Informace o kvalifikační práci Vliv auxinových herbicidů na rovnováhu endogenních hladin IAA a jejích metabolitů u Hordeum vulgare a Arabidopsis thaliana
Účinek syntetických auxinových herbicidů (SAH) na regulaci endogenní homeostázy auxinu zůstává u rostlin nejasný. Cílem této diplomové práce je odhalit reakce endogenních metabolických drah u jednoděložných (Hordeum, tolerantní vůči SAH) a dvouděložných (Arabidopsis, citlivé na SAH) rostlin vystavených exogennímu IAA nebo auxinovým herbicidům (2,4-D, dicamba, picloram a quinclorac). Byly vybrány sady 6 cílových genů Arabidopsis (CYP79B2, CYP71A13, TAR2 and YUC2/4/6) a 7 cílových genů ječmene (TSB, AMI, TAA/TAR, YUC, GH3.3, DAO and UGT74D1) jejichž relativní exprese byla testována pomocí RT-qPCR. Pro zisk dalších informací o udržování IAA homeostázy, hladiny IAA, jejích prekurzorů, konjugátů a produktů degradace (ANT, TRP, TAM, IAOx, IAN, IAM, IPyA, IAA, IAA-Asp, IAA-Glu, oxIAA, oxIAA-Glc a IAA-Glc) byly analyzovány pomocí metody extrakce na pevné fázi a LC-MS/MS. Účinek IAA a SAH na ječmen byl zřejmý zejména snížením endogenní hladiny IAA po ošetření herbicidy dicamba, picloram a quinclorac, změnou hladin IAA prekurzorů TAM a IPyA, zvýšením koncentrace IAA konjugátů a produktů degradace korelující se zvýšenou expresí genu kódujícího enzym zapojený do konