Aktualności

Serdecznie zapraszamy do lektury artykułu naszego wolontariusza Michała Kananowicza. Publikacja powstała na podstawie jego pracy dyplomowej inżynierskiej w obszarze biotechnologii i badań termowizyjnych.

O Autorze

Michał Kananowicz student 4 roku Mikro- i Nanotechnologie w Biofizyce na wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. W swojej pracy inżynierskiej skupił się na badaniu odpowiedzi temperaturowej liści roślin Arabidopsis thaliana na działanie światła. Aktywny członek studenckiego koła naukowego HEXA oraz wolontariusz fundacji NANONET. W wolnym czasie czyta fantastykę oraz słucha podcastów.  Opiekun pracy dyplomowej był Pani Doktor Aleksandra Orzechowska

Aparaty szparkowe to wyspecjalizowane mikrootwory występujące w epidermie liści. Ich główną funkcją jest wymiana gazowa z otoczeniem. Odgrywają istotną rolę zarówno z procesie fotosyntezy, jak i regulacji uwodnienia oraz temperatury rośliny. W odpowiedzi na: wilgotność, stężenie CO₂, natężenie światła oraz obecność bakterii i patogenów, roślina może regulować stopień otwarcia tych otworów. Znajomość temperatury liści pozwala na badanie dynamiki szparkowej roślin w odpowiedzi na czynniki fizykochemiczne, w tym światło. Metoda termowizji polega na detekcji promieniowania podczerwonego emitowanego przez obiekt. Dzięki zastosowaniu odpowiednich kamer, stanowi precyzyjne narzędzie badawcze, pozwalając na dokładną detekcję zmian temperatury w odpowiedzi na czynniki środowiskowe.

             Rysunek 1: Obrazy termowizyjne roślin A.thaliana rejestrowane co 5 s w skali czasowej 20 min. Obrazy zostały zarejestrowane pod wpływem światła (a) oraz po jego wyłączeniu (b).

W projekcie zbadano dynamikę aparatów szparkowych roślin rzodkiewnika pospolitego Arabidopsis thaliana (A.thaliana). Rzodkiewnik pospolity jest rośliną modelową. Swoją popularność zawdzięcza dobrze poznanemu genomowi. Dodatkowo jest to roślina z ponadprzeciętnymi zdolnościami adaptacyjnymi, dzięki którym występuje niemal na całej półkuli Północnej. W pracy zbadano ekotyp Ler, przystosowany do warunków panujących w Europie Środkowej. Drugim typem badanej rośliny był mutant ost1-2, z upośledzoną zdolnością do zamykania aparatów szparkowych. Badania przeprowadzono posługując się metodą termowizyjną oraz fluorescencją chlorofilu.

W badaniu termowizyjnym obserwowano reakcję A.thaliana na zmiany natężenia światła fotosyntetycznie czynnego. Wraz z ekspozycją roślin na światło obserwowano wzrost temperatury liści. Mechanizm, który jest odpowiedzialny za regulację temperatury roślin, powoduje wzrost transpiracji, chroniąc przed zbyt gwałtownym wzrostem temperatury. Wraz z parą wodną roślina pozbywa się nadmiaru ciepła, zapobiegając uszkodzeniom wynikającym z przegrzania. Z drugiej strony, rośliny nieoświetlane wykazywały niższą temperaturę. Po początkowym spadku temperatura roślin ustabilizowała się. Dzieje się tak w wyniku zmniejszenia transpiracji za sprawą przymykania aparatów szparkowych.

Zmiany powierzchniowego rozkładu temperatury roślin badano w sposób dynamiczny. Otrzymano kinetyki temperaturowe, które zostały dopasowane funkcją o przebiegu eksponencjalnym. Na tej podstawie wyznaczono stałe czasowe przebiegów temperaturowych. Ekotyp Ler charakteryzował się mniejszą stałą czasową zarówno w przypadku napromieniowywania, jak i po wyłączeniu światła. Może to oznaczać szybszą adaptację do zmian natężenia światła.. Ponadto w identyczny warunkach pomiarowych, zmutowane rośliny ost1-2 wykazywały temperaturę niższą w porównaniu z ekotypem Ler.

Rysunek 2: Zmiany temperatury liści A.thaliana w wyniku intensywnego oświetlenia. Na wykresie zaznaczono przedział czasowy, w których rośliny były oświetlane oraz przedział, w którym światło zostało wyłączone.

Za pomocą pomiarów fluorescencji chlorofilu (test OJIP), które były uzupełnieniem pomiarów termowizyjnych, zbadano przebieg procesu fotosyntezy dla ekotypu Ler oraz mutanta ost1-2, przed i po ekspozycji na światło. Badanie wykazało istotne statystycznie różnice w wartości parametrów testu OJIP. Wydajność fotosyntezy obniżyła się w wyniku działania silnego światła. Jednak w przypadku ekotypu Ler, spadek wydajności fotosyntezy był mniejszy niż w przypadku roślin zmutowanych ost1-2.

Morfologię aparatów szparkowych zbadano mikroskopią optyczną. Mierząc pole powierzchni aparatów szparkowych ekotypu Ler oraz mutanta ost1-2 zaobserwowano różnice w powierzchni porów szparkowych. Pory szparkowe były zdecydowanie większe dla roślin z mutacją ost1-2. Wynik potwierdził związek między morfologią aparatów szparkowych, a termiką roślin A.thaliana.

Rysunek 3: Aparaty szparkowe mutanta ost1-2 (a) oraz ekotypu Ler (b).

W dobie wyzwań związanych z zmianami klimatu, badania nad mechanizmami adaptacyjnymi roślin w odpowiedzi na światło oraz inne czynniki fizyczne są niezwykle istotne i stale zyskują na znaczeniu. Dokładniejsze rozumienie tych mechanizmów może okazać się kluczem do minimalizacji szkód poniesionych w skutek długotrwałych susz, rekordowo wysokich temperatur oraz innych zmian pogodowych spowodowanych zmianami klimatu.

Bibliografia

• Szymańska R. and Gabruk M. and Kruk J., Ekotypy Arabidopsis thaliana : nowe narzędzie w badaniach biochemicznych i filogenetycznych., Postępy Biochemii, 61(1), 102–113 , 2015
• Guo Z. abd Gao Y. and Yuan X. and Yuan M. and Huang L. and Wang S. and Liu C. and Duan C., Effects of Heavy Metals on Stomata in Plants: A Review. , International journal of molecular sciences, 24(11), 9302, 2023
• Aleksandra Orzechowska, Martin Trt´ılek, Krzysztof Tokarz, and Piotr Rozpądek. A study of light-induced stomatal response in arabidopsis using thermal imaging. Biochemical and Biophysical Research Communications, 533(4):1129–1134, 2020.
• Michał Gabruk and Iwona Habina and Jerzy Kruk and Jolanta Dłużewska and Renata Szymańska, Natural variation in tocochromanols content in Arabidopsis thaliana accessions – the effect of temperature and light intensity, Physiologia Plantarum 157:147–160 , 2016