Quantitative impacts of interactive biotic and abiotic stresses on plant performance: stress responses, priming, and acclimation
Laen...
Kuupäev
2023
Kättesaadav alates
Autorid
Sulaiman, Hassan Yusuf
Ajakirja pealkiri
Ajakirja ISSN
Köite pealkiri
Kirjastaja
Estonian University of Life Sciences
Abstrakt
Environmental stresses in plants result in emissions of volatile organic compounds (VOC) and reductions in photosynthesis. Plants experience multiple abiotic and biotic stresses sequentially or simultaneously and responses activated by one stress can alter responses activated by the other stress. The main aim of this thesis was to study the responses of plant physiological traits to interactive biotic and abiotic stresses depending on the severity of the different stresses, sequences, and duration in four model species.
We used Achillea millefolium in the first experiment and O. vulgare in the second experiment to investigate the impact of moderate heat (35°C for 1 hr, heat priming) on foliage photosynthesis and VOC emissions responses through 72 h heat shock stress (45°C for 5 min) recovery period. Heat-primed plants demonstrated higher heat shock tolerance of photosynthetic activities, evident in smaller reductions in the rates of photosynthesis and faster recovery, and lower emissions of stress VOC indicating lower oxidative stress. In primed O. vulgare, a certain decrease in photosynthetic activity remained suggesting a sustained priming effect, and VOC emissions rose at later phases of recovery indicating the activation of biochemical defense in primed plants.
In the third experiment, we studied how infestation with Trialeurodes vaporariorum alters photosynthesis and VOC emissions in O. vulgare through 48 h heat shock recovery period. In non-infested plants, photosynthesis did not recover, but in infested plants, photosynthesis recovered fully, indicating a greater heat stress tolerance. In infested plants, heat shock resulted in much lower stress VOC emissions that recovered to pre-stress levels at the end of the experiment. This suggests that insect phloem feeding decreased VOC emissions responses to heat shock and enhance the thermal acclimation of photosynthetic activities.
In the fourth and fifth experiments, we quantified the impact of the biotrophic crown rust fungus, Puccinia coronata on foliage photosynthesis and VOC emissions with increasing the severity of infection in the primary host Avena sativa and the alternate host Rhamnus frangula. In A. sativa, decreases in photosynthesis were much greater and emissions of VOC were strongly enhanced with increased severity of infection, but the emissions decreased during severe infections due to an overall inhibition of physiological activity. In R. frangula, VOC emissions were elicited to a minor degree, but surprisingly, emissions of constitutive isoprene were strongly enhanced. These results suggest differential biochemical responses and varying fungal sensitivity in the two hosts. We argued that the greater infection sensitivity in A. sativa was due to fungal interaction with warm weather that might have enhanced the fungal virulence.
