Ontogeneza oraz odpowiedź liści sporotrofofilowych i okrywowych Platycerium bifurcatum (Cav.) C. Chr. na stres świetlny i ozonowy

Abstract

Platycerium bifurcatum Cav. (C. Chr.) to epifityczna paproć występująca naturalnie na terenach lasów Australii, Nowej Gwinei oraz w niektórych rejonach Ameryki Środkowej. Sporofit cechuje się heterofilią. Dychotomicznie rozwidlone sprotrofofile pełnią funkcje asymilacyjne, natomiast liście okrywowe formują tzw. konchę, która utrzymuje roślinę na pniu drzewa oraz umożliwia gromadzenie humusu i wody. Oba typy liści wykazują odmienne cechy fizjologiczne. Ze względu na występowanie dwóch rodzajów liści paproć P. bifurcatum jest unikalnym modelem badawczym do eksperymentów fizjologicznych. Ponadto należy do grupy najczęściej uprawianych paproci ozdobnych na świecie. Celem pracy doktorskiej było określenie różnic w odpowiedzi aparatu fotosyntetycznego sporotrofofili i liści okrywowych P. bifurcatum w warunkach stresu silnego światła i stresu ozonowego oraz opis przebiegu ontogenezy obu typów liści przy niskiej i wysokiej wartości stosunku czerwień/daleka czerwień (R/FR) w widmie światła. W pracy przeanalizowano zmiany w budowie morfologicznej i anatomicznej młodych sporofitów P. bifurcatum rosnących przy niskiej lub wysokiej wartości stosunku R/FR. Oceniono sprawność fotochemiczną aparatu fotosyntetycznego w trakcie fotomorfogenezy sporotrofofili oraz zmiany w strukturze i funkcjonowaniu liści okrywowych, zachodzące w czasie ontogenezy (w szczególności podczas starzenia się liści). Ponadto opisano różnice w przebiegu fazy świetlnej fotosyntezy i zmiany składu barwnikowego liści sporotrofofilowych i okrywowych pod wpływem stresu świetlnego i ozonowego. Zidentyfikowano zakresy spektralne, w których zmiana intensywności refleksji promieniowania świetlnego od liścia, wywołana przez stres świetlny, była największa i określono zależność pomiędzy wartością stosunku R/FR, a aklimacją aparatu fotosyntetycznego P. bifurcatum do stresu świetlnego. W pracy wykorzystano niedestrukcyjne metody badawcze, co pozwoliło na śledzenie kolejnych stadiów rozwoju oraz odpowiedzi na stres na tych samych liściach. Zastosowano analizę parametrów kinetyki fluorescencji chlorofilu a, test OJIP, pomiary spektrofluorymetryczne, analizę refleksji promieniowania świetlnego od liści oraz pomiar wymiany gazowej liści i zawartości chlorofilu za pomocą chlorofilomierza (SPAD). Dodatkowo wykonano pomiary zawartości karotenoidów i brassinosteroidów z wykorzystaniem technik HPLC/UPLC. Wartość stosunku R/FR w widmie światła reguluje tempo rozwoju ontogenetycznego liści sporotrofofilowych i okrywowych. Wysoki stosunek R/FR skutkuje zmniejszeniem powierzchni blaszki liściowej i obniżoną wydajnością fotochemiczną PSII. Sporotrofofile P. bifurcatum wykazują silniejszą reakcję na stres świetlny niż liście okrywowe, jednak efektywniej wykorzystują mechanizmy fotoprotekcyjne. Wzrost sporofitów przy wysokiej wartości stosunku R/FR umożliwia ich aklimację do stresu świetlnego. Skutkuje to lepszą tolerancją dużej gęstości strumienia fotonów i wydajniejszą konwersją zaabsorbowanych kwantów światła. P. bifurcatum wykazuje wysoką odporność na stres ozonowy. Głównym skutkiem działania O3 jest trwałe obniżenie transpiracji oraz przejściowe obniżenie fotosyntezy netto, przy braku istotnych zmian w absorpcji i transporcie energii w fazie świetlnej fotosyntezy. Mechanizm tolerancji ozonu jest związany m. in. z zamknięciem aparatów szparkowych oraz syntezą karotenoidów i brassinosteroidu - homocastasteronu (C29 BR), który w stresie ozonowym wpływa prawdopodobnie na stymulację procesu fotosyntezy.

Platycerium bifurcatum Cav. (C. Chr.) is an epiphytic fern occurring naturally in the forests of Australia, New Guinea and in some areas of Central America. Sporofit is characterized by heterophilia. Sprotrophophylls play assimilation functions, while nest leaves form so-called conch, which keeps the plant on the trunk of the tree and allows the accumulation of humus and water. Both types of leaves show different physiological features. Due to the presence of two types of leaves, fern P. bifurcatum is an interesting research model for physiological experiments. In addition, P. bifurcatum is one of the most cultivated decorative ferns in the world. The aim of the doctoral thesis is to determine the differences in the response of the photosynthetic apparatus of P. bifurcatum sporotrophophylls and nest leaves under high-light stress and ozone stress as well as a description of the ontogenesis of both leaves types growing at low and high red/far-red ratio in the light spectrum. The study analyzed changes in the morphological and anatomical structure of young sporophytes of P. bifurcatum growing at a low or high R/FR ratio. The photochemical efficiency of the photosynthetic apparatus during photomorphogenesis of sporotrophophylls and changes in the structure and functioning of nest leaves during development and aging were described. Differences in the light phase of photosynthesis and the pigment composition of sporotrophophylls and nest leaves subjected to light and ozone stress were investigated. The spectral range was determined in which the change of reflection from the leaf caused by strong light was the largest. In addition the influence of the R/FR ratio value on acclimatization ability of P. bifurcatum to light stress was determined. The experiments used non-destructive methods, which allowed to perform all measurements on the same leaves. The parameters of chlorophyll a fluorescence kinetics, OJIP test, spectrofluorimetric measurements, leaf reflection analysis and measurement of leaf gas exchange and measurement of chlorophyll content using a chlorophyl meter (SPAD) were applied. The carotenoids and brassinosteroids content in leaves were measured using HPLC/UPLC. The R/FR ratio in the light spectrum regulates the ontogenetic development rate of sporotrophophylls and nest leaves. The high R/FR ratio results in smaller surface of the leaf blade, and reduced photochemical efficiency of PSII. The sporotrophophylls show a stronger response to high-light stress than nest leaves, but they use photoprotective mechanisms more efficiently. The growth of sporophytes at a high R/FR ratio allows them to acclimate to strong light. This results in a better tolerance of the high photon flux density and a more efficient conversion of the absorbed light quanta. P. bifurcatum shows high resistance to ozone stress. The main effect of O3 is the permanent reduction of transpiration and the initial reduction of net photosynthesis, with no significant changes in the absorption and transport of energy in the photosynthetic light phase. The mechanism of ozone tolerance is associated, among others with closure of stomata and synthesis of carotenoids and brassinosteroid - homocastasterone (C29 BR) which under the stress of ozone shows a stimulating effect on photosynthesis.