Σχέσεις δομής-λειτουργίας κατά τον εγκλιματισμό διαφορετικών γονοτύπων κριθαριού (Hordeum vulgare L.) σε παρατεταμένη υδατική καταπόνηση

Abstract

Prolonged and progressive water deficit, frequently met by plants under natural conditions during extended periods of drought, causes the activation of long term acclimating mechanisms which are crucial for the survival of the plant. Parameters that determine the acclimating ability are essential criteria in studies of genetic breeding. The results of a previous similar study concerning long term acclimation processes of wheat genotypes under water stress (Bresta et al., 2011) strongly indicated that the shrinkage of the cells and possibly of the subcellular structures is an important parameter of the leaf acclimation process in order to confront water shortage. Although this constitutes an impressive response, there are only a few and scattered references in the literature. Considering the above, we tested the working hypothesis that long-term drought acclimation of barley includes a generalized contraction of cellular and subcellular structures of leaves aiming to a more efficient water management. All leaf functions (including secondary metabolism) are aligned with the generalized structural changes aiming to the plant survival under these adverse conditions.For the verification of the hypothesis three genotypes of barley (Hordeum vulgare L.) cultivar Athinaida, cultivar Triptolemos and genetically improved landrace Simou, with distinct morphological and developmental features were selected. The three genotypes were subjected to different degrees of water shortage, whereas increasing levels of water shortage were induced by increasing the distance from the water source. A plethora of leaf structural, physiological and biochemical parameters were examined.The results showed that drought acclimated leaves were smaller and denser while they possessed narrower and thicker vessels as well as smaller and denser stomata. These structural modifications lead to dramatic changes in leaf function. Under water stress a dramatic reduction in gas exchange rate and total content of leaf N was observed, whereas the concentration of proline and secondary metabolites were increased. The intensity of the changes depends on the genotype.In order to scrutinize the hypothesis of a generalized contraction of leaf structures at the organ, tissue, cell and subcellular level, cultivar Triptolemos was selected due to its greatest plasticity among the three examined genotypes. An assiduous anatomical study was carried out using Optical and Electron Microscopy techniques. According to the results, under water stress conditions the dramatic reduction of the leaf area was ascribed to the generalized cell contraction of all leaf tissues. Water deficit caused a size reduction of the mesophyll and epidermal cells, xylem elements, stomata and an increase in the thickness of the mesophyll cell wall and the cuticle. Leaf cells of water stressed plants tended to have a spherical shape in contrast to the typical lobed shape of cells under water availability conditions. Moreover, water shortage caused a significant reduction in the area of the mitochondria and chloroplasts, as well as structural modifications of chloroplasts (swelling, denser grana and thylakoids, partial conservation of the membranes, occurrence of starch granules, etc.). Lastly, chloroplast protrusions were observed in water stressed plants. Summarising, this study showed experimental data relating to the structure-function relationship of cells under drought conditions, providing strong evidence for expansion of these relationships at the submicroscopic level. It appears that water stress causes forced changes in the cell structure in order to save water and minimize water losses. These structural changes inevitably affect the metabolism, resulting to nitrogen deficit in photosynthetic cells, which are thereby forced to create smaller photosynthetic organelles and / or to degrade the already formed ones in order to retrieve nitrogen.

