Advanced

Modification of flavonoid content and photosynthesis by ultraviolet-B radiation. Atrazine-tolerant and -sensitive ultivars of Brassica napus.

Olsson, Louise LU (1999)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Ozonförtunning och UV-B strålning



Livet på jorden är beroende av ozonlagret, som finns i ett område 10-50 km upp i atmosfären som kallas stratosfären. Ozonmolekylerna (O3) absorberar bland annat ultraviolettstrålning-B (UV-B), som är en osynlig och skadlig komponent i solljuset. De senaste tjugo åren har ozonlagret tunnats ut därför att ozonförstörande ämnen, t.ex. freoner, har släppts ut i atmosfären. Detta leder till att mängden UV-B som når jorden ökar. UV-B, som är en mycket energirik strålning, absorberas av många biologiska molekyler, t.ex. DNA och proteiner. Detta kan orsaka hudcancer och ögonskador hos människor och andra djur. Växter, som utnyttjar solljuset som... (More)
Popular Abstract in Swedish

Ozonförtunning och UV-B strålning



Livet på jorden är beroende av ozonlagret, som finns i ett område 10-50 km upp i atmosfären som kallas stratosfären. Ozonmolekylerna (O3) absorberar bland annat ultraviolettstrålning-B (UV-B), som är en osynlig och skadlig komponent i solljuset. De senaste tjugo åren har ozonlagret tunnats ut därför att ozonförstörande ämnen, t.ex. freoner, har släppts ut i atmosfären. Detta leder till att mängden UV-B som når jorden ökar. UV-B, som är en mycket energirik strålning, absorberas av många biologiska molekyler, t.ex. DNA och proteiner. Detta kan orsaka hudcancer och ögonskador hos människor och andra djur. Växter, som utnyttjar solljuset som energikälla, skadas också. Förutom direkta skador i DNA och proteiner påverkas en del molekyler och processer i fotosyntesen.



Fotosyntes



Forskare har länge försökt efterlikna fotosyntesens unika energiomvandling. I växter finns särskilda pigment, klorofyller, vilka fungerar som solfångare och leder ljusenergin till de reaktioncentra där ljuset omvandlas till den energi människor och djur lever av. Råvarorna är koldioxid, vatten och ljus och produkten energirika kolhydrater. Den enda biprodukten är det syre som vi andas och som ozonlagret består av.



UV-absorberande pigment



Både växter och djur har pigment som skyddar mot UV-B strålning genom att absorbera den. Eftersom dessa pigment ligger i det yttersta cellagret hindrar de att underliggande vävnad skadas. Hos människor är det pigmentet melanin som absorberar UV strålning och som gör oss bruna. Växter har istället pigment som kallas flavonoider i bladen. Flavonoider har många andra egenskaper utöver den UV absorberande t.ex. ger de färg åt blommor och skyddar växten mot en del sjukdomar.



Forskningsprojekt



Jag har studerat hur flavonoidinnehållet och fotosyntesen påverkas i raps som bestrålats med förhöjda nivåer UV-B strålning. Jag har använt en vanlig rapssort (Paroll) och en som är muterad (Stallion) så att den tål herbiciden atrazin (ett bekämpningsmedel som dödar växter) för att se om UV-B strålning påverkade dem olika. Växterna utsattes för UV-B i två veckor under uppodlingen för studier av anpassningsförmågan, eller endast några timmar för försök där den omedelbara effekten på fotosyntesen undersöktes.



Resultat: flavonoider



Efter två veckor med förhöjd UV-B strålning hade mängden flavonoider ökat i bladen. Det var framförallt en viss sorts flavonoider som ökade, quercetin, som det fanns väldigt lite av i blad som inte utsatts för UV-B strålning. Andra undersökningar har visat att den tar bort fria radikaler (se nedan) mycket effektivare än kämpferol, som fanns i kontrollbladen. Fria radikaler är mycket reaktiva och kan skada många andra molekyler i sin närhet. De bildas bland annat när växten utsätts för mycket ljusenergi, t.ex. UV-B strålning. Därför tror man att quercetin skyddar mot UV-B strålning dels genom att direkt absorbera den, dels indirekt genom att ta bort fria radikaler.



Medicinska effeker av flavonoider



Intresset för flavonoider, särskilt quercetin, har ökat också inom den medicinska forskningen. Man har föreslagit att de till exempel motverkar hjärtkärlsjukdomar, inflammationer, allergier, cancertumörer och till och med AIDS. De flesta grönsaker och frukter innehåller mycket flavonoider, t.ex. lök, olika kålsorter och äpplen, men mest flavonoider får vi i oss när vi dricker te, kaffe, coca cola, öl och vin.



Resultat:fotosyntes



Fotosyntesen fungerade normalt eller bättre efter två veckors odling med UV-B strålning. Det kan bero på den ökade mängden flavonoider i det yttersta cellagret, som hindrade att UV-B ljus trängde in i bladen. Den ändrade bladanatomin kan också ha ökat genomträngningen av det ljus som används i fotosyntesen. Dessutom var de UV-B behandlade växterna mer köldtåliga, förmodligen därför att de hade mer flavonoider som kunde ta hand om de fria radikaler som bildas i kyla vid höga ljusintensiteter. I försöken där växterna inte hade anpassat sig till UV strålningen minskade fotosyntesens effektivitet, men när UV behandlingen slutade återhämtade de sig snabbt. Dock var mutanten känsligare än den normala sorten för höga ljusintensiteter och UV-B strålning.



Slutsatser



Studien visade att raps anpassar sig till ökad UV-B strålning vid ozonförtunning genom att bladanatomin och innehållet av olika ämnen, t. ex. UV absorberande flavonoider, ändras. Fotosyntesen fungerade normalt eller bättre efter två veckors behandling och växterna var mer köldtåliga. Den fotosyntetiska effektiviteten minskade bara efter korta tider med UV-B strålning i växter som inte var anpassade, men de återhämtade sig efter behandlingen. Resultaten tydde dock på att den atrazintoleranta mutanten var känsligare för höga ljusintensiteter och UV-B strålning än den normala sorten. Längre tider under förhöjd UV-B strålning, t.ex. en hel växtsäsong, skulle kanske visa ytterligare UV-B effekter, såsom lägre produktion därför att energin går till skyddsmekanismer istället. (Less)
Abstract
Levels of ultraviolet-B (UV-B, 280-320 nm) radiation reaching the Earth´s surface increase due to stratospheric ozone depletion. In this thesis the effect of enhanced UV-B radiation was studied on the atrazine-tolerant mutant Stallion, susceptible to photoinhibition, and the atrazine-sensitive cultivar Paroll of Brassica napus (oilseed rape). Photosynthetic parameters were studied with chlorophyll a fluorescence, photoacoustic measurements, CO2 fixation, immunoblotting and 35S-methionine labelling of the D1 protein. UV- screening was determined from internal radiation gradients in leaves by fibre optics and the content of UV-absorbing pigments by HPLC-diode array spectroscopy, -MS and NMR. Leaf anatomy was investigated by scanning electron... (More)
Levels of ultraviolet-B (UV-B, 280-320 nm) radiation reaching the Earth´s surface increase due to stratospheric ozone depletion. In this thesis the effect of enhanced UV-B radiation was studied on the atrazine-tolerant mutant Stallion, susceptible to photoinhibition, and the atrazine-sensitive cultivar Paroll of Brassica napus (oilseed rape). Photosynthetic parameters were studied with chlorophyll a fluorescence, photoacoustic measurements, CO2 fixation, immunoblotting and 35S-methionine labelling of the D1 protein. UV- screening was determined from internal radiation gradients in leaves by fibre optics and the content of UV-absorbing pigments by HPLC-diode array spectroscopy, -MS and NMR. Leaf anatomy was investigated by scanning electron microscopy. After two weeks of supplemental UV-BBE radiation (13 kJ m-2 day-1) and 800-900 µmol m-2 s-1 photosynthetically active radiation (PAR, 400-700 nm), the leaf area was reduced and leaf thickness increased, especially in the mutant. The penetration of UV-B radiation (310 nm) decreased in the leaves due to the accumulation of UV-screening phenolics. In the adaxial epidermis there was an increase especially in the flavonol quercetin, which is a better scavenger of free radicals than kaempferol, the latter of which dominates in control plants. Mostly kaempferol and hydroxycinnamic acid derivatives were found in the abaxial epidermis. The photosynthetic efficiency was unaltered or even higher after UV-B exposure in both cultivars. A concomitant increase in penetration of 430 nm radiation was noted. There was also an increase in carbon dioxide fixation after UV-B exposure. Short-term exposure (3-4 h) to UV-B and high PAR (1600-2000 µmol m-2 s-1) resulted in decreased photosynthetic efficiency and increased D1 degradation in both cultivars, although more severely in the mutant. Recovery under growth light was almost completed within four hours. However, it was less efficient after UV-B exposure, especially in the mutant. The D1 turnover was lower during recovery than under treatment and control conditions. UV-B radiation counteracted the reduction in photosynthetic capacity observed after cold stress (4C) under photoinhibitory conditions.



