Evoluciona ekofiziologija stresa: uloga enzimskih i neenzimskih antioksidanata u prirodnim populacijama Iris pumila L. (Iridaceae)

Abstract

U evolucionoj biologiji sredinski stres se definiše kao mehanizam koji dovodi do adaptacija i evolucije u promenljivoj sredini, i istovremeno ukljucuje svojstva stresora, kao sredinsku komponentu i stresiranih, kao biološku komponentu. Više biljke, kao modularni i sesilni organizmi, razvile su tokom evolucije veliki broj biohemijskih, fizioloških i anatomsko-morfoloških mehanizama koji im omogucuju povecanje individualne adaptivne vrednosti pod nestabilnim uslovima životne sredine. Kratkorocno, odnosno u ekološkoj vremenskoj skali, biljke se usaglašavaju sa variranjem biotickih i abiotickih faktora u svojim staništima fleksibilnošcu fenotipa, koja može da obuhvati sve nivoe biološke organizacije - od molekularnog do morfološkog. Za prirodne populacije biljaka, svetlost je jedan od prostorno i vremenski najvarijabilnijih abiotickih faktora životne sredine i, istovremeno, jedan od najvažnijih sredinskih resursa. U tom kontekstu, od izuzetne važnosti su biohemijski mehanizmi zaštite biljaka od oksidativnog stresa koje cine enzimski i neenzimski antioksidanti. Ciljevi ove doktorske disertacije su: (I) ispitivanje velicine i obrazaca sezonske fenotipske plasticnosti biohemijskih (specificna aktivnost antioksidativnih enzima superoksid dismutaze – SOD, askorbat peroksidaze – APX, katalaze – CAT, glutation reduktaze – GR, peroksidaza III klase - POD; kolicina neenzimskih antioksidanata, antocijana – Anth i fenola - Phen), morfološko-anatomskih (specificna površina lista - SLA i gustina stoma - SD) i fizioloških osobina lista (sadržaj suve materije u listu – LDMC, sadržaj vode u listu – LWC, relativni sadržaj vode u listu – RWC, sukulentnost – SU, kolicina fotosintetickih pigmenata: hlorofila a - Chl a, hlorofila b - Chl b i karotenoida - Cars) biljaka I. pumila iz dve prirodne populacije, od kojih je jedna naseljavala otvoreno (populacija „Dina“), a druga zasenceno (populacija „Šuma“) stanište u Deliblatskoj pešcari; (II) testiranje hipoteze o lokalnim adaptacijama lista I. pumila na abioticke uslove otvorenog i zasencenog staništa korišcenjem reciprocno-transplantacionog eksperimenta u prirodi; (III) utvrdivanje variranja u stepenu (relativna varijansa sopstvene vrednosti, rVE) i obrascima fenotipske integracije (CPC analiza) funkcionalno povezanih osobina lista I. pumila, indukovanog heterogenošcu životne sredine. Obrazac sezonskog variranja funkcionalnih osobina lista kod biljaka I. pumila iz populacija Dina i Šuma bio je specifican za svaku osobinu, kao i za svaku ispitivanu populaciju. Specificne aktivnosti vecine antioksidativnih enzima, kao i kolicina neenzimskih antioksidanata bile su najvece tokom najstresnijeg, letnjeg perioda, koga karakterišu visok intenzitet svetlosti, povišena temperatura vazduha i nedostatak vode u podlozi, u poredenju sa drugim godišnjim dobima kao što su prolece i jesen. Tokom cele vegetacione sezone biljke iz populacije Šuma su imale više aktivnosti antioksidativnih enzima u odnosu na biljke iz populacije Dina, dok je suprotan trend utvrden za neenzimske antioksidante, narocito antocijane, cija je kolicina po pravilu bila veca u listovima biljaka sa otvorenog staništa. Pored variranja u aktivnosti i kolicini antioksidanata, u populaciji Dina uoceno je i smanjenje kolicine hlorofila, kao jedan od mehanizama kojim biljke I. pumila sa otvorenog staništa regulišu nastanak reaktivnih vrsta kiseonika u hloroplastima. Testiranje adaptivnosti ispitivanih biohemijskih, fizioloških i morfološko-anatomskih osobina lista I. pumila pokazalo je da se srednje vrednosti vecine ovih osobina nisu statisticki znacajno razlikovale izmedu genotipova iz populacija Dina i Šuma ni na otvorenom kao ni na zasencenom staništu. Odsustvo statisticki znacajnih medu-populacionih razlika kod I. pumila na istom staništu ukazuje da se populacije Dina i Šuma nisu geneticki diferencirale pod uticajem lokalne selekcije u njihovim svetlosnim sredinama. Dakle, pošto nacin variranja testiranih osobina lista (indukovanog razlicitim intenzitetima ambijentalne svetlosti) povecava performansu biljaka I. pumila pod datim sredinskim uslovima, ovaj tip promene fenotipa mogao bi se definisati kao adaptivna plasticnost. Velicina fenotipske plasticnosti u odnosu na svetlost, procenjena na osnovu indeksa plasticnosti, bila je specificna za svaki tip analiziranih osobina lista. Antioksidanti i fotosinteticki pigmenti ispoljavali su vecu fenotipsku plasticnost u odnosu na morfološko-anatomske i fiziološke osobine. Nepostojanje statisticki znacajnih razlika u plasticnosti vecine analiziranih osobina lista, izmedu populacija sa otvorenog i zasencenog staništa, ukazuje da genotipovi I. pumila razlicitog porekla „reaguju“ na variranje intenziteta svetlosti formiranjem slicnih, adaptivnih fenotipova, sprecevajuci na taj nacin delovanje lokalne selekcije na fenotipsku plasticnost ispitivanih osobina. Poznato je iz literaturnih podataka da porast intenziteta sredinskog stresa može da dovede do povecanja integrisanosti funkcionalno povezanih osobina ili modula organizama, što je takode potvrdeno i u slucaju I. pumila. Najveci broj korelacija izmedu analiziranih osobina lista konstatovan je u najnepovoljnijem, letnjem periodu kod biljaka iz obe populacije, odnosno pod uslovima povecanog intenziteta abiotickog stresa. Broj i velicina koeficijenata fenotipskih korelacija, bili su najveci u grupi osobina koje cine antioksidanti, kao i u grupi osobina vezanih za fotosinteticke pigmente, što navodi na zakljucak da bi se ove dve grupe osobina mogle tretirati kao posebni funkcionalni moduli unutar lista.