Η παρατεταμένη και σταδιακή έλλειψη νερού, όπως συμβαίνει σε φυσικές συνθήκες κατά της περιόδους ξηρασίας, επιφέρει την ενεργοποίηση μηχανισμών εγκλιματισμού από τους οποίους εξαρτάται τελικά η επιβίωση του φυτικού οργανισμού. Παράμετροι οι οποίες καθορίζουν την ικανότητα εγκλιματισμού αποτελούν βασικά κριτήρια επιλογής σε μελέτες βελτίωσης. Σε προηγούμενη αντίστοιχη μελέτη σχετική με τον εγκλιματισμό γονοτύπων σιταριού στην υδατική καταπόνηση (Bresta et al., 2011), προέκυψαν ισχυρές ενδείξεις ότι μια σημαντική παράμετρο της διαδικασίας εγκλιματισμού αποτελεί η σμίκρυνση των κυτταρικών, και πιθανόν και των υποκυτταρικών δομών, των φύλλων ώστε να αντιμετωπιστεί η έλλειψη νερού. Παρότι αποτελεί μία εντυπωσιακή αντίδραση, ελάχιστες εργασίες στη διεθνή βιβλιογραφία αναφέρονται σε αυτήν και συνήθως οι αναφορές είναι αποσπασματικές. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, διαμορφώθηκε υπόθεση εργασίας, σύμφωνα με την οποία ο μακροπρόθεσμος εγκλιματισμός του κριθαριού σε συνθήκες παρατεταμένης ξηρασίας περιλαμβάνει μια γενικευμένη συρρίκνωση κυτταρικών και υποκυτταρικών δομών των φύλλων με στόχο την αποτελεσματικότερη διαχείριση του νερού. Με τις γενικευμένες αυτές δομικές μεταβολές ευθυγραμμίζονται και όλες οι λειτουργίες των φύλλων (συμπεριλαμβανομένου του δευτερογενούς μεταβολισμού) με στόχο τελικά την επιβίωση του φυτού στις αντίξοες συνθήκες.Προκειμένου να επαληθευτεί η υπόθεση εργασίας επιλέχθηκαν 3 γονότυποι κριθαριού (Hordeum vulgare L.) η ποικιλία Αθηναϊδα, η ποικιλία Τριπτόλεμος και ο βελτιωμένος πληθυσμός Σίμου, με διακριτά μορφολογικά και αναπτυξιακά χαρακτηριστικά, οι οποίοι υποβλήθηκαν σε τέσσερεις μεταχειρίσεις άρδευσης και προσδιορίστηκε πλήθος δομικών, φυσιολογικών και βιοχημικών παραμέτρων του φύλλου. Σύμφωνα με τα δεδομένα της παρούσας διατριβής σε συνθήκες έλλειψης νερού τα φύλλα των εγκλιματισμένων φύλλων διαθέτουν μικρότερη επιφάνεια, μεγαλύτερη πυκνότητα, στενότερα και πυκνότερα αγγεία καθώς και μικρότερα και πυκνότερα στομάτια. Αυτές οι δομικές μεταβολές επιφέρουν δραματικές αλλαγές και στη λειτουργία των φύλλων. Υπό συνθήκες υδατικής καταπόνησης παρατηρήθηκε δραματική μείωση του ρυθμού ανταλλαγής αερίων, μείωση του συνολικού περιεχόμενου σε Ν και αύξηση της συγκεντρωσης προλίνης και των δευτερογενών μεταβολιτών. Η ένταση των μεταβολών εξαρτάται από τον γονότυπο. Για τον ενδελεχή έλεγχο της υπόθεσης μιας γενικευμένης συρρίκνωσης των δομών σε επίπεδο οργάνου, ιστών, κυττάρων αλλά και σε υποκυτταρικό επίπεδο, επελέγη η ποικιλία Τριπτόλεμος, δεδομένου ότι ο γονότυπος αυτός εμφάνισε την μεγαλύτερη πλαστικότητα μεταξύ των τριών υπό μελέτη γονοτύπων και μελετήθηκε πλήθος ανατομικών παραμέτρων με τη βοήθεια της Οπτικής και Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της ανατομικής μελέτης του γονότυπου Τριπτόλεμου, υπό συνθήκες υδατικής καταπόνησης η δραματική μείωση της επιφάνειας του φύλλου οφείλεται στη γενικευμένη σμίκρυνση των κυττάρων όλων των ιστών του φύλλου. Η έλλειψη νερού προκάλεσε μείωση του μεγέθους των κυττάρων του μεσόφυλλου, της επιδερμίδας, του αγωγού ιστού, των στομάτων και αύξηση του πάχους των κυτταρικών τοιχωμάτων του μεσόφυλλου και της εφυμενίδας. Τα κύτταρα των καταπονημένων φυτών τείνουν να έχουν σφαιρικό σχήμα σε αντίθεση με το τυπικό λοβοειδές σχήμα των κυττάρων υπό συνθήκες επάρκειας νερού. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της ανατομικής μελέτης των υποκυτταρικών δομών, η υδατική καταπόνηση προκάλεσε σημαντική μείωση στην επιφάνεια των χλωροπλαστών και των μιτοχονδρίων και αλλαγές στη δομή των χλωροπλαστών (διόγκωση, πυκνότερα grana και θυλακοειδή των grana, μερική συντήρηση των μεμεβρανών, ύπαρξη αμυλόκοκκων κ.τ.λ.). Τέλος στα φύλλα των καταπονημένων φυτών παρατηρήθηκε η δημιουργία προεκτάσεων στους χλωροπλάστες.Συνοψίζοντας, η παρούσα μελέτη παρουσίασε πειραματικά δεδομένα που αφορούν στη σχέση δομής-λειτουργίας των κυττάρων σε συνθήκες υδατικής καταπόνησης, παρέχοντας ισχυρές ενδείξεις για επέκταση των σχέσεων αυτών και στο υπομικροσκοπικό επίπεδο. Φαίνεται ότι η υδατική καταπόνηση προκαλεί αναγκαστικές μεταβολές στη δομή των κυττάρων προκειμένου να εξοικονομηθεί νερό και να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες. Οι μεταβολές αυτές στη δομή επηρεάζουν αναπόφευκτα και το μεταβολισμό, με κύρια συνέπεια την έλλειψη αζώτου στα φωτοσυνθετικά κύτταρα, τα οποία εξαναγκάζονται να δημιουργήσουν φωτοσυνθετικά οργανίδια μικρότερου μεγέθους ή/και να αποδομήσουν τα ήδη σχηματισθέντα οργανίδια προκειμένου να εξευρεθεί άζωτο.