Sari Siipola

Abstract: The physiological mechanisms controlling plant responses to dynamic changes in ambient solar ultraviolet (UV) radiation are not fully understood: this information is important to further comprehend plant adaptation to their natural habitats. We used the fluorimeter Dualex to estimate in vivo the epidermal flavonoid contents by measuring epidermal UV absorbance (A(375) ) in Betula pendula Roth (silver birch) leaves of different ages under altered UV. Seedlings were grown in a greenhouse for 15 days without UV and transferred outdoors under three UV treatments (UV-0, UV-A and UV-A+B) created by three types of plastic film. After 7 and 13 days, Dualex measurements were taken at adaxial and abaxial epidermis of the first three leaves (L1, L2 and L3) of the seedlings. After 14 days, some of the seedlings were reciprocally swapped amongst the treatments to study the accumulation of epidermal flavonoids in the youngest unfolded leaves (L3) during leaf expansion under changing solar UV environments. A(375) of the leaves responded differently to the UV treatment depending on their position. UV-B increased the A(375) in the leaves independently of leaf position. L3 quickly adjusted A(375) in their epidermis according to the UV they received and these adjustments were affected by previous UV exposure. The initial absence of UV-A+B or UV-A, followed by exposure to UV-A+B, particularly enhanced leaf A(375) . Silver birch leaves modulate their protective pigments in response to changes in the UV environment during their expansion, and their previous UV exposure history affects the epidermal-absorbance achieved during later UV exposure.

Abstract:

Abstract: Maapallolle tulevan haitallisen UV-B-säteilyn määrä on lisääntynyt stratosfäärin otsonikerroksen ohenemisen vuoksi. Lisääntynyt UV-B-säteily aiheuttaa muutoksia kasvien kasvuun ja keskinäiseen kilpailuun, kasvi-kasvinsyöjä ja kasvi symbionttivuorovaikutuksiin, kasvien kemialliseen koostumukseen ja ravinteiden kiertoon ekosysteemissä. Se vaurioittaa kasvin DNA:ta, fotosynteesikoneistoa ja solukalvoja. UV-B-säteily myös säätelee kasvien normaalia kehitystä. Kasvi voi suojautua UV-B-säteilyltä epidermiin kertyvillä fenolisilla yhdisteillä ja morfologian muutoksilla. Kasvi aistii säteilyä fotoreseptoreiden eli valoa absorboivien pigmenttien välityksellä. Fytokromi absorboi punaista ja pitkää punaista valoa, kryptokromi sinistä valoa ja UV-A-säteilyä ja fototropiini sinistä valoa. UV-B-reseptoreita on todennäköisesti monta ja ne toimivat yhdessa näkyvän valon reseptoreiden kanssa. Kun kasvin saamassa säteilyssä tapahtuu muutos, reseptorit välittävän tiedon kasviin. Syntyy signalointiketju, joka johtaa muutoksiin kasvin fysiologiassa ja/tai morfologiassa. UV-B-tutkimuksessa käytettävä vaikutusspektri kuvaa tarvittavan säteilyn määrää eri aallonpituuksilla tietyn suuruisen vasteen ilmenemisessä. Se muodostetaan annos-vastekäyrien perusteella. Vaikutusspektrejä käytetään biologisten painotuskertoimien laskemiseen. Painotuskertoimien avulla arvioidaan otsonikadon ja biologisesti vaikuttavan säteilyn muutoksen suhdetta. Käytössä olevissa painotuskertoimissa on annettu hyvin pieni painoarvo UV-A-säteilylle ja näkyvälle valolle. Näiden aallonpituusalueiden tiedetään kuitenkin vaikuttavan UV-B-säteilyn kasveille aiheuttamien muutosten voimakkuuteen. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tutkia eri aallonpituusalueiden vaikutuksia herneen (Pisum sativum cv. Meteor) vasteisiin ja saada uutta tietoa luotettavampien vaikutusspektrien ja biologisten painotuskertoimien tuottamiseksi. Herneen taimet itivät ja kehittyivät viidessä käsittelyssä, joissa niiden saamasta säteilystä poistettiin auringonvalon eri aallonpituusalueita. Käsittelyt olivat: 1) Polyesteri (poistettu UV-B-säteily), 2) MHCM09B (poistettu UV-B-säteily ja lyhytaaltoinen UV-A-säteily), Rosco 226 (poistettu UV-B- ja UV-A-säteily), Rosco 312 (poistettu UV-B- , UV-A-säteily ja sininen valo) ja Kontrollikalvo (läpäisi kaikki aallonpituudet). Kokeen aikana taimista mitattiin pituutta, lehtien epidermin fenolisten yhdisteiden määrää ja lehtien klorofyllipitoisuutta. Kerätyistä lehtinäytteistä mitattiin pinta-ala ja niistä eristettiin fenolisia yhdisteitä. Tulokset analysoitiin R-tilasto-ohjelmalla (versio 2.9.1). Kun käsittelyjen kokonaisvaikutus alitti tilastollisen merkitsevyyden rajan, käsittelyille tehtiin kontrastivertailu: kontrolli/polyesteri (UV-B-säteilyn vaikutus), polyesteri/MHCM09B (lyhytaaltoisen UV-A-säteilyn vaikutus), polyester/rosco 226 (UV-A-säteilyn vaikutus), MHCM09B/rosco 226 (pitkäaaltoisen UV-A-säteilyn vaikutus) ja rosco 226/rosco 312 (sinisen valon vaikutus). Sinisen valon poisto alensi lehtien epidermin absorptiota eli fenolisten yhdisteiden määrää ja useiden fenolisten yhdisteiden pitoisuutta lehdissä. UV-B-säteily nosti absorptiota nuorimmissa kasvulehdissä ja ensin avautuneissa alalehdissä. Nuorimpien lehtien epidermin absorbanssi oli vanhojen lehtien absorbanssia korkeampi. Fenolisten yhdisteiden pitoisuus nuorimmissa lehdissä oli suurin. Absorbanssi kohosi vanhemmissa alalehdissä niiden ikääntyessä. Yksittäisten fenolisten yhdisteiden pitoisuudet vaihtelivat yksilöllisesti eri käsittelyissä. Vaikuttaa siltä, että niiden pitoisuutta säädellään tarkasti ympäristötekijöiden muuttuessa. UV-B-säteilyn vaikutukset jäivät tässä tutkimuksessa hyvin vähäisiksi. Tulosten perusteella voidaan todeta, että luotettavien tulosten varmistamiseksi otsonikatotutkimuksessa on syytä kiinnittää huomiota siihen, paljonko UV-A-säteilyä ja sinistä valoa tutkittavat kasvit saavat. Taimien ja yksittäisten lehtien ikä on hyvä huomioida tutkimuksen suunnittelussa. Osa vasteista näkyi vasta viikkojen altistuksen jälkeen, minkä perusteella voidaan olettaa, että lyhyet kokeet varsinkaan ulkona ja luonnollisilla säteilyannoksilla eivät välttämättä ole luotettavia. Sinisen valon puuttumisen voimakas vaikutus mitattuihin vasteisiin on mielenkiintoinen ilmiö, jota olisi mielenkiintoista tutkia tarkemmin myös taimilla, jotka altistuvat UV-B-säteilylle. Tulevissa kokeissa haluaisin tutkia lehtien rakennetta ja kasvien ilmarakojen herkkyyttä valon aallonpituuksille erilaisissa olosuhteissa, esimerkiksi kuivuusstressissä. The amount of incoming solar UV-B radiation on Earth has increased as a consequence of stratospheric ozone depletion. UV-B radiation causes alterations to plant growth and ecology through competition, plant-herbivore and plant-symbiont interactions, plant chemical composition and nutrient cycling in ecosystems. UV-B also damages plant DNA, photosynthetic system and membranes. UV-B radiation controls the normal development of plants through photomorphogenic responses. Plants can protect themselves from UV-B radiation with changes in whole plant and leaf morphology and physiology particularlywith phenolic compounds that accumulate in the epidermis. Plants sense radiation with light absorbing pigments, photoreceptors. Phytochrome absorbs red and far-red light, Cryptochrome blue light and UV-A radiation and Phototropin blue light. Plants are most likely to have several UV-B receptors that function together with those receptors that absorb visible light. When the amount or quality of the radiation changes, receptors pass the information on to the plant and start a signal chain that leads to adjustments in plants physiology and morphology. Action spectra used in UV-B research describe the amount of radiation in different wavelengths needed to cause a certain size response. Their formulation is based on dose-response curves. Action spectra are used to calculate biological spectral weighting functions (BSWF); with weighting functions is possible to evaluate changes in biologically effective radiation during ozone depletion. The biological spectral weighting functions that are most widely used today give a very low importance to UV-A radiation and visible light. These wavebands are nevertheless known to make a difference to UV-B-response size in plants. The goal of this research was to study the effects of different wavebands on pea (Pisum sativum cv. Meteor) responses and to obtain information that can be used for producing more reliable action spectra and biological spectral weighting functions. Pea seedlings germinated and developed under five different solar radiation treatments from which certain wavebands were removed from the doses that seedlings received. The treatments were: 1) Polyester (UV-B removed) 2) MHCM09B (UV-B and short wave UV-A removed) 3) Rosco 226 (UV-B and UV-A removed) 4) Rosco 312 (UV-B, UV-A and blue light removed) 5) Control (transmits all wavelengths). During the experiment the height of the seedlings, phenolic compounds in leaf epidermis and leaf chlorophyll concentrations were measured. Leaf area was measured and phenolic compounds were extracted from the sampled leaves. Some of these phenolic compounds were identified. Results were analyzed with R statistics programme (version 2.9.1), Linear mixed effect model (general effect of treatments). If the general effect was significant (p <0,05), treatments were tested as contrast comparisons: Control/Polyester (effect of UV-B), Polyester/ MHCM09B (effect of short wave UV-A), Polyester/Rosco 226 (effect of UV-A), MHCM09B/Rosco 226 (effect of long wave UV-A) and Rosco 226/Rosco 312 (effect of blue light). The removal of blue light reduced the content of phenolic compounds in the leaf epidermis and the concentration of several phenolic compounds in the leaves. UV-B radiation increased the content of phenolic compounds in youngest leaves and first basal leaves to open. The content of phenolic compound in the epidermis was in general higher in youngest leaves compared to the oldest ones and the concentration of phenolic compounds was highest in youngest leaves. The content of phenolic compounds in the epidermis increased in the oldest basal leaves as they aged. Concentrations of individual compounds varied in different treatments in spite of the fact that the total of phenolic compounds remained almost unchanged. It seems that the concentration of individual components is carefully controlled when environmental factors change. However, in this study the effects of UV-B radiation on phenolic compounds remained minor. Based on the results it can be said that to ensure reliable results when researching the effects of changing solar UV-B filtered through ozone layer is important to take notice of changes in UV-A radiation and blue light as well. The age of seedlings and leaves should also be taken into account when planning measurements. Some of the responses could not be seen until weeks of exposure which gives a reason to assume that very short experiments, especially outdoors and under natural solar radiation are not necessary reliable. The strong effect of removing blue light on the responses is a phenomenon that would be interesting to study further with seedlings that are exposed to UV-B radiation. A better mechanistic understanding of these results could be obtained by studying the structure of the leaves and the sensitivity of stomata to different wavelengths in different light conditions, for example combined with drought stress.