Keskkonnast tingitud stress põhjustab taimedel lenduvate orgaaniliste ühendite eraldumist ja fotosünteesi vähenemist. Taimed kogevad järjestikku või samaaegselt mitut abiootilist ja biootilist stressi ning ühe stressi poolt aktiveeritud reaktsioonid võivad muuta reaktsioone, mis on vastuseks teisele stressile. Doktoritöö põhieesmärk oli uurida taimede füsioloogilisi reaktsioone, mis tekivad vastuseks teineteist vastastikku mõjutavatele biootilistele ja abiootilistele stressidele. Uuring hõlmas nelja mudelliigi käitumist tulenevalt stressiolukorra raskusastmest, järjestusest ja kestusest. Esimeses katses kasutasime harilikku raudrohtu (Achillea millefolium) ja teises katses harilikku pune (Origanum vulgare), et uurida mõõduka kuumusega (35 °C, 1 tund) eelneva kokkupuute (kuumaga praimimine) mõju taime käitumisele järgnevas stressiolukorras ja sellest taastumisel. Jälgisime taime lehestiku fotosünteesi ja lenduvate orgaaniliste ühendite eraldumist kuumašokile (45 °C, 5 minutit) järgnenud 72-tunnise taastumisperiodi jooksul. Uuringu tulemusena nägime, et praimitud taimede fotosünteesi aktiivsus ei sõltunud kuumašokist nii suurel määral kui praimimata taimedel. Kuumastressi taluvat taime iseloomustavad järgmised näitajad: fotosünteesi kiirus väheneb väiksemal määral ja taastumine on kiirem ning lenduvaid orgaanilisi stressiühendeid eraldub väiksemas koguses, mis näitab madalamat oksüdatiivset stressi. Fotosünteesi aktiivsuse teatav langus püsis praimitud O. vulgare puhul, mis viitab praimimise püsivale toimele. Lenduvate orgaaniliste ühendite eraldumine suurenes taastumise hilisemates faasides, mis näitab, et praimitud taimedes aktiveerus biokeemilise kaitse. Kolmandas katses uurisime, kuidas kasvuhoonekarilasega (Trialeurodes vaporariorum) nakatumine muudab fotosünteesi ja lenduvate orgaaniliste ühendite eraldumist hariliku pune (O. vulgare) 48-tunnise kuumašokist taastumise perioodi jooksul. Fotosüntees ei taastunud nakatumata ehk tervetes taimedes, kuid nakatunud taimedes taastus fotosüntees täielikult, mis näitab nende suuremat kuumastressitaluvust. Nakatunud taimedes erladus kuumašoki mõjul lenduvaid orgaanilisi stressiühendeid palju vähem ja nende tase langes katse lõpus stressieelsele tasemele. Tulemus viitab sellele, et taimtoiduliste putukate põhjustatud stress vähendas nende taimede stressireaktsiooni vastuseks kuumašokile ja suurendas fotosünteesi aktiivsuse kohanemist kuumaga. Neljandas ja viiendas katses uurisime biotroofse kaera kroonroostet põhjustava seene Puccinia coronata mõju ulatust lehestiku fotosünteesile ja lenduvate orgaaniliste ühendite eritumisele. Katse käigus suurendasime nakkuse raskusastet esmases peremeesorganismis, milleks oli kaer (Avena sativa) ja järgnevas peremeesorganismis - harilikul paakspuul (Rhamnus frangula). Koos nakatumisastme suurenemisega vähenes kaera puhul fotosüntees ja suurenes lenduvate orgaaniliste ühendite eraldumine rohkem kui paakspuul. Raske nakatumisastme korral lenduvühendite eraldumine vähenes, sest üldine füsioloogilise aktiivsus sai pärsitud. Paakspuul hakkasid lenduvad stressiühendid eralduma vähesel määral, kuid üllataval kombel suurenes tugevasti konstitutiivse isopreeni eraldumine. Need tulemused viitavad kahe peremeesorganismi erinevale biokeemilisele vastusele ja erinevale seente tundlikkusele katsealustes peremeesorganismides. Tulemuste põhjal saab järeldada, et kaera suurem tundlikkus makkusele oli tingitud seente ja sooja ilma koostoimest, mis võis suurendada seente virulentsust.
