς της ανθεκτικής και της ευαίσθητης καθαρής σειράς. Η ανθεκτική καθαρή σειρά διατήρησε χαμηλό το επίπεδο της υπεροξείδωσης των λιπιδίων με παράλληλη συσσώρευση υψηλότερων επιπέδων υδατανθράκων και προλίνης, οι οποίοι σχετίζονται με την οσμωρυθμιστικότητα και την σταθεροποίηση των μεμβρανών. Όλες αυτές οι παρατηρήσεις δείχνουν ένα πολύ αποδοτικό μεταβολικό σύστημα στην ανθεκτική καθαρή σειρά VA-22 κατά τη διάρκεια της καταπόνησης με Al. Παρόλα αυτά, και στις δύο καθαρές σειρές, η συσσώρευση του Αl ήταν αυξημένη στις ρίζες και σχετικά περιορισμένη η μεταφορά του στο υπέργειο τμήμα των φυτών. Σε ότι αναφορά την τοξική επίδραση των υψηλών συγκεντρώσεων του Αl εμφανίστηκε αρνητική συσχέτιση με τα στοιχεία K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+ και Mn2+. Γενικά μικρές συγκεντρώσεις Αl δεν επηρέασαν την πρόσληψη και μεταφορά των θρεπτικών στοιχείων από τη ρίζα στο βλαστό-φύλλα, στην ανθεκτική καθαρή σειρά. Από τα κυτολογικά αποτελέσματα διαπιστώθηκε ότι συγκέντρωση 60 μΜ Αl για 24 ώρες δεν προκάλεσε σοβαρές βλάβες στη ρίζα. Συγκεκριμένα παρατηρήθηκε αύξηση του αριθμού των χυμοτοπίων στη ρίζα, πάχυνση και έντονο χρωματισμό των κυτταρικών τοιχωμάτων της εξωδερμίδας και του πρωτογενούς φλοιού. Με βάση την ηλεκτροφορητική ανάλυση των ισομορφών των νουκλεολυτικών ενζύμων στη ρίζα, βρέθηκε ότι μετά από την επίδραση Αl συγκέντρωσης 240 μΜ για τρεις ημέρες, προκλήθηκε η εμφάνιση μιας χαμηλού μοριακού βάρους DNάσης μόνο στην ευαίσθητη καθαρή σειρά. Αντίστοιχα παρουσιάστηκε στο βλαστό μετά από την επίδραση Αl συγκέντρωσης 360 μΜ για πέντε ημέρες, μια επίσης χαμηλού μοριακού βάρους DNάση και μόνο στην ευαίσθητη καθαρή σειρά. Σοβαρές διαφορές εξάλλου, παρατηρήθηκαν ανάμεσα στις δύο καθαρές σειρές μετά από 24, 48 και 72 ώρες έκθεσης στο Al. Συγκεκριμένα στην ανθεκτική καθαρή σειρά είχαμε αύξηση της δραστικότητας των αντιοξειδωτικών ενζύμων SOD και POD στις ρίζες ενώ αντίθετα στην ευαίσθητη καθαρή σειρά είχαμε μείωση της δραστικότητάς τους. Συγκεκριμένα το ηλεκτροφορητικό πρότυπο των ανιονικών ισομορφών των POD (ισομορφές A2 και A4) καθώς και το πρότυπο των ισομορφών των SOD (ισομορφές SOD1 και SOD2) έδειξε ότι στην ανθεκτική καθαρή σειρά, η δράση των ενζύμων είναι ανάλογη με την καταπόνηση με Al. Φαίνεται ότι στην ανθεκτική καθαρή σειρά, oι ανιονικές POD ισομορφές A2 και A4 και οι SOD ισομορφές SOD1 και SOD2 απαιτούνται για την προσαρμογή καθώς το οξειδωτικό επίπεδο αυξάνεται με την αύξηση της καταπόνησης με Al. Σύμφωνα με τις παραπάνω παρατηρήσεις προκύπτει ότι η καλύτερη προστασία των ριζών της ανθεκτικής καθαρής σειράς από την πρόκληση οξειδωτικών καταστροφών, λόγω της τοξικότητας του Al, τουλάχιστον εν μέρει, προέρχεται από την αυξημένη δραστικότητα των αντιοξειδωτικών ενζύμων ( POD και SOD). Έτσι η ικανότητα της αύξησης της αντιοξειδωτικής δράσης του συστήματος στην ανθεκτική καθαρή σειρά, με σκοπό τον περιορισμό των κυτταρικών βλαβών μπορεί να είναι ένας μηχανισμός που οδηγεί στην ανθεκτικότητα στο Αl. Η ηλεκτροφορητική ανάλυση των ισομορφών τόσο των φωσφατασών όσο και των εστερασών παρουσίασε διαφορετικό ηλεκτροφορητικό πρότυπο και στα δύο αυτά ένζυμα. ....................................................................................