In evolutionary biology, environmental stress is defined as a mechanism that leads to adaptation and evolution in a variable environment and includes properties of stress, as an environmental component, and stressed, as the biological component. During the evolution higher plants, as sessile and modular organisms, have developed a number of biochemical, physiological and morpho-anatomical mechanisms that enable them to increase individual fitness under unstable environmental conditions. Short-term, in ecological time scale, plants adjust to varying biotic and abiotic factors in their habitat by phenotype flexibility, which may include all levels of biological organization - from the molecular to the morphological. For natural populations of plants, light is the most heterogeneous abiotic factor, both spatially and temporally, and at the same time, one of the most important environmental resources. In this context, antioxidative enzymes and non-enzymatic antioxidants, as specific biochemical mechanisms, are of grat importance for plants protection against oxidative stress. The aims of this doctoral dissertation were: (I) to investigate the size and patterns of seasonal phenotypic plasticity of biochemical (specific activities of antioxidative enzymes superoxide dismutase - SOD; ascorbate peroxidase – APX, catalase – CAT, gluthatione reductase - GR, class III peroxidase – POD; content of non-enzymatic antioxidants, anthocyanins - Anth and phenolics - Phen), morpho-anatomical (specific leaf area - SLA, stomatal density - SD) and physiological leaf traits (leaf dry matter content - LDMC, leaf water content - LWC, relative leaf water content - RWC, succulence – SU, concentration of photosynthetic pigments: chlorophyll a - Chl a, chlorophyll b - Chl b and carotenoids - Cars) in two I. pumila populations, one inhabiting open site (“Dune” population) and the other one from woodland understory (“Wood” population) in Deliblato sand; (II) testing the local adaptation hypothesis of I.pumila to abiotic conditions at the open and shaded habitat, using reciprocal transplant experiment in nature (III) to determine the variation of degree (relative variance of eigen-value, rVE) and patterns of phenotypic integration (CPC analysis) of functionally linked traits in the I.pumila leaves, induced by heterogeneous environment. The seasonal variation pattern of functional leaf traits of I.pumila from two populations, Dune and Wood, was specific for each trait, as well as for the population tested. Specific activities of antioxidative enzymes and content of non-enzymatic antioxidants were the highest during the most stressful, summer period, with high light intensities, elevated atmospheric temperature and water deficit, in comparison to other seasons, such as spring or autumn. During the whole vegetation period, plants from the Wood population had higher antioxidative enzymes activities than those from the Dune population, while an opposite trend was observed for non-enzymatic antioxidants, especially anthocyanins, whose content was, in general, higher in the leaves of plants from the open habitat. Besides the variation in the activities and contents of antioxidants, a decrease in the chlorophyll concentration was observed in plants from Dune population, which could be a means for regulating reactive oxygen species generation in the chloroplasts of these plants. Testing the adaptability of the biochemical, physiological and morphoanatomical leaf traits in the I. pumila showed that average values for most of the traits investigated did not differ significantly between the Dune and Wood population, neither in the open nor in the shaded habitat. No statistically significant differences among I. pumila populations at the same habitat implicate there was no genetic differentiation between Dune and Wood populations due to local selection in their light environments. Therefore, as the pattern of variation of tested leaf traits (induced by different intensities of ambient light) increases the performance of I. pumila under the given environmental conditions, this type of phenotypic changes could be defined as adaptive plasticity. The size of light-induced phenotypic plasticity, estimated by the plasticity index, was specific for each type of leaf traits considered. Antioxidants and photosynthetic pigments showed higher phenotypic plasticity compared to morpho-anatomical and physiological traits. The absence of statistical significance in the plasticity of the most of the leaf traits analyzed indicates that I. pumila genotypes of different origin respond to light intensity variation by forming similar, adaptive phenotypes, thus preventing the effect of local selection on phenotypic plasticity of the investigated leaf trait. According to the literature data, increased environmental stress intensity can be followed by an increase in the integrity of functionally related traits or organism modules, which was also confirmed in I.pumila. The highest number of correlation between analyzed leaf traits was obtained in the least favourable, summer period in the plants from both populations, that is, under increased intensity of abiotic stress. The size and number of phenotypic correlation coefficients were the highest in the group of antioxidants, as well as in the group of traits related to photosynthetic pigments, leading to the conclusion that these two groups of traits could be treated as separate leaf functional modules.