Φωτοσυνθετικές και μεταβολικές αποκρίσεις του Arabidopsis thaliana σε συνθήκες ξηρασίας

Abstract

In the present work, the photosynthetic and metabolic responses of the model plant Arabidopsis thaliana to drought stress were studied. Using chlorophyll fluorescence imaging, the effect of mild, moderate and severe drought stress on photosystem II (PSII) photochemistry was examined. Spatio-temporal heterogeneity in all chlorophyll fluorescence parameters was maintained throughout drought stress. It was found that under mild and severe drought stress, the quantum yield of PSII was decreased, while under moderate stress the function of PSII was maintained. Under moderate drought stress, the antioxidant mechanism of A.thaliana leaves seemed to be sufficient in scavenging reactive oxygen species (ROS), as was evident by the decreased lipid peroxidation. After exposure to drought stress, the quantum yield of PSII photochemistry decreased less in the proximal (base) leaf than in the distal (tip) leaf. The non-uniform photosynthetic pattern under drought stress may reflect different zones of leaf anatomy and mesophyll development. It was also observed that the exogenous application of proline on A.thaliana plants under drought stress, increased the quantum yield of PSII, contributed to ROS scavenging and caused an increase of soluble sugars, suggesting a possible interaction between the signal pathway of proline and that of soluble sugars. The synergistic action of proline and soluble sugars is possibly part of a redox system that helps scavenging ROS and contributes to drought stress tolerance, with proline having a dual function as an osmolyte and as an antioxidant. However, the exogenous application of proline under normal growth conditions led to an imbalance of the photosynthetic redox state and caused a decrease of the quantum yield of PSII in young and mature leaves. The decrease of the quantum yield of PSII was higher in mature leaves with exogenous application of proline than in young leaves. It seems that, under normal growth conditions, the capacity of mature leaves to catabolize proline is greater than that of young leaves, as was evident by the lower concentration of proline in the former, which led to a more reduced state of the first electron acceptor of PSII, quinone A (QA), as well as to an increased susceptibility of mature leaves to photoinhibition. The photoprotective mechanisms of mature and young leaves of A.thaliana plants under drought stress was also studied. As young leaves managed to dissipate excess light energy, excitation pressure was lower and QA was in a more oxidized state. Thus, the redox state of the photosynthetic electron transport chain probably functioned as signal for the increased induction of anthocyanin biosynthesis in young leaves. Soluble sugar concentration was also higher in young leaves and was possibly responsible for increased biosynthesis of anthocyanins. Flavonoids and anthocyanins seem to offer a long-term protection by contributing to ROS scavenging. The higher accumulation of all the above metabolites provided a better photoprotective mechanism for young leaves, which resulted in higher drought tolerance compared to mature leaves.