The results indicate that Brassica napus acclimatises to even high levels of UV-B radiation. However, the atrazine-tolerant mutant is more susceptible to short-term photoinhibition and UV-B radiation than the control cultivar. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Prof Hideg, Èva, Molecular stress- and photobiology Group, Institute of Plant Biology, Biological Research Center, Szeged, Hungary
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
recovery, quercetin, photosynthesis, photoinhibition, photoacoustics, leaf anatomy, kaempferol, flavonoid, D1 protein, fluorescence, cold stress, carbon dioxide, atrazine tolerance, Brassica napus, UV-B, Physiological biophysics, Växtfysiologi
pages
104 pages
publisher
Janet F. Bornman, Plant Phyiology, Box 117, Lund University, 221 00 Lund, Sweden
defense location
Section of Plant Physiology, Solvegatan 35, Lund
defense date
1999-11-05 13:00
external identifiers
  • Other:ISRN: LUNBDS/(nbfb-1036)/1-104(1999)
ISBN
91-628-390-7
language
English
LU publication?
yes
id
6d207391-633f-4b1c-baf5-b2045c217295 (old id 39962)
date added to LUP
2007-07-31 14:27:46
date last changed
2016-09-19 08:45:14
@misc{6d207391-633f-4b1c-baf5-b2045c217295,
  abstract     = {Levels of ultraviolet-B (UV-B, 280-320 nm) radiation reaching the Earth´s surface increase due to stratospheric ozone depletion. In this thesis the effect of enhanced UV-B radiation was studied on the atrazine-tolerant mutant Stallion, susceptible to photoinhibition, and the atrazine-sensitive cultivar Paroll of Brassica napus (oilseed rape). Photosynthetic parameters were studied with chlorophyll a fluorescence, photoacoustic measurements, CO2 fixation, immunoblotting and 35S-methionine labelling of the D1 protein. UV- screening was determined from internal radiation gradients in leaves by fibre optics and the content of UV-absorbing pigments by HPLC-diode array spectroscopy, -MS and NMR. Leaf anatomy was investigated by scanning electron microscopy. After two weeks of supplemental UV-BBE radiation (13 kJ m-2 day-1) and 800-900 µmol m-2 s-1 photosynthetically active radiation (PAR, 400-700 nm), the leaf area was reduced and leaf thickness increased, especially in the mutant. The penetration of UV-B radiation (310 nm) decreased in the leaves due to the accumulation of UV-screening phenolics. In the adaxial epidermis there was an increase especially in the flavonol quercetin, which is a better scavenger of free radicals than kaempferol, the latter of which dominates in control plants. Mostly kaempferol and hydroxycinnamic acid derivatives were found in the abaxial epidermis. The photosynthetic efficiency was unaltered or even higher after UV-B exposure in both cultivars. A concomitant increase in penetration of 430 nm radiation was noted. There was also an increase in carbon dioxide fixation after UV-B exposure. Short-term exposure (3-4 h) to UV-B and high PAR (1600-2000 µmol m-2 s-1) resulted in decreased photosynthetic efficiency and increased D1 degradation in both cultivars, although more severely in the mutant. Recovery under growth light was almost completed within four hours. However, it was less efficient after UV-B exposure, especially in the mutant. The D1 turnover was lower during recovery than under treatment and control conditions. UV-B radiation counteracted the reduction in photosynthetic capacity observed after cold stress (4C) under photoinhibitory conditions.<br/><br>
<br/><br>
The results indicate that Brassica napus acclimatises to even high levels of UV-B radiation. However, the atrazine-tolerant mutant is more susceptible to short-term photoinhibition and UV-B radiation than the control cultivar.},
  author       = {Olsson, Louise},
  isbn         = {91-628-390-7},
  keyword      = {recovery,quercetin,photosynthesis,photoinhibition,photoacoustics,leaf anatomy,kaempferol,flavonoid,D1 protein,fluorescence,cold stress,carbon dioxide,atrazine tolerance,Brassica napus,UV-B,Physiological biophysics,Växtfysiologi},
  language     = {eng},
  pages        = {104},
  publisher    = {ARRAY(0x9173d70)},
  title        = {Modification of flavonoid content and photosynthesis by ultraviolet-B radiation. Atrazine-tolerant and -sensitive ultivars of Brassica napus.},
  year         = {1999},
}