Mutanty jęczmienia z zaburzeniami syntezy i percepcji brasinosteroidów w badaniach stresu temperaturowego

Kierownik projektu: dr hab. inż. Anna Janeczko (Zakład Biologii Rozwoju)

Wykonawcy: pracownicy IFR PAN: prof. dr hab. Maria Filek (Zakład Biologii Rozwoju), dr Michał Dziurka (ZBR), dr Magdalena Ryś (ZBR), dr Marta Libik-Konieczny (Zakład Biologii Stresu), mgr Iwona Sadura (ZBR); pozostali: dr inż. Ewa Pociecha (Uniwersytet Rolniczy w Krakowie), dr inż. Barbara Jurczyk (Uniwersytet Rolniczy w Krakowie), dr Damian Gruszka (Uniwersytet Śląski)

Podsumowanie wyników

Zbyt wysokie lub zbyt niskie temperatury nie tylko u zwierząt i ludzi, ale także u roślin stanowią czynnik wywołujący zjawisko tzw. stresu. Skutki stresu temperaturowego (jakim np. jest mróz) są szczególnie niebezpieczne dla roślin uprawnych, i wiążą się ze stratami plonu lub nawet zamieraniem całych upraw. Jednak dzięki elastyczności metabolizmu wszystkie organizmy żywe mają w pewnym zakresie zdolność przystosowania się do niekorzystnych warunków termicznych. Podobnie jak u człowieka ważną rolę w regulacji metabolizmu roślin pełnią hormony steroidowe. Roślinne hormony steroidowe zwane są brasinosteroidami (BR) i pomagają m.in. zabezpieczać komórki przed skutkami stresu. Realizacja niniejszego projektu dostarczyła materiału teoretycznego, który ukazuje niektóre mechanizmy działania brasinosteroidów w roślinach. Dotychczas wiele kierunków działania BR (w aspekcie stresów temperaturowych) było ustalanych w badaniach z zastosowaniem brasinosteroidów podawanych roślinom np. przez oprysk. Przeprowadzone w ramach projektu badania z wykorzystaniem pól-karłowych mutantów jęczmienia z zaburzeniami biosyntezy i percepcji brasinosteroidów pokazują, że BR są u tego gatunku jednym z czynników uczestniczących w regulacji gospodarki hormonalnej (wpływają na poziom innych hormonów) oraz składu lipidowego (i właściwości) membran komórkowych. Związki te mogą także uczestniczyć w produkcji ochronnych białek szoku cieplnego (HSP) oraz kluczowych protein membranowych (akwaporyny HvPIP i H+-ATPazy) działając regulatorowo zarówno na poziomie akumulacji transkryptu jak i akumulacji białka. Temperatura (20, 5, 27oC) jest jednak istotnym czynnikiem wpływającym na kierunki zmian biochemiczno-fizjologicznych indukowanych przez BR. Deficyt i zaburzenia percepcji BR wiązały się u jęczmienia ze zmianami tolerancji na mróz. Jednak obniżenie tolerancji na mróz (w porównaniu do odmiany kontrolnej) obserwowano u mutanta z zaburzeniem percepcji BR (BW312) oraz u mutanta z silnym deficytem BR (BW084) spowodowanym zaburzeniami biosyntezy na wczesnym jej etapie. Zaburzenie biosyntezy BR na późnym etapie (u mutanta 522DK), związane w tym przypadku z ograniczeniem (ale nie zanikiem) produkcji BR, nie wpłynęło na mrozoodporność roślin. Co ciekawe jednak, poziom mrozoodporności wszystkich badanych mutantów (choć obniżony u części z nich) kształtował się, średnio rzecz ujmując, na poziomie zbliżonym do tego jaki występuje u uprawnej odmiany jarej Kucyk. Wszystkie badane mutanty nieoczekiwanie wykazały się większą tolerancją na wysoką temperaturę 38 i 45oC, co wyrażało się mniejszymi uszkodzeniami całych liści oraz mniejszymi uszkodzeniami na poziomie membran komórkowych. Stresowi wysokiej temperatury towarzyszy zwykle intensywne parowanie wody z liści oraz narastający jej deficyt w tkankach. Mniejsze rozmiary mutantów (mniejsza powierzchnia parowania z liści) niż odmian kontrolnych z których je otrzymano oraz bardziej pionowo wzniesione liście (co także ogranicza transpirację) mogą być morfologicznym podłożem ich lepszej tolerancji na wysoką temperaturę. Uzyskane w projekcie wyniki mogą być użyteczne dla hodowców w przypadku zainteresowania wykorzystaniem tych pół-karłowych mutantów do wytworzenia nowych odmian jęczmienia. Z drugiej jednak strony mutanty te stanowiły dogodny model pomocny w coraz dokładniejszym przybliżaniu roli, jaką BR pełnią w roślinach. Są one bowiem regulatorami zarówno wzrostu roślin, jak i co ważniejsze w kontekście zmiennych warunków środowiskowych, modyfikują na ich tolerancję na stres.