Keskkonnast tingitud stress põhjustab taimedel lenduvate orgaaniliste ühendite eraldumist ja fotosünteesi vähenemist. Taimed kogevad järjestikku või samaaegselt mitut abiootilist ja biootilist stressi ning ühe stressi poolt aktiveeritud reaktsioonid võivad muuta reaktsioone, mis on vastuseks teisele stressile. Doktoritöö põhieesmärk oli uurida taimede füsioloogilisi reaktsioone, mis tekivad vastuseks teineteist vastastikku mõjutavatele biootilistele ja abiootilistele stressidele. Uuring hõlmas nelja mudelliigi käitumist tulenevalt stressiolukorra raskusastmest, järjestusest ja kestusest. Esimeses katses kasutasime harilikku raudrohtu (Achillea millefolium) ja teises katses harilikku pune (Origanum vulgare), et uurida mõõduka kuumusega (35 °C, 1 tund) eelneva kokkupuute (kuumaga praimimine) mõju taime käitumisele järgnevas stressiolukorras ja sellest taastumisel. Jälgisime taime lehestiku fotosünteesi ja lenduvate orgaaniliste ühendite eraldumist kuumašokile (45 °C, 5 minutit) järgnenud 72-tunnise taastumisperiodi jooksul. Uuringu tulemusena nägime, et praimitud taimede fotosünteesi aktiivsus ei sõltunud kuumašokist nii suurel määral kui praimimata taimedel. Kuumastressi taluvat taime iseloomustavad järgmised näitajad: fotosünteesi kiirus väheneb väiksemal määral ja taastumine on kiirem ning lenduvaid orgaanilisi stressiühendeid eraldub väiksemas koguses, mis näitab madalamat oksüdatiivset stressi. Fotosünteesi aktiivsuse teatav langus püsis praimitud O. vulgare puhul, mis viitab praimimise püsivale toimele. Lenduvate orgaaniliste ühendite eraldumine suurenes taastumise hilisemates faasides, mis näitab, et praimitud taimedes aktiveerus biokeemilise kaitse. Kolmandas katses uurisime, kuidas kasvuhoonekarilasega (Trialeurodes vaporariorum) nakatumine muudab fotosünteesi ja lenduvate orgaaniliste ühendite eraldumist hariliku pune (O. vulgare) 48-tunnise kuumašokist taastumise perioodi jooksul. Fotosüntees ei taastunud nakatumata ehk tervetes taimedes, kuid nakatunud taimedes taastus fotosüntees täielikult, mis näitab nende suuremat kuumastressitaluvust. Nakatunud taimedes erladus kuumašoki mõjul lenduvaid orgaanilisi stressiühendeid palju vähem ja nende tase langes katse lõpus stressieelsele tasemele. Tulemus viitab sellele, et taimtoiduliste putukate põhjustatud stress vähendas nende taimede stressireaktsiooni vastuseks kuumašokile ja suurendas fotosünteesi aktiivsuse kohanemist kuumaga. Neljandas ja viiendas katses uurisime biotroofse kaera kroonroostet põhjustava seene Puccinia coronata mõju ulatust lehestiku fotosünteesile ja lenduvate orgaaniliste ühendite eritumisele. Katse käigus suurendasime nakkuse raskusastet esmases peremeesorganismis, milleks oli kaer (Avena sativa) ja järgnevas peremeesorganismis - harilikul paakspuul (Rhamnus frangula). Koos nakatumisastme suurenemisega vähenes kaera puhul fotosüntees ja suurenes lenduvate orgaaniliste ühendite eraldumine rohkem kui paakspuul. Raske nakatumisastme korral lenduvühendite eraldumine vähenes, sest üldine füsioloogilise aktiivsus sai pärsitud. Paakspuul hakkasid lenduvad stressiühendid eralduma vähesel määral, kuid üllataval kombel suurenes tugevasti konstitutiivse isopreeni eraldumine. Need tulemused viitavad kahe peremeesorganismi erinevale biokeemilisele vastusele ja erinevale seente tundlikkusele katsealustes peremeesorganismides. Tulemuste põhjal saab järeldada, et kaera suurem tundlikkus makkusele oli tingitud seente ja sooja ilma koostoimest, mis võis suurendada seente virulentsust.
Kirjeldus
A Thesis for applying for the degree of Doctor of Philosophy in Applied Biology.
Väitekiri filosoofiadoktori kraadi taotlemiseks rakendusbioloogia erialal.
Väitekiri filosoofiadoktori kraadi taotlemiseks rakendusbioloogia erialal.
Märksõnad
dissertatsioonid, dissertations, Roheline Ülikool (töö toetab EMÜ Rohelise Ülikooli põhimõtteid), Green University (thesis is related to EMÜ Green University iniciative’s aims), taimefüsioloogia, stressitaluvus, fotosüntees, abiootilised tegurid, biootilised tegurid, plant physiology, stress tolerance, photosynthesis, abiotic factors, biotic factors