Autoreferat rozprawy doktorskiej mgr Wiolety Wasilewskiej
advertisement
Autoreferat rozprawy doktorskiej mgr Wiolety Wasilewskiej „Mechanizm działania jonów ołowiu na reakcje świetlne fotosyntezy u roślin C3 i C4” wykonanej pod kierunkiem prof. dr hab. Elżbiety Romanowskiej w Zakładzie Molekularnej Fizjologii Roślin, Instytutu Botaniki, Wydziału Biologii UW. Recenzenci: prof. dr hab. Jerzy Kruk, Zakład Fizjologii i Biochemii Roślin, Wydział Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii, Uniwersytet Jagielloński w Krakowie prof. dr hab. Zbigniew Krupa, Zakład Fizjologii Roślin, Wydział Biologii i Biotechnologii, Uniwersytet Marii Curie- Skłodowskiej w Lublinie Metale ciężkie są obecnie jednym z najpowszechniejszych zanieczyszczeń środowiska. W zależności od warunków życia roślina może pobierać metale z gleby, wody, jak również z powietrza. Rośliny lądowe pobierają metale ciężkie głównie z roztworu glebowego przez system korzeniowy, ale także absorbują z powietrza przez aparaty szparkowe i powierzchnię liścia lub jako rozpuszczone w wodzie opadowej. Po przedostaniu się do chloroplastów metale ciężkie mogą prowadzić do uszkodzenia aparatu fotosyntetycznego. Prace o wpływie metali ciężkich na fotosyntezę dotyczą głównie ich oddziaływania na reakcje wiązania CO2. Metale, w tym jony Pb znacznie obniżają aktywność kluczowych enzymów fotosyntetycznych jak np. karboksylazy/oksygenazy rybulozo-1,5difosforanu (Rubisco) oraz karboksylazy fosfoenolopirogronianu (PEPC). Dotychczasowe badania mające na celu poznanie działania jonów ołowiu na fazę jasną fotosyntezy prowadzono głównie w układach in vitro, w których metal podawano do chloroplastów. Obserwowano wówczas zmiany w obrębie i towarzyszące temu ograniczenie kompleksu utleniającego wodę (OEC) transportu elektronów oraz generowanie stresu oksydacyjnego, prowadzącego do uszkodzenia kompleksów błonowych tylakoidów. Podstawowym celem badań tej pracy było porównanie mechanizmów działania jonów ołowiu na fazę jasną fotosyntezy w trzech typach chloroplastów: granowych u grochu (rośliny typu C3) i mezofilowych kukurydzy (rośliny typu C4) oraz w bezgranowych chloroplastach komórek pochew wokółwiązkowych kukurydzy. Celowym było również zbadanie, czy ich reakcja na metal ciężki ma związek z budową i funkcją tylakoidów. Rośliny hodowano przy dwóch natężeniach światła: niskim (80 µmol fotonów m-2 s-1) oraz wysokim 600 µmol fotonów m-2 s-1). Znanym jest, iż natężenie światła wpływa zarówno na ilość gran w chloroplastach, jak i zawartość kompleksów tylakoidowych. Błony tylakoidów są heterogenne i wszystkie czynniki wpływające na strukturę chloroplastów będą decydowały o zmianie relacji pomiędzy cyklicznym i niecyklicznym transportem elektronów, a w związku z tym o zmianie stosunku ATP/NADPH. Metal podawano przez 24 godziny do odciętych liści badanych roślin poprzez wprowadzanie roztworu Pb(NO3)2 w stężeniu 5 mM wraz z prądem transpiracyjnym. W badaniach stosowano szereg metod: gazometryczne, luminometryczne, fluorescencyjne, elektroforetyczne, immunologiczne, spektrofotometryczne, spektrometrię masową, mikroskopię elektronową i inne. Cele pracy realizowano przez: oznaczenie natężenia wymiany CO2 oraz pomiary fluorescencji chlorofilu a in vivo w liściach, oznaczenie aktywności fotochemicznej fotoukładu I i II (PSI i PSII) izolowanych chloroplastów grochu i kukurydzy oraz określenie zmian w organizacji i aktywności kompleksów białkowo-barwnikowych błon tylakoidowych, pomiary fosforylacji białek tylakoidowych. W doświadczeniach in vivo takich jak: pomiary natężenia fotosyntezy netto, natężenia oddychania, zawartości adenylatów oraz fluorescencji chlorofilu a stwierdzono, że jony ołowiu: w podobnym stopniu hamowały fotosyntetyczne wiązanie CO2 u obu gatunków roślin zarówno z niskiego, jak i wysokiego natężenia światła. Towarzyszyło temu wzmożenie natężenia procesów oddechowych, stymulowały produkcję ATP, nieznacznie obniżały wydajność fotochemiczną PSII (Fv/Fm), obniżały wydajność transportu elektronów przy jednoczesnym wzroście wygaszania niefotochemicznego energii (wzrost emisji ciepła). W doświadczeniach in vitro stwierdzono, że: głównym miejscem działania jonów ołowiu były chloroplasty komórek pochew wokółwiązkowych kukurydzy, gdyż tylko w nich notowano spadek aktywności zarówno PSII, jak i PSI. Natomiast w mezofilowych chloroplastach kukurydzy oraz grochu aktywność fotoukładów nie zmieniała się. jony ołowiu spowodowały zmianę w organizacji tylakoidowych kompleksów białkowo-barwnikowych tylko w chloroplastach komórek pochew okołowiązkowych. Zwiększyła się ilość form monomerycznych PSII kosztem dimerów oraz superkompleksów. W chloroplastach mezofilowych grochu i kukurydzy takie zmiany nie wystąpiły. jony ołowiu znacznie stymulowały fosforylację rdzeniowego białka PSII, tj. białka D1 zarówno w monomerach, dimerach, jak i superkompleksach. Białko D1 nie było defosforylowane w warunkach sprzyjających temu procesowi takich jak daleka czerwień czy ciemność. Silnej fosforylacji białka D1 nie towarzyszyła fotoinhibicja (brak degradacji białka D1) w warunkach działania wysokich natężeń światła W przedstawionej pracy wykazano po raz pierwszy, że jony ołowiu stymulowały fosforylację białka D1 oraz niskocząsteczkowego białka PsbH, które stabilizuje dimeryczną strukturę fotoukładu II. Wzmożona fosforylacja białek PSII w warunkach działania metalu ciężkiego może pełnić więc funkcję ochronną przed degradacją białek przez enzymy proteolityczne. Wzmożona fosforylacja i ograniczona defosforylacja białek tylakoidowych może stanowić uniwersalny mechanizm ochronny przed działaniem czynników stresowych. Jest zatem bardzo prawdopodobne, że dzięki takiemu mechanizmowi działania jonów Pb może być utrzymany transport elektronów i zapewniona produkcja siły asymilacyjnej koniecznej do wiązania CO2 podczas fotosyntezy w warunkach stresowych.
