"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF9253
ETF9253 "Isopreeni emissioon papli- ja pajuliikidel: keskkonna-, füsioloogilised ja geneetilised kontrollmehhanismid (1.01.2012−31.12.2015)", Ülo Niinemets, Eesti Maaülikool, Põllumajandus- ja keskkonnainstituut.
ETF9253
Isopreeni emissioon papli- ja pajuliikidel: keskkonna-, füsioloogilised ja geneetilised kontrollmehhanismid
Environmental, physiological and genetic controls on isoprene emission in Populus and Salix
1.01.2012
31.12.2015
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ETIS klassifikaatorAlamvaldkondCERCS klassifikaatorFrascati Manual’i klassifikaatorProtsent
1. Bio- ja keskkonnateadused1.4. Ökoloogia, biosüstemaatika ja -füsioloogiaB310 Soontaimede füsioloogia 1.5. Bioteadused (bioloogia, botaanika, bakterioloogia, mikrobioloogia, zooloogia, entomoloogia, geneetika, biokeemia, biofüüsika jt100,0
PerioodSumma
01.01.2012−31.12.201220 988,00 EUR
01.01.2013−31.12.201320 988,00 EUR
01.01.2014−31.12.201420 988,00 EUR
01.01.2015−31.12.201520 988,00 EUR
83 952,00 EUR

Isopreen on lihtsaim lenduv isoprenoid, mis mängib tähtsat rolli taimede kuumastressi ja oksüdatiivse stressi tolerantsis. Lisaks olulisusele taime jaoks, mõjutab atmosfääri lisandgaas isopreen suureskaalalisi protsesse atmosfääris. Ainult teatud taimeliigid on võimelised konstitutiivseks isopreeni emissiooniks. Isopreeni emiteerijatest on Populus ja Salix liigid väga olulised bioenergiakultuurid, samuti domineerivad nad mitmeid varasuktsessionaalseid metsakooslusi ja märgalasid põhjapoolkera parasvöötmes. Vaatamata konstitutiivse isopreeni emissiooni olulisusele, pole isopreeni emissiooni mehhanismid senini piisavalt tuntud. Eriti ebapiisav on arusaam sellest, mil määral on isopreeni emissioon kontrollitud isopreeni süntaasi ja tema substraadi, dimetüülallüüldifosfaadi, poolt stressitingimustes ja keskkonnamuutustele kohanemisel. Hiljuti avastati, et taimedel on mitu erinevat isopreeni süntaasi geeni, kuid erinevate süntaaside roll ei ole teada. Keerulise hübriidse ja polüploidse genoomiga Salicaceae liikidel on suur süntaaside diversiteet, mis eeldatavalt korreleerub varieeruvusega emissioonimustrites. Käesoleva projekti põhiküsimusteks on: (1) Kui suur on isopreeni süntaasi Km väärtuste varieeruvus in vivo perekondade Populus ja Salix genotüüpidel? (2) Mil määral limiteerivad substraadi kontsentratsioon ja isopreeni süntaasi aktiivsus isopreeni emissiooni nõrga ja tugeva stressi korral ja keskkonnamuutustele kohanemisel? (3) Mis rolli mängivad isopreeni süntaasi erinevad isovormid emissioonikiiruste määramisel stressitingimustes; kas stressitingimustes indutseeritakse erinevaid isopreeni süntaase? (4) Kas hübridiseerumine ja polüploidiseerumine on seotud suurema isopreeni süntaaside aktiivsusega või/ja kas suurem isopreeni süntaasi geenide diversiteet on seotud keerulisema geeniekspressioonimustriga stressitingimustes? Me testime hüpoteese, et (1) liikide erinevus maksimaalsetes emissioonikiirustes on seotud peamiselt varieeruvusega isopreeni süntaasi aktiivsuses, (2) erinevaid isopreeni süntaasi geene ekspresseeritakse erinevalt stressitingimustes ja (3) genotüüpide polüploidiseerumine ja hübridiseerumine on seotud suurema varieeruvusega emissiooni stressivastustes. See projekt annab unikaalset teavet kloroplastset isoprenoidide rada kontrollivate tegurite kohta, eriti isopreeni sünteesi kontrolli kohta ning seega on tal nii alus- kui rakendusteadulik väärtus taimefüsioloogia ja ökoloogia jaoks ning biosfääri-atmosfääri suhete kvantitatiivsel mõistmisel.
