Long-term exposure to solar blue and UV radiation in legumes : pre-acclimation to drought and accession-dependent responses in two successive generations

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6933-4
Title: Long-term exposure to solar blue and UV radiation in legumes : pre-acclimation to drought and accession-dependent responses in two successive generations
Author: Yan, Yan
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences
Doctoral Program in Plant Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-02-05
Belongs to series: URN:ISSN:2342-5431
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6933-4
http://hdl.handle.net/10138/323624
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Blue and UV radiation are environmental cues or sources of information that can shape the morphology and development of plants. It was hypothesized that: H1) long-term treatments of solar blue (400–500 nm), long-UV (350–400 nm) and short-UV (290–350 nm) radiation (starting before seedling emergence) are perceived as different and can trigger distinct morphological, physiological and molecular responses; H2) parental long-term exposure to short-UV radiation before flowering affects response patterns to blue and UV radiation in the offspring; H3) long-term exposure to solar blue, long-UV and/or short-UV radiation enhances drought tolerance; H4) the responses in H1, H2 and H3 are accession-dependent and related to the environments where the accessions originate. To test these hypotheses, three experiments assessed morphological, physiological and molecular responses of accessions of two legume species, faba bean (Vicia faba L.) (I, II) and barrel medic (Medicago truncatula Gaertn.) (III). To impose radiation treatments by attenuating different wavebands of sunlight, four types of plastic filters were used in experiments I and III outdoors. Through pairwise filter comparisons, three different solar wavebands were assessed: blue, long-UV and short-UV radiation. In experiment I, two accessions of V. faba (Aurora; ILB938) originating from contrasting UV environments (southern Sweden; Andean region of Colombia and Ecuador) were grown under the four filters in sunlight. To study the transgenerational effect of solar short-UV radiation, experiment II was established using seeds produced by plants from experiment I and a factorial experiment design combining the two V. faba accessions, two parental UV treatments (full sunlight and exclusion of short-UV radiation) and four offspring light treatments, from the factorial combination of UVB and blue radiation manipulations in a controlled environment. In experiment III, the effect of long-term exposure to solar blue, long-UV and short-UV radiation during growth on the tolerance of subsequent progressive drought was studied in three M. truncatula accessions using the same filter treatments as in experiment I combined with progressive drought treatments imposed by withholding watering for 2 and 7 days to half the plants starting 40 days after sowing. The three M. truncatula accessions, Jemalong A17, HM006 and HM020, originate from Australia, France and Tunisia, respectively. After long-term natural light treatments (I, III), blue light but not long-UV or short-UV radiation, significantly regulated plant morphology and transcript abundance. In contrast, both solar blue and short-UV radiation, but not long-UV radiation, induced the accumulation of total flavonoids in leaves of V. faba (I) and M. truncatula (III). Moreover, simultaneous exposure to blue and UVB radiation had a synergetic effect on the induction of flavonoid accumulation (II). In V. faba, the variations of flavonoid composition and gene expression between the two accessions were consistent throughout the two successive generations (I, II). In V. faba, the transgenerational effect of short-UV radiation altered the