pobierz plik - Wydział Biologii UW

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.