Understanding biological responses to ionising radiation in plants: a study with Lemna minor as a new molecular model system

Datum: 9 maart 2016

Locatie: UAntwerpen, Campus Middelheim, A.143 - Middelheimlaan 1 - 2020 Antwerpen

Tijdstip: 15 uur

Promovendus: Arne Van Hoeck

Promotor: Ronny Blust & Nele Horemans

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Arne Van Hoeck - Faculteit Wetenschappen, Departement Biologie



Abstract

Planten worden dagelijks blootgesteld aan onschadelijke dosissen van ioniserende straling. Antropogene activiteiten kunnen leiden tot een lokale toename van ioniserende straling in het milieu die wel schadelijk kan zijn voor planten. Studies met korte behandelingen van hoge dosissen ioniserende straling hebben reeds aangetoond dat ioniserende straling nadelige effecten in planten kan induceren. Om de toxische werkingswijze van ioniserende straling in planten op het milieu beter te begrijpen, moeten we de dosisafhankelijke responsen van langdurende stralingsbehandelingen op verschillende niveaus van de biologische complexiteit in planten onderzoeken.

Het doel van deze thesis is om de morfologische, fysiologische en moleculaire effecten van chronische ioniserende straling van γ- en β-straling in planten beter te begrijpen. De Klein kroos, of Lemna minor, werd gekozen als modelsysteem omdat deze plant grootschalig gebruikt wordt in ecotoxicologische standaardtesten. Daar de Klein kroos nog niet over een moleculair platform beschikte, hebben we in dit werk eerst het genoom van de Klein kroos gesequeneerd en geannoteerd.

Resultaten toonden aan dat een chronische behandeling van zowel γ-straling als β-straling duidelijk de groei en ontwikkeling van Klein kroos beïnvloedde. Bovendien konden we na blootstelling van ioniserende straling aan toenemende dosistempo’s, twee verschillende dosistempo-afhankelijk fases in de respons onderscheiden. Dosistempo’s tot 232 mGy h-1 induceerden een aanpassingsrespons tegenover ioniserende straling in Klein kroos. In deze planten werd geen oxidatieve stress waargenomen en de regulatie van de cel cyclus bleef intact. Bovendien nam de transcriptie van genen gelinkt aan flavonoïde biosynthese en lignine biosynthese toe. Deze vorm van stress wordt ook wel “eustress” genoemd. Klein kroos planten blootgesteld aan 423 mGy h-1 en hoger daarentegen, vertoonden een meer uitgesproken groei reductie waarbij genen gelinkt aan het anti-oxidatief verdedigingssysteem sterk werden op-gereguleerd en genen gelinkt aan DNA herstel en cel cyclus een afwijkend transcriptiepatroon vertoonden.

Deze fysiologische veranderingen, weliswaar op moleculair niveau gemeten, wijzen op 'distress' waarbij de stress conditie metabolische schade aanricht. Daar de gebruikte dosistempo’s in deze studie de relevante blootstellingen in het leefmilieu overschrijden, heeft deze thesis nieuwe inzichten verschaft in de biologische werkingswijze van langdurende blootstellingen van ioniserende straling in planten.