PERCEPTION OF SOLAR UV RADIATION AND BLUE LIGHT BY PLANTS: PHOTORECEPTORS, TRANSCRIPTOME AND ENVIRONMENTAL ACCLIMATION

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6737-8
Title: PERCEPTION OF SOLAR UV RADIATION AND BLUE LIGHT BY PLANTS: PHOTORECEPTORS, TRANSCRIPTOME AND ENVIRONMENTAL ACCLIMATION
Author: Rai, Neha
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences
Doctoral Program in Plant Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-11-17
Belongs to series: URN:ISSN:2342-5431
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6737-8
http://hdl.handle.net/10138/320354
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Solar UV-B radiation (290–315 nm), UV-A radiation (315–400 nm), and blue light (400–500 nm) regulate multiple aspects of plant growth and development, and these are mediated by different photoreceptors. In plants, UVR8 is described as a UV-B photoreceptor, while cryptochromes (CRYs) are described as UV-A/blue photoreceptors, based on their absorption maxima and action spectra. However, these photoreceptors are also sensitive to other wavelengths outside the wavelengths of maximum absorption. Based on this property, their roles could differ in full-spectrum sunlight than those reported from experiments performed in controlled environments. In sunlight, both UV-B and UV-A/blue photoreceptors are simultaneously activated, and there is a possibility that their signaling pathways interact. However, an interaction between UVR8 and CRYs regulating transcriptome-wide responses remained unexplored. Furthermore, persistent high solar irradiance is often followed by drought in the field, and studies have indicated that UV and drought interact to regulate plant physiological responses. However, an interaction for metabolic and transcript abundance responses has not been well-described. These gaps in knowledge are addressed in my thesis through three main aims: (1) to identify the individual roles of UVR8 and CRYs in the perception of solar UV-B, short-wave UV-A (315–350 nm, UV-Asw), long-wave UV-A (350–400 nm, UV-Alw) radiation, and blue light by plants, (2) to test the interaction between UVR8 and CRYs under solar UV radiation, and (3) to determine if pre-exposure to solar UV radiation could provide acclimation to subsequent drought stress in plants. To achieve the first two aims, I used Arabidopsis thaliana wild type and mutants impaired in UVR8 and CRYs photoreceptors and exposed them to different ranges of wavelengths of solar or simulated solar UV radiation and blue light under optical filters. To achieve the third aim, I used two accessions of Medicago truncatula (Jemalong A17 and F83005-5). I exposed them to solar UV radiation using optical filters and subjected them to drought stress by restricting watering in a factorial experiment. The results indicated that UVR8 mediates the perception of both UV-B and UV-Asw radiation. In contrast, CRYs mediate the perception of UV-Alw radiation and blue light. A further novel finding is that UVR8 and CRYs interact antagonistically to regulate transcriptome-wide responses under UV-B and UV-Asw radiation. My thesis also provides evidence that UV-B+UV-Asw radiation and mild drought can interact positively to trigger acclimation through an increase in epidermal UV screening in the drought-intolerant accession, F83005-5, and through an increase in transcript abundance of CHALCONE SYNTHASE in the moderately drought-tolerant accession, Jemalong A17. Furthermore, all three studies showed a distinct response to solar or simulated solar UV-B+UV-Asw and UV-Alw radiation, suggesting a need to split UV-A into short and long wavelengths for future studies on UV-A radiation.Auringon UV-B-säteily (290–315 nm), UV-A-säteily (315–400 nm) ja sininen valo (400–500 nm) säätelevät monia kasvien kasvuun ja kehitykseen liittyviä asioita, jotka välittyvät erilaisten fotoreseptoreiden kautta. Kasvien UVR8 kuvataan UV-B-fotoreseptoriksi, kun taas kryptokromit (CRY) kuvataan UV-A-säteilyn/sinisen valon fotoreseptoreiksi niiden absorptiomaksimien ja vaikutusspektrien perusteella. Nämä fotoreseptorit ovat kuitenkin herkkiä myös muille aallonpituuksille, jotka ovat niiden maksimaalisen absorption aallonpituuksien ulkopuolella, ja näiden ominaisuuksien perusteella niiden toiminta saattaa poiketa auringonvalon laajan spektrin alla, verrattuna tilanteisiin joista on raportoitu kontrolloiduissa ympäristöissä suoritetuista kokeista. Auringonvalossa sekä UV-B- että UV-A-säteilyn/sinisen valon fotoreseptorit aktivoituvat samanaikaisesti ja on mahdollista, että niiden signalointireitit ovat vuorovaikutuksessa. UVR8 ja CRY -fotoreseptoreiden välistä vuorovaikutusta, joka säätelee transkriptometrin laajuisia vasteita, ei kuitenkaan ole tutkittu. Lisäksi, pitkäkestoista korkeaa auringonsäteilyn määrää seuraa usein kuivuus, ja tutkimukset ovat osoittaneet, että UV ja kuivuus säätelevät kasvien fysiologisia vasteita vuorovaikutteisesti. Metabolisten ja transkriptien vasteiden vuorovaikutusta ei kuitenkaan ole kuvattu tarkasti. Käsittelen näitä kysymyksiä väitöskirjassani kolmen päätavoitteen kautta: (1) tunnistaa UVR8 ja CRY-fotoreseptoreiden roolit auringon UV-B-säteilyn, lyhytaaltotoisen UV-A-säteilyn (315–350 nm, UV-Asw), pitkäaaltoisen UV-A-säteilyn (350–400 nm, UV-Alw) ja sinisen valon havainnoinnissa, (2) testata UVR8 ja CRY-fotoreseptoreiden välistä vuorovaikutusta auringon UV-säteilyn alla ja (3) määrittää, voiko kasvien altistus auringon UV-säteilylle edesauttaa sopeutumista myöhemmin seuraavaan kuivuusstressiin. Kahden ensimmäisen tavoitteen saavuttamiseksi käytin sekä Arabidopsis villityyppiä että UVR8 ja CRY-fotoreseptorimutantteja, ja altistin ne erilaisille auringonsäteilyn aallonpituusalueille tai simuloidulle auringon UV-säteilylle ja siniselle valolle optisten suodattimien alla. Kolmannen tavoitteen saavuttamiseksi käytin alkuperältään erilaisia Medicago truncatula-kasveja (Jemalong A17 ja F83005-5). Altistin kasvit auringon UV-säteilylle käyttämällä optisia suodattimia ja altistin kasvit kuivuusstressille rajoittamalla kastelua faktorikokeessa. Tulokset osoittivat, että UVR8 välittää sekä UV-B- että UV-Asw-säteilyn havaitsemista. Sen sijaan CRY:t välittävät UV-Alw-säteilyn ja sinisen valon havaitsemista. Lisäksi uusi havainto on, että UVR8 ja CRY:t ovat vuorovaikutuksessa antagonistisesti, säädellen transkriptometrin laajuisia vasteita UV-B- ja UV-Asw-säteilyyn. Väitöskirjani tarjoaa myös todisteita siitä, että UV-B + UV-Asw-säteily ja lievä kuivuus voivat olla positiivisessa vuorovaikutuksessa ja käynnistää sopeutumista lisäämällä epidermaalisen UV-suojauksen määrää kuivuutta huonosti kestävillä F83005-5 -alkuperän kasveilla, ja lisäämällä CHS:n transkriptiota kohtalaisesti kuivuutta sietävillä Jemalong A17 -alkuperän kasveilla. Lisäksi kaikki kolme tutkimusta osoittivat erilaisen vasteen UV-B + UV-Asw ja UV-Alw-säteilylle sekä auringonsäteilyn että simuloidun säteilyn alla, mikä viittaa tarpeeseen jakaa UV-A lyhyisiin ja pitkiin aallonpituuksiin tulevia UV-A-säteilyyn liittyviä tutkimuksia varten.
Subject: biological and Environmental Sciences
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record