Artykuły opublikowane

1. Sadura I., Janeczko A., 2018. Physiological and molecular mechanisms of brassinosteroid-induced tolerance to high and low temperature in plants. Biologia Plantarum 62:601-616.

2. Sadura I, Pociecha E, Dziurka M, Oklestkova J, Novak O, Gruszka D, Janeczko A. 2018. Mutations in the HvDWARF, HvCPD and HvBRI1 Genes-Involved in Brassinosteroid Biosynthesis/Signalling: Altered Photosynthetic Efficiency, Hormonal Homeostasis and Tolerance to High/Low Temperatures in Barley. Journal of Plant Growth Regulation. https://doi.org/10.1007/s00344-019-09914-z

Kolejne 3 artykuły w przygotowaniu

Popularyzacja wyników na konferencjach:

Sadura I., Gruszka D., Maksymowicz A. & Janeczko A. Acclimation of brassinosteroid-deficient barley plants to low temperature. Changes in lipid composition and metabolic activity. XX ISBC Conference, International Society for Biological Calorimetry, 13-15.06. 2018, Cracow, Poland.

Sadura I., Libik–Konieczny M., Jurczyk B., Gruszka D. & Janeczko A. Acclimation of barley brassinosteroid mutants to high temperature. Expression of HSP genes. 11th International Conference Plant Functioning Under Environmental Stress, 12 – 15.09.2018, Cracow, Poland.

Sadura I., Dziurka M., Gruszka D. & Janeczko A. Changes in cytokinin and auxin contents in barley brassinosteroid mutants acclimated to low temperature. 11th International Conference Plant Functioning Under Environmental Stress, 12 – 15.09.2018, Cracow, Poland. 

Sadura I., Libik-Konieczny M., Pociecha E., Gruszka D. & Janeczko A. Acclimation of brassinosteroid-deficient barley mutants to high and low temperature. Accumulation of membrane-bound proteins. 7th International Conference For Young Researchers. Multidirectional Research in Agriculture, Forestry and Technology; 16-17.04.2018, Krakow.

Sadura I., Pociecha E., Jurczyk B., Gruszka D., Janeczko A. Acclimation of brassinosteroid-deficient barley mutants to low and high temperature. 8th Conference of the Polish Society of Experimental Plant Biology, 12-15 September, Białystok, Poland.

Inne efekty projektu:
 
W ramach projektu zatrudniona była doktorantka mgr Iwona Sadura, wyłoniona po przeprowadzonym konkursie. Pięć publikacji projektowych będzie stanowić materiał do jej pracy doktorskiej (cykl publikacji). Otwarcie przewodu nastąpiło na Radzie Naukowej IFR PAN 22.03.2019. Tytuł pracy: Rola brasinosteroidów w procesach aklimatyzacyjnych roślin jęczmienia do niskiej i wysokiej temperatury.