Sóstressz és szalicilsav indukálta élettani folyamatok összehasonlító vizsgálata paradicsomban: Akklimatizáció vagy programozott sejthalál

Abstract

Munkánk során megvizsgáltuk, milyen különbségek figyelhetők meg a sóstressz akklimatizációt javító szubletális 10^-7 és 10^-4 M SA koncentrációval történő kezelés hatása, valamint a magasabb, 10^-3 és 10^-2M-os SA koncentrációk programozott sejthalált indukáló folyamatai között paradicsom növényekben. Megvizsgáltuk a biokémiai, fiziológiai és génexpressziós különbségeket a paradicsom által tolerálható 100 mM-os és a PCD-t kiváltó 250 mM-os NaCl és az említett SA hatásai között.

Munkánk során az alábbi főbb eredmények születtek.

1. A szupraoptimális NaCl és SA koncentrációk megemelik a paradicsom növényekben a levelek és gyökerek H₂O₂ tartalmát a kezeléseket követő 6, ill. 24 órában. Ezzel párhuzamosan a 250 mM NaCl- és 10^-3 -10^-2 M SA-kezelt növények szöveteinek életképessége szignifikánsan csökken. 24 órás 10^-2 M SA kezelés hatására a gyökér sejtek DNS-e fragmentálódik. Ezzel szemben a 100 mM NaCl és 10^-4M SA kezelések bár oxidatív stresszt generálnak, a növények életképességét nem befolyásolják, és akklimatizációs folyamatokat indukálnak.

2. A szupraoptimális NaCl és SA koncentrációk hatására, a fotoszintetikus elektrontranszport gátlása révén szignifikánsan megemelkedik a levelek H₂O₂ tartalma a fényben, ami fokozza a sejtek halálát. A sztómákon keresztüli CO₂ diffúzió limitálása is meghatározza a fotoszintetikus hatékonyságot. A 100 és 250 mM NaCl és a 10^-3 -10^-2M SA kezelések hatására szignifikánsan csökken a sztómakonduktancia 6 órán belül. Ezzel párhuzamosan csökken a levelekben a fényintenzitás és a külső CO2 koncentráció függvényében felvett maximális CO2 fixáció (Amax), az A/Ci és fénygörbék (A/PPFD) lineáris szakaszának meredeksége, a karboxilációs hatékonyság (CE) illetve a fotoszintetikus kvantumhasznosítás (Q), a klorofill a fluoreszcencia indukciós paraméterek közül a maximális- (Fv/Fm) és effektív kvantumhasznosítás (Yield) és a relatív elektron transzport sebessége (Rel. ETR). Azok a növények, melyekben tartósan és szignifikánsan csökken az SA kezelések hatására a fotoszintetikus hatékonyság, később elpusztulnak. Ezt az összefüggést elsőként közöltük a szalicilsav fotoszintetikus aktivitásra gyakorolt hatásának vonatkozásában.

3. A sztómák nyitottsága vagy zártsága nagymértékben hat a fotoszintetikus hatékonyságra, éppen ezért regulációjuk sokoldalú tanulmányozása elengedhetetlen az SA fotoszintézisre gyakorolt hatásának megértésében. Munkánk során megvizsgáltuk az SA direkt hatását a sztómamozgásra epidermisz nyúzatokon is, amit másodlagos hírvivőként a zárósejtek ROS és NO szintjeinek megváltozása közvetít. Az abaxiális epidermisz nyúzatokon a 10-7 és 10-3 M SA hatására sztómazáródás volt megfigyelhető, azonban a levelekben mértekkel ellentétben a 10-4 M SA hatására a sztómák kinyíltak. Azoknál a koncentrációknál, ahol a sztómák záródtak magas ROS és NO produkciót mértük, ami gátolható volt aszkorbinsavval, katalázzal és difenilén-jodónium kloriddal a ROS, és a cPTIO-val, az NO produkció gátlószereivel, illetve specifikus kioltóival. Ezzel szemben átmeneti, kismértékű ROS növekedés és a kontrollnál alacsonyabb NO szint figyelhető meg a 10-4 M SA kezelés hatására a zárósejtekben. Ez az első olyan adat az irodalomban, ami azt bizonyítja, hogy az SA kezelés közvetlenül sztómanyitódást is okozhat, és az együtt jár a sztómazáródásban közismert szerepet játszó ROS és NO akkumulációjának csökkenésével.

4. Az SA a koncentrációtól függően gátolja a zárósejtek fotoszintézisét. A magas SA koncentrációk hatására a zárósejtek maximális és effektív kvantumhasznosítása, valamint a fotokémiai kioltás paramétere csökkent. 10-7 M SA jelenlétében a zárósejtek kloroplasztiszai magasabb Rel. ETR értéket mutattak, mint 10^-3M SA esetén, ami a 10^-3 Mos koncentrációnál az Fv/Fm csökkenésével együtt a fotoszintézis irreverzibilis gátlódásának szerepét erősíti meg a sztómák zárásában. Megállapítottuk, hogy az alacsony és magas (letális) SA koncentrációk által kiváltott sztómazáródás mechanizmusa eltér. Az utóbbiban a zárósejt fotoszintézisének gátlása is jelentős szerepet játszik.

5. A letális 10^-3 -10^-2 M SA és 250 mM NaCl kezelések csökkentették a gyökerek ET emisszióját. Míg a szubletális 100 mM NaCl serkentette, a szubletális SA koncentrációk nem változtatták meg az ET produkciót a gyökerekben. A szupraoptimális NaCl és SA koncentrációk nemcsak a levelek H₂O₂tartalmát emelik meg, hanem erőteljes ROS és NO produkciót generálnak a gyökércsúcsokban is a kezeléseket követő 6. órában, ami hozzájárul a gyökércsúcs szövetei életképességének csökkenéséhez.

Abstract (AI English translation)

Information popover about translation disclaimer

In the course of our work, we investigated the differences between the effects of treatment with sublethal SA concentrations of 10^-7 and 10^-4 M, which improve salt stress acclimation, and the processes of inducing programmed cell death with higher SA concentrations of 10^-3 and 10^-2 M in tomato plants. Biochemical, physiological and gene expression differences between 100 mM NaCl tolerated by tomatoes and 250 mM NaCl inducing PCD and the effects of the mentioned SA were investigated.

The following main results were achieved during our work.

1. The supraoptimal NaCl and SA concentrations increase the H₂O₂ content of leaves and roots in tomato plants 6 and 6 days after the treatments, respectively. in 24 hours. At the same time, the viability of the tissues of plants treated with 250 mM NaCl and 10^-3 -10^-2 M SA decreases significantly. As a result of a 24-hour treatment with 10^-2 M SA, the DNA of the root cells is fragmented. In contrast, the 100 mM NaCl and 10^-4 M SA treatments, although they generate oxidative stress, do not affect plant viability and induce acclimatization processes.

2. As a result of the supraoptimal NaCl and SA concentrations, the H₂O₂ content of the leaves increases significantly in the light due to the inhibition of photosynthetic electron transport, which increases cell death. The limitation of CO₂ diffusion through the stomata also determines the photosynthetic efficiency. As a result of the 100 and 250 mM NaCl and 10^-3 -10^-2M SA treatments, the stomatal conductance significantly decreases within 6 hours. At the same time, the maximum CO₂ fixation (Amax) absorbed in the leaves as a function of the light intensity and the external CO₂ concentration, the slope of the linear section of the A/Ci and light curves (A/PPFD), the carboxylation efficiency (CE) and the photosynthetic quantum utilization (Q) decrease. the maximum (Fv/Fm) and effective quantum utilization (Yield) and the relative electron transport rate (Rel. ETR) of the fluorescence induction parameters of chlorophyll. Those plants in which photosynthetic efficiency is permanently and significantly reduced as a result of SA treatments will later die. We reported this relationship for the first time regarding the effect of salicylic acid on photosynthetic activity.

3. The openness or closure of the stomata greatly affects the photosynthetic efficiency, which is why the versatile study of their regulation is essential in understanding the effect of SA on photosynthesis. In the course of our work, we examined the direct effect of SA on stomatal movement in epidermal skins as well, which is mediated by changes in the levels of ROS and NO in the closing cells as secondary messengers. Stomatal closure was observed on the abaxial epidermis skins under the influence of 10^-7 and 10^-3 M SA, however, contrary to what was measured in the leaves, the stomata opened under the influence of 10^-4 M SA. At the concentrations where the stomata were closed, we measured high ROS and NO production, which could be inhibited with ascorbic acid, catalase and diphenylene-iodonium chloride, and with cPTIO, the inhibitors and specific quenchers of NO production. On the other hand, a temporary, small increase in ROS and a lower NO level than in the control can be observed in the clonal cells as a result of the 10^-4 M SA treatment. This is the first data in the literature that proves that SA treatment can directly cause stomatal opening and is accompanied by a reduction in the accumulation of ROS and NO, which are known to play a role in stomatal closure.

4. Depending on the concentration, SA inhibits the photosynthesis of the closing cells. As a result of high SA concentrations, the maximum and effective quantum utilization of the closing cells and the parameter of photochemical quenching decreased. In the presence of 10^-7 M SA, the chloroplasts of the closing cells have a higher Rel. They showed an ETR value similar to that of 10^-3 M SA, which confirms the role of the irreversible inhibition of photosynthesis in stomatal closure, together with the reduction of Fv/Fm at the 10^-3 Mos concentration. We found that the mechanism of stomatal closure induced by low and high (lethal) SA concentrations differs. In the latter, inhibition of shutter cell photosynthesis also plays a significant role.

5. Lethal 10^-3 -10^-2 M SA and 250 mM NaCl treatments reduced root ET emission. While stimulated by sublethal 100 mM NaCl, sublethal SA concentrations did not alter ET production in roots. The supraoptimal NaCl and SA concentrations not only increase the H₂O₂ content of the leaves, but also generate strong ROS and NO production in the root tips in the 6th hour after the treatments, which contributes to the reduction of the viability of the root tip tissues.