morphological responses of the progenies to blue light, and it also affected flavonoid accumulation of the offspring in response to UVB radiation. Moreover, the transgenerational effects differed in the two accessions (II): in Aurora, the parental exposure to solar short-UV radiation led to a near-doubling of total quercetin concentration in response to UVB radiation in the progeny, while this was not observed in ILB938. The difference of responses to blue and UV radiation in these two accessions are consistent with adaptation to contrasting UV environments. In M. truncatula, long-term exposure to both solar blue and UV radiation pre-acclimated plants to subsequent slowly imposed drought, as observed in the transcriptomic result in accession Jemalong A17 that drought (2 and 7 days without watering) did not regulate differentially expressed genes (DEGs) under the filter transmitting blue and UV radiation. In contrast, drought increased transcript abundance of several previously described stress-inducible genes under all other filters. In the light of transcriptomic and flavonoid responses to filter and drought treatments, two processes potentially contribute to light-driven acclimation to drought: 1) increased flavonoid accumulation under blue and short-UV radiation could enhance the capability to scavenge drought-induced reactive oxygen species (ROS); 2) down-regulation of genes involved in light reactions of photosynthesis by blue light could reduce the generation of ROS when stomata close. In conclusion, under long-term sunlight treatment, blue light modified plants’ morphology and transcript change while both blue and short-UV radiation induced the accumulation of flavonoids; a transgenerational effect of short-UV radiation influenced offspring responses to blue and UVB radiation differently in the two accessions; both blue and UV radiation contributed to pre-acclimation toward subsequent drought by functioning as environmental cues rather than stressors even if the specific responses differed among accessions. Thus, the results support the four hypotheses.Sininen valo ja UV-säteily toimivat informaationa, joka voi muokata kasvien morfologiaa ja kehitystä. Hypoteeseina esitetään, että: H1) pitkäkestoiset sinisen valon (400–500 nm), pitkäaaltoisen UV-säteilyn (350–400 nm) ja lyhytaaltoisen UV-säteilyn (290–350 nm) käsittelyt (jotka alkavat ennen taimien esille tulemista), havaitaan erilaisina ja voivat laukaista erillisiä morfologisia, fysiologisia ja molekulaarisia vasteita; H2) emokasvien pitkäaikainen altistus lyhytaaltoiselle UV-säteilylle ennen kukkimista vaikuttaa jälkeläiskasvien sinisen valon ja UV-säteilyn vasteisiin; H3) pitkäaikainen altistus siniselle auringonvalolle ja auringon pitkä- tai lyhytaaltoiselle UV-säteilylle lisää kuivuudensietokykyä; H4) vasteet hypoteeseissa H1, H2 ja H3 vaihtelevat eri kasvikannoilla riippuen kantojen alkuperäisten ympäristöjen olosuhteista. Näiden hypoteesien testaamiseksi arvioitiin kolmessa kokeessa kahden hernekasvin, härkäpavun (Vicia faba L.) (I, II) ja palikkamailasen (Medicago truncatula Gaertn.) (III) kantojen morfologisia, fysiologisia ja molekulaarisia vasteita. Ulkokokeiden I ja II käsittelyissä vaimennettiin auringon eri aallonpituuksia käyttämällä neljää erilaista muovikalvoa. Käyttämällä parittaisia kalvojen vertailuja arvioitiin kolmen eri aallonpituusalueen, sinisen valon, pitkäaaltoisen UV-säteilyn ja lyhytaaltoisen UV-säteilyn vaikutuksia. Kokeessa I kahta härkäpapukantaa (Aurora; ILB938), joilla on vastakkaiset UV-olosuhteet (Etelä-Ruotsi; Andien alue Columbiassa ja Equadorissa), kasvatettiin ulkona neljän kalvon alla. Lyhytaaltoisen UV-säteilyn aiheuttaman sukupolven ylittävän vaikutuksen tutkimiseksi kokeessa II käytettiin kokeessa I olleiden kasvien tuottamia siemeniä ja koejärjestelyä, jossa oli kaksi härkäpavun kantaa, kaksi emokasvien UV-käsittelyä (koko