Onderzoek op Arabidopsis thaliana om de reactie van planten op klimaatextremen beter te begrijpen: van gen tot organisme.

Datum: 11 december 2014

Locatie: Campus Drie Eiken, Promotiezaal Q0.02 - Universiteitsplein 1 - 2610 Antwerpen-Wilrijk

Tijdstip: 14 uur

Organisatie / co-organisatie: Departement Biologie

Promovendus: Gaurav Zinta

Promotor: Ivan Janssens & Han Asard

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Gaurav Zinta - Departement Biologie



Abstract

Global change is een complex fenomeen, met simultane veranderingen in omgevingsfactoren zoals atmosferische CO2 concentraties, temperatuur en precipitatie. Extreme warmte en droogte zijn klimatologische factoren die limiterend zijn voor plantengroei en opbrengst, terwijl een stijging in CO2 deze net stimuleert. De huidige voorspellingen inzake klimaatverandering geven aan dat klimaatextremen zich niet alleen frequenter en intenser zullen manifesteren, maar ook langer zullen aanhouden. Planten reageren op omgevingsfactoren door middel van verschillende metabolische aanpassingen, waaronder de aanmaak van ‘osmoprotectants’ ter osmotische aanpassing, wijziging van de lipiden samenstelling en membraanvloeibaarheid, en een opregulatie van antioxidanten om overvloedige reactieve zuurstofradicalen (ROS) te verwijderen. De moleculaire en fysiologische mechanismen die aan de basis liggen van de planten respons ten opzichte van klimaatextremen bij normale en toegenomen CO2 zijn weinig gekend. Daarenboven werd er tot nu weinig aandacht besteed aan de temporele variatie in de stress respons van planten, en aan de transgenerationele effecten die geïnduceerd worden door klimaatextremen. Het hierbij gepresenteerde werk heeft als doel deze vragen te onderzoeken.

Twee experimenten werden uitgevoerd met Arabidopsis thaliana als modelsoort. In het eerste experiment werden planten blootgesteld aan een realistisch klimaatextreem (hitte golf in combinatie met droogte) bij normale en toegenomen CO2. Verschillende fysiologische, biochemische en transcriptionele parameters werden gemeten op verschillende tijdspunten; voor, tijdens (korte en lange termijn blootstelling) en na de blootstelling aan stress. Het tweede experiment omvat multigenerationele selectie van Arabidopsis thaliana. De selectie werd herhaaldelijk uitgevoerd voor drie generaties bij extreme warmte en controle condities. In de vierde generatie werd voor zowel controle als hitte-geselecteerde planten de respons geanalyseerd op verschillende niveaus van biologische organisatie, en dat bij zowel normale temperatuur als hittestress.

Onze resultaten toonden aan dat de combinatie van een hittegolf met droogte resulteerde in een reductie van de biomassa, inhibitie van de fotosynthese, en een noemenswaardige toename in stress gerelateerde parameters. De fotosynthese was sterk beïnvloed zoals duidelijk was op zowel fysiologisch als transcriptioneel niveau. In tegenstelling werd vastgesteld dat de toegediende stress een beschermend effect induceerde met betrekking tot oxidatieve schade aan membranen, wat waarschijnlijk het resultaat was van een sterke toename van lipofiele antioxidanten en membraan-beschermende enzymen. Toegenomen CO2 had een significant matigend effect op de negatieve impact van gecombineerde hitte en droogte, wat duidelijk werd uit een reductie van de biomassa, inhibitie van de fotosynthese, een daling van de chlorofyl fluorescentie, productie van H2O2 en proteïne oxidatie. De analyse van enzymatische en moleculaire antioxidanten toonde aan dat het stress-matigende effect van CO2 werkte via de opregulatie van het antioxidant-gerelateerde verdediging metabolisme, alsook via de afname van fotorespiratie wat resulteerde in een daling van de oxidatieve druk. Aldus besluiten we dat de blootstelling aan toekomstige klimatologisch extreme episodes een negatieve impact zal hebben op plantengroei en –productie, maar dat een toegenomen CO2 concentratie deze effecten waarschijnlijk zal temperen.

Om de temporele effecten (op korte en lange termijn) van gecombineerde hitte en droogte stress bij normale en toegenomen CO2 te bestuderen voerden we een uitgebreide metabolische analyse uit. Onze studie toonde aan dat verschillende suikers en aminozuren sterk toenamen na korte termijn blootstelling, maar dat deze bij aanhoudende stress de neiging hadden terug te dalen naar de metabolische staat van de controle. Lipiden vertoonden daarentegen een graduele en meer stabiele verandering gedurende de periode van stress. Deze veranderingen omvatten een toename van de hoeveelheid verzadigde lipiden, en een afname van poly-onverzadigde lipiden en de dubbele bindings-index. Een toegenomen CO2 concentratie matigde de impact van de klimaatextremen op de verschillende metabolieten. De bevindingen geven aan dat de snelle accumulatie van ‘osmoprotectants’ (suikers en aminozuren) als een beschermingsstrategie fungeert tijdens korte termijn blootstelling aan klimaatextremen, terwijl lange termijn blootstelling de planten volledig richt op membraan modificaties. Samen suggereren deze bevindingen dat korte en lange termijn blootstelling aan een combinatie van hitte en droogte een differentieel effect hebben op de metabolische fysiologie, en dat toegenomen CO2 de stress impact op planten matigt.

Een multigenerationeel selectie experiment toonde aan dat, bij hitte stress, hitte-geselecteerde planten een hogere zaad biomassa produceerden in vergelijking met planten bij controle condities. Daarenboven vertoonden ze minder oxidatieve schade zoals werd aangetoond door een afname van het lekken van elektrolyten, de chlorofyl fluorescentie, lipide peroxidatie en proteïne oxidatie. Genome-wide transcriptionele profiling duidde op (1) constitutieve expressie van 31 stress responsieve genen (29 waren opgereguleerd), (2) transcriptionele weerstand ten opzichte van hitte stress in hitte-geselecteerde planten, en (3) een hogere opregulatie van HSPs en moleculaire chaperones geassocieerde genen in de hitte-geselecteerde planten. De metabolische profiling toonde consistent een gereduceerde impact van hitte stress op het metabolisme van hitte-geselecteerde planten. Verder toonde de analyse van antioxidanten een hogere toename (totale antioxidanten capaciteit, totale concentratie phenolen en ascorbaat) in de hitte-geselecteerde planten tijdens de blootstelling aan stress. Samen suggereren deze resultaten dat hitte stress overerfbare adaptieve responsen in planten kan induceren; wat vervolgens leidt tot stress adaptatie en de verbetering van de fitness van de volgende generatie tijdens blootstelling aan stress.