Στην παρούσα εργασία, μελετήθηκαν οι φωτοσυνθετικές και μεταβολικές αποκρίσεις του φυτού μοντέλου Arabidopsis thaliana στο στρες ξηρασίας. Συγκεκριμένα, με τη μέθοδο της απεικόνισης του φθορισμού της χλωροφύλλης, μελετήσαμε την επίδραση του ήπιου, του μέτριου και του έντονου στρες ξηρασίας στη λειτουργία του φωτοσυστήματος ΙΙ (PSII). Παρατηρήθηκε ότι οι επιδράσεις του στρες ξηρασίας στις παραμέτρους φθορισμού χλωροφύλλης εμφανίζουν χρονική και χωρική ετερογένεια. Βρέθηκε ότι το ήπιο και το έντονο στρες ξηρασίας μείωσαν την απόδοση του PSII, ενώ σε συνθήκες μέτριου στρες ξηρασίας παρατηρήθηκε βελτίωση στη λειτουργία του, η οποία οφειλόταν στην επαρκή αντιοξειδωτική προστασία από την παραγωγή ενεργών μορφών οξυγόνου (ROS), όπως προέκυψε από τον προσδιορισμό της υπεροξείδωσης των λιπιδίων. Η λειτουργικότητα του PSII βρέθηκε ότι μειώνεται παραπάνω στην άκρη του φύλλου σε σχέση με τη βάση του, γεγονός που πιθανόν αντανακλά διαφορετικές ανατομικές ζώνες του φύλλου, οι οποίες αντικατοπτρίζουν διαφορετικό αναπτυξιακό στάδιο. Επιπλέον, βρήκαμε ότι η εξωγενής επίδραση προλίνης σε φυτά A. thaliana με στρες ξηρασίας βελτίωσε την απόδοση του PSII, συνετέλεσε στη μείωση των ROS και προκάλεσε την αύξηση της συγκέντρωσης των υδατανθράκων, γεγονός που συνηγορεί στη διαπίστωση ότι το σηματοδοτικό μονοπάτι της προλίνης αλληλεπιδρά με το σηματοδοτικό μονοπάτι των υδατανθράκων. Η συνεργιστική δραση προλίνης και υδατανθράκων αποτελεί πιθανόν μέρος ενός αντιοξειδωτικού συστήματος που συντελεί στην απομάκρυνση των ROS και συμβάλλει στην ανθεκτικότητα στο στρες ξηρασίας, με την προλίνη να εμφανίζει μια διττή λειτουργία, ως ωσμωλύτης και ως αντιοξειδωτική ένωση. Ωστόσο, η εξωγενής επίδραση προλίνης σε φυσιολογικές συνθήκες ανάπτυξης οδήγησε σε διαταραχή της φωτοσυνθετικής οξειδοαναγωγικής ομοιόστασης και προκάλεσε μείωση στην απόδοση του PSII, τόσο σε νεαρά, όσο και σε ώριμα φύλλα. Συγκεκριμένα, η μείωση της απόδοσης του PSII ήταν μεγαλύτερη στα ώριμα φύλλα με εξωγενή επίδραση προλίνης συγκριτικά με τα νεαρά. Φαίνεται ότι, υπό φυσιολογικές συνθήκες, η ικανότητα των ώριμων φύλλων να καταβολίζουν την προλίνη περισσότερο σε σχέση με τα νεαρά, όπως φάνηκε από τη μικρότερη συγκέντρωση προλίνης στα πρώτα, οδήγησε σε περισσότερο ανηγμένη κατάσταση του πρώτου δέκτη ηλεκτρονίων του PSII, την κινόνη Α (QA) και σε μία αυξημένη ευαισθησία των ώριμων φύλλων στη φωτοαναστολή. Μελετήσαμε, επίσης, τους φωτοπροστατευτικούς μηχανισμούς ώριμων και νεαρών φύλλων A. thaliana σε στρες ξηρασίας. Καθώς τα νεαρά φύλλα μπόρεσαν να αποβάλουν τη μη-φωτοχημικά αξιοποιήσιμη ενέργεια, η ενέργεια αποδιέγερσης σε αυτά ήταν μικρότερη σε σχέση με τα ώριμα φύλλα και η QA βρισκόταν σε περισσότερο οξειδωμένη κατάσταση. Αυτό πιθανόν συνετέλεσε, ώστε η οξειδοαναγωγική κατάσταση της φωτοσυνθετικής αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων να λειτουργήσει ως σήμα για την επαγωγή αυξημένης βιοσύνθεσης ανθοκυανινών στα νεαρά φύλλα. Επιπλέον, η μεγαλύτερη συγκέντρωση υδατανθράκων στα νεαρά φύλλα πιθανόν λειτούργησε σηματοδοτικά για την αυξημένη βιοσύνθεση ανθοκυανινών σε αυτά. Tα φλαβονοειδή και οι ανθοκυανίνες φαίνεται να συνεισφέρουν στην αποτελεσματικότερη φωτοπροστασία μακροπρόθεσμα, συντελώντας στη μείωση των ROS. Η μεγαλύτερη συσσώρευση όλων των παραπάνω μεταβολιτών προσέφερε καλύτερη φωτοπροστασία στα νεαρά φύλλα, με αποτέλεσμα τη μεγαλύτερη ανθεκτικότητα στο στρες ξηρασίας συγκριτικά με τα ώριμα.