Plant oxygen deprivation stress and function of plant mitochondria under anoxia

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6854-2
Title: Plant oxygen deprivation stress and function of plant mitochondria under anoxia
Author: Virolainen-Arne, Eija
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Organismi ja evoluutiobiologian tutkimusohjelma
Doctoral Program in Plant Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-12-03
Belongs to series: E-thesis (http://ethesis.helsinki.fi)
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6854-2
http://hdl.handle.net/10138/321399
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Flooding stress and concomitant anoxia stress of plants has been in the focus of abiotic stress research for several decades. Despite that, there are several poorly studied areas in the field of flooding stress research such as responses of the anoxia-tolerant wild plant species and the function of plant mitochondria under oxygen deprivation stress. Contents and redox states of the small molecular antioxidants, that is ascorbate, glutathione and tocopherols, were determined in roots or rhizomes of four anoxia-tolerant and -intolerant plant species under anoxia and reoxygenation. Results of the study demonstrate that no correlation could be detected between the anoxia-tolerances of individual plant species and in the contents of given antioxidant induced by anoxia-reoxygenation stress but some correlation was observed between the redox states of glutathione pool and anoxia tolerances of the iris species of the study. Permeability transition was induced under high calcium ion concentration in wheat root mitochondria. Properties of the permeability transition in wheat mitochondria were characterized and results of the study demonstrated several similarities with the properties of the mammalian permeability transition. However, several features of the permeability transition observed in wheat root mitochondria diverge from the features found in plant mitochondria of different species or origin of tissue. Anaerobic ATP use of mitochondria isolated from roots of anoxia-sensitive wheat and anoxia-tolerant yellow flag iris was determined. Results of the study demonstrate that wheat mitochondria show high ATP hydrolyzing activity while mitochondria of yellow flag iris hydrolyze ATP molecules at a low rate under anoxia. Results of the study correlate well with the anoxia tolerances of the species referring to divergent survival strategies of the species under oxygen deprivation. While mitochondria of yellow flag iris, a species tolerating long-term anoxia, consume ATP at a sparing rate thus avoiding depletion of the ATP pool under anoxia, wheat mitochondria consume rapidly ATP molecules leading to abrupt ATP depletion and cell death. Investigating the mechanisms underlying plant anoxia-tolerance would benefit breeding of cultivated plants in order to have more flooding tolerant cultivars in future. Several aspects of plant anoxia-tolerance are still unknown and should be investigated such as properties and function of mitochondria in anoxia-tolerant wild plant species and function of the plant F1Fo-ATP synthase under anoxia.Kasvien tulvastressiä ja siitä aiheutuvaa hapenpuutestressiä on tutkittu vuosikymmeniä, mutta useat tutkimusalueet kuten hapettomuutta sietävien luonnonkasvien vasteet sekä kasvimitokondrioiden toiminta hapenpuutteessa tunnetaan silti yhä heikosti. Pienimolekyylisten antioksidanttien, askorbiinihapon, glutationin ja tokoferolien, määrät sekä antioksidanttien pelkistyneiden ja hapettuneiden muotojen keskinäiset määräsuhteet hapettomuudessa ja sen jälkeisissä hapellisissa oloissa mitattiin neljän hapettomuutta sietävän ja hapettomuudelle herkän kasvin juurista ja juurakoista. Tulokset osoittivat, että kasvien hapettomuuden sieto ei korreloinut hapettomuudesta ja sen jälkeisistä hapellisista oloista johtuvien antioksidanttien määrien muutosten kanssa, mutta kurjenmiekkojen hapettomuuden siedoilla havaittiin olevan jonkin verran korrelaatiota niiden juurakoista määritetyn glutationin pelkistyneen ja hapettuneen muodon määräsuhteiden muutosten kanssa. Vehnänjuurista eristettyjen mitokondrioiden läpäisevyyden muutoksen ominaisuudet määritettiin. Tulokset osoittivat, että vehnän juurimitokondrioiden läpäisevyyden muutoksella on useita yhteneväisiä ominaisuuksia nisäkäsmitokondrioiden läpäisevyyden muutoksen kanssa, mutta useat havaituista ominaisuuksista eroavat muista kasvilajeista tai eri kasvin osista eristettyjen mitokondrioiden läpäisevyyden muutoksen ominaisuuksista. Hapettomuudelle herkän vehnän ja hapettomuutta hyvin sietävän keltakurjenmiekan juurista eristettyjen mitokondrioiden ATP molekyylien hapettomuuden aikainen kulutus määritettiin. Tulokset osoittivat, että vehnän juurimitokondriot hydrolysoivat ATP molekyylejä hapettomuudessa nopealla tahdilla, kun puolestaan keltakurjenmiekan juurimitokondriot hydrolysoivat ATP molekyylejä hapettomuudessa oleellisesti hitaammalla tahdilla. Saadut tulokset korreloivat hyvin tutkittavien lajien hapettomuuden siedon kanssa tulosten viitatessa lajien selviytymisstrategiaan hapenpuutestressissä. Pitkäkestoista hapettomuutta sietävän keltakurjenmiekan mitokondriot kuluttavat säästeliäästi ATP molekyylejä välttäen solujen ATP varastojen hupenemisen hapettomuudessa, kun vehnän mitokondriot kuluttavat nopeasti ATP molekyylejä hapettomuudessa, jonka seurauksena solujen ATP varastot tyhjenevät nopeasti johtaen solujen kuolemaan. Kasvien hapettomuuden siedon mekanismien selvittäminen hyödyttäisi viljelykasvien tulvansiedon muokkaamista ja siksi hapettomuutta sietävien luonnonkasvien mitokondrioiden sekä kasvimitokondrioiden ATP syntaasin toimintaa tulisi selvittää hapettomuudessa.
Subject: kasvibiologia
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

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
virolainen-arne_eija_dissertation_2020.pdf 483.6Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record