The simplest volatile isoprenoid, isoprene, plays a major role in protecting plants from heat and oxidative stresses, and can also serve as a repellent for herbivores. Apart from the relevance for plants, isoprene plays a major role in large-scale earth system processes. Only certain plant species are capable of constitutive isoprene emission, and among them, Populus and Salix species are particularly relevant in pulp and energy forestry and as dominants in several forest formations and wetlands in Nordic latitudes. Despite the importance of constitutive isoprene release, the mechanisms of isoprene emission are still imperfectly understood. Especially under stress conditions and upon acclimation to environmental changes, the share of the emission controls by the availability of its immediate intermediate, dimethylallyldiphosphate (DMADP), and by isoprene synthase is unclear. In addition, multiple isoprene synthases have been recently discovered. The role of these different synthases in isoprene emission is not known, but in complex hybrid and polyploid genomes of Salicaceae, presence of multiple synthases may lead to large diversity of emission responses under stress. Current project addresses the following main questions: (1) How large is the variation in Km values of isoprene synthase in vivo in Populus and Salix genotypes? (2) To what extent the control on isoprene emission is shared between substrate pool size and isoprene synthase activity under mild and severe stress and in acclimating leaves? (3) What is the role of different isoforms of isoprene synthase in emissions under environmental stress; is stress inducing expression of different synthases? (4) Does polyploidization and hybridization lead to greater overall expression of isoprene synthases, or/and is greater diversity of synthases reflected in greater diversity of expression responses under stress? We test the hypotheses that (1) species differences in isoprene emission are mainly driven by variation in isoprene synthase activities, (2) different isoforms of isoprene synthase are expressed differently under stress, and (3) polyploidization and hybridization result in greater diversity of emission responses under stress. This project will provide unique information on the controls on chloroplastic isoprenoid synthesis pathway, and in particular, on isoprene synthesis, and is of major fundamental and practical value for plant science, ecology and atmospheric chemistry.
Käesoleva projekti raames testiti hüpoteese, et (1) erinevus maksimaalsetes isopreeni emissioonikiirustes on seotud peamiselt varieeruvusega isopreeni süntaasi aktiivsuses, (2) erinevaid isopreeni süntaasi geene ekspresseeritakse erinevalt stressitingimustes ja (3) genotüüpide polüploidiseerumine ja hübridiseerumine on seotud suurema varieeruvusega emissiooni stressivastustes. Projekti raames skriiniti isopreeni süntaasi kiiruste erinevust Eesti pajude genotüüpidel samuti erineva ploidsusega haava genotüüpidel. Ühtekokku toimusid mõõtmised 93-l paju genotüübil ning eri Balti riikidest kogutud di- ja trioloidsetel haavadel. Kõigil neil genotüüpidel määrati ploidsus voolutsütomeetria meetodil ja genotüpiseerumine toimus mikrosatelliidsete DNA markerite abil. Uuriti isopreeni emissioonimehhanisme eri CO2-e kontsentratsioonidel ning erinevatel temperatuuridel kasvanud haavataimedel, erivanuselistes lehtedes ja kuumastressi korral. Antud andmestik näitas, et osadel suurema ploidsusega genotüüpidel on tõepoolest suurem isopreeni emissiooni kiirus, eelkõige suurema isopreeni süntaasi aktiivsuse (hulga) tõttu. Samas ei leitud erinevate isopreeni süntaaside ekspresseerumist erinevate keskkonnastresside tingimustes. Leiti, et isopreeni valgus- ja CO2-e sõltuvused muutuvad eri CO2-e juures kasvanud taimedel ja erivanuselistes lehtedes, samuti muutub isopreeni emissiooni temperatuurisõltuvus eri temperatuuridel kasvanud taimedes. Leiti, et need muutused on peamiselt seotud isopreeni süntaasi aktiivsuse ja tema substraadi, dimetüülallüüldifosfaadi, kontsentratsiooni muutustega. Nii genotüüpsed muutused kui keskkonnapoolsed kohastumused isopreeni süntaasi hulgas on suuresti seotud struktuursete muutustega (muutustega lehtede pindtiheduses). Saadud tulemuste põhjal toimus intensiivne töö isopreeni emissioonimudeli edasiarendamiseks. Koostatud mudel leiab kasutamist isopreeni emissioonide ennustamiseks tuleviku kliimaatingimustes. Grandiprojekti tulemused vormistati 22 tippajakirjas (1.1) ilmunud artiklina ning kahe raamatupeatükina ning töö tulemusena kaitsti üks doktoritöö.