Wpływ składu spektralnego światła na wybrane procesy fizjologiczne mchów w warunkach stresu ozonowego

Abstract

Mchy zaliczane są do najbardziej pierwotnych roślin lądowych. Mają małe wymagania życiowe i często zasiedlają miejsca niedogodne dla bytowania innych roślin. Występują w bardzo różnorodnych środowiskach zajmując zarówno miejsca zacienione jak i nasłonecznione. W porównaniu z roślinami wyższymi cechuje je prosta i nieskomplikowana budowa anatomiczna, która sprawia że w większym stopniu narażone są na stresy środowiskowe. Jednym z wielu czynników stresowych jest ozon troposferyczny. Wysokie stężenia tego gazu pojawią się zazwyczaj z końcem kwietnia i utrzymują się do końca lata. Źródłem ozonu są przede wszystkim spaliny samochodowe, których ilość ciągle wzrasta na skutek rozwijającego się transportu. U roślin ozon uszkadza nie tylko błony komórkowe, ale także chloroplasty, mitochondria i inne struktury komórki. Zakłóca tym samym przebieg podstawowych procesów metabolicznych i wpływa negatywnie na plon roślin. Mimo wprowadzanych ograniczeń zanieczyszczeń powietrza, zwłaszcza w południowej Polsce, z roku na rok wzrasta liczba uszkodzonych drzewostanów. Celem niniejszej pracy było określenie czy skład spektralny światła wpływa na przebieg procesów fizjologicznych u mchów w warunkach stresu ozonowego. Badania wykonano na Plagiomnium cuspidatum, Polytrichastrum formosum i Pleurozium schreberi rosnących na światle białym (WL), czerwono-zielono-niebieskim (RGBL) oraz biało-niebieskim (WBL). Stres ozonowy wywoływano poprzez fumigację roślin ozonem o stężeniu 100 ppb. Badania obejmowały ocenę tempa wzrostu, zmian wartości świeżej i suchej masy, uwodnienia gametofitów mchów (analiza morfometryczna), przepuszczalności błon komórkowych (konduktometria), zawartości chlorofilu, flawonoidów i wartości wskaźnika indeksu azotowego (NBI) (metoda fluorymetryczna), sprawności fotochemicznej PSII (pomiar parametrów kinetyki fluorescencji chlorofilu a), aktywności metabolicznej (kalorymetria izotermiczna), widm emisyjnych fluorescencji liści w zakresie niebiesko-zielonym i w zakresie czerwień-daleka czerwień (spektrofluorymetria), a także aktywności izoform dysmutazy ponadltenkowej w gametoforach mchu P. cuspidatum. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono występowanie częstych interakcji pomiędzy wpływem ozonu na wzrost i wybrane procesy fizjologiczne mchów, a składem spektralnym światła. W prezentowanej pracy wykazano, że ozon spowalnia wzrost elongacyjny gametofitów mchów, ale stymuluje, niezależnie od spektrum światła, wzrost świeżej masy oraz zwiększa stopień uwodnienia mchów. Generalnie, zastosowane metody pomiaru zawartości chlorofilu, wykazały wpływ ozonu na wzrost całkowitej zawartości tego barwnika w gametoforach mchów. W warunkach stresu ozonowego, bez względu na barwę światła, stwierdzono wzrost zawartości flawonoidów w gametoforach mchów. Wartość wskaźnika NBI istotnie wzrastała pod wpływem stresu ozonowego u P. cuspidatum oraz u P. formosum. Wzrost wartości wskaźnika NBI był najwyższy na świetle białym (WL). Destabilizacja gospodarki wodno-jonowej mchów przez ozon była większa w warunkach spektrum RGBL, tj. przy podwyższonej ilości światła czerwonego. Niezależnie od barwy światła, ozon niekorzystnie wpływał na sprawność aparatu fotosyntetycznego mchów. Przeprowadzone pomiary kalorymetryczne wskazują, że aktywność metaboliczna gametofitów mchów, podczas fumigacji ozonem w różnym składzie spektralnym światła, zależy od gatunku. Widma intensywności fluorescencji niebiesko-zielonej, czerwonej i dalekiej czerwieni liści mchów wskazują na różnice pomiędzy roślinami ozonowanymi, a tymi rosnącymi w warunkach kontrolnych. Ponadto pokazano, że u mchu P. cuspidatum nadmiar promieniowania niebieskiego w widmie światła białego potęguje stres oksydacyjny powodowany przez ozon, na co wskazuje zwiększona aktywność izoform SOD. Reasumując, można przypuszczać, że odpowiedzi mchów na czynniki stresowe silnie zależą od gatunku oraz środowiska występowania. Nie mniej interakcja pomiędzy składem spektralnym światła, a innymi abiotycznymi czynnikami środowiska powinna być brana pod uwagę przy analizie odpowiedzi mchów i innych roślin na stres.

Mosses are among the most primitive land plants. They have a small life requirements and often inhibit areas inconvenient for the existence of other plants. They occur in a wide variety of habitats, both shaded and sunny areas. Compared to the higher plants they are characterized by simple and uncomplicated anatomy, which makes them more exposed to the environmental stresses. The tropospheric ozone is one of the many stress factors. The high concentrations of this gas appear typically at the end of April and persist until the end of September. The source of ozone are mainly car exhaust, whose number is constantly being increased due to the growing transport. In plants, ozone causes the damages of cell membranes, chloroplasts, mitochondria, and other cell structures. Ozone interferes with basic metabolic processes and affects the yield of plants. Despite the restrictions placed on air pollution, especially in southern Poland, the number of damaged forests is being increased from one year to another. The aim of this study was to determine the impact of spectral composition of light on the physiological processes of mosses under ozone stress. The experiments were carried out on Plagiomnium cuspidatum, Polytrichastrum formosum and Pleurozium schreberi in white light (WL), red-green-blue (RGBL), and blue and white (WBL). Ozone stress was induced by plant ozone fumigation in concentration of 100 ppb. The growth of plant, fresh and dry mass, water content of mosses gametophytes (morphometric analysis), the electrolyte leakage (conductometry), the chlorophyll content, flavonoids and values of nitrogen balance index (NBI) (fluorimetric method), the photochemical PSII efficiency (measurement kinetics parameters of chlorophyll fluorescence a), metabolic activity (isothermal calorimetry), fluorescence emission spectra of leaves in blue-green and red-far red (spectrofluorimetry) and the activity of SOD isoforms (for P. cuspidatum) were measured. The results were found frequent interaction between the impact of ozone on the growth and the physiological processes of mosses, and the spectral composition of light. The present study demonstrated that ozone reduces the growth elongation of mosses gametophytes but stimulates, regardless of the light spectrum, the increase of fresh mass and water content of mosses. In general, the methods used for measuring of the chlorophyll content showed the impact of this gas on the increase in the total content of chlorophyll in mosses gametophores. The ozone stress, regardless of the light spectrum, caused increase in flavonoid content in gametophores of mosses. The value of nitrogen balance index (NBI) significantly increased under the ozone stress in P. cuspidatum and P. formosum. The increase in the value of NBI was the highest in white light (WL). The electrolyte leakage during ozone fumigation was higher in RGBL with spectrum rich in red light. Regardless of the spectral composition of light, ozone adversely affect the efficiency of the photosynthetic apparatus of mosses. Isothermal calorimetric measurements showed that metabolic activity of mosses gametophytes, during ozone fumigation at different spectral composition of light, depends on the species. The intensity of the blue-green, red and far red fluorescence of mosses leaves indicate the differences between ozone fumigated plants and those growing in the control conditions. Furthermore, it was shown that in moss by P. cuspidatum excess of blue radiation in the spectrum of white light enhances the oxidative stress caused by ozone, as shown by increased activity of SOD isoforms. In summary, it may be assumed that the response of mosses to stress factors strongly depends on the species and environment conditions. The interaction between the spectral composition of light, and other abiotic factors of the environment should be taken into account when analyzing the response of mosses and other plants stress.