auringonsäteily ja käsittely, jossa säteilystä poistettiin lyhytaaltoinen UV-säteily) ja neljä jälkeläiskasvien käsittelyä kontrolloidussa ympäristössä tehtyjen UV-B-säteilyn ja sinisen valon kokeiden mukaisesti. Kokeessa III pitkäaikaisen sinisen auringonvalon, pitkäaaltoisen UV-säteilyn ja lyhytaaltoisen UV-säteilyn vaikutuksia myöhemmin tulevan, lisääntyvän kuivuuden kestoon tutkittiin kolmella palikkamailasen kannalla käyttäen samoja kalvokäsittelyjä kuin kokeessa I yhdistettynä lisääntyvään kuivuuskäsittelyyn, joka toteutettiin lopettamalla kastelu 50 % kasveista kahdeksi ja seitsemäksi päiväksi 40 päivää kylvämisen jälkeen. Nämä kolme kantaa, Jemalong A17, HM006 ja HM020, ovat alkuperältään (vastaavassa järjestyksessä) Australiasta, Ranskasta ja Tunisiasta. Pitkäkestoisissa luonnonvalokäsittelyissä (I, III) sininen valo, toisin kuin pitkä- tai lyhytaaltoinen UV-valo, sääteli merkittävästi kasvien morfologiaa ja transkriptioiden määrää, kun taas flavonoidien akkumuloitumista V. faban (I) ja M. trunculatan (III) lehtiin indusoivat sekä sininen valo että lyhytaaltoinen UV-säteily, mutta ei pitkäaaltoinen UV-säteily. Lisäksi samanaikaisella siniselle valolle ja UV-säteilylle altistumisella oli positiivinen yhteisvaikutus flavonoidien akkumuloitumiseen (II). V. faballa kahden eri kannan välinen vaihtelu flavonoidien määrällisissä suhteissa ja geeniekspressioissa pysyi samana peräkkäisillä sukupolvilla (I, II). Lyhyen UV-säteilyn seuraavaan sukupolveen ulottuva vaikutus muutti jälkeläisten sinisen valon morfologisia vasteita ja vaikutti myös jälkeläisissä tapahtuvaan flavonoidien akkumuloitumiseen vasteena UV-säteilylle. Seuraavaan sukupolveen ulottuvat vaikutukset erosivat kahdella tutkittavalla kannalla (II): Auroralla emokasvien altistuminen lyhytaaltoiselle auringonvalon UV-säteilylle johti jälkeläisillä lähes kaksinkertaiseen kversetiinien pitoisuuteen vasteena UV-säteilylle, mitä ei havaittu lainkaan ILB938-kannassa. Sinisen valon ja UV-säteilyn vasteet näissä kahdessa kannassa ovat yhteneväiset kantojen vastakkaisiin UV-ympäristöihin sopeutumisen kanssa. M. truncatulan osalta pitkäaikainen altistus siniselle valolle ja UV-säteilylle valmisti kasveja ennakoivasti myöhempää hitaasti etenevää kuivuutta vastaan, mikä havaittiin transkriptiotuloksissa kannalla Jemalong A17, jolla kuivuus (2 ja 7 päivää ilman kastelua) ei säännellyt differentiaalisesti ekspressoituvia geenejä (DEG) sinistä valoa ja UV-säteilyä läpäisevien kalvojen alla. Tätä vastoin kuivuus lisäsi useiden aiemmin kuvailtujen stressiin liittyvien geenien transkriptioita kaikkien muiden kalvojen alla. Tulosten valossa kaksi prosessia vaikuttaa mahdollisesti valon indusoimaan kuivuudenkestoon: 1) lisääntynyt sinisen valon ja lyhyen UV-säteilyn aiheuttama flavonoidien akkumulaatio voi kasvattaa kykyä käsitellä kuivuuden indusoimia reaktiivisia happiradikaaleja (ROS); 2) sinisen valon aiheuttama fotosynteesin valoreaktioihin liittyvien geenien ilmenemisen väheneminen voi ilmarakojen kiinni ollessa vähentää reaktiivisten happiradikaalien muodostumista. Johtopäätöksenä esitetään, että pitkäaikaisessa auringonvalolle altistuksessa sininen valo muokkasi kasvien morfologiaa ja transkriptien muutoksia, kun taas sekä sininen valo, että lyhytaaltoinen UV-säteily indusoivat flavonoidien akkumulaatiota; seuraavaan sukupolveen ulottuva lyhyen UV-säteilyn vaikutus vaikutti jälkeläisten sinisen valon ja UVB-säteilyn vasteisiin eri lailla kahdella kasvikannalla; sekä sininen valo, että UV-säteily osallistuivat ennakoivaan kuivuudenkestävyyden vahvistamiseen toimimalla, ei stressinä, vaan ympäristön vihjeinä, vaikkakin kasvikantojen vasteet tässä vaihtelivat. Täten tulokset tukivat neljää esitettyä hypoteesia.
Subject: plant biology
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
Yan_Yan_dissertation_05022021.pdf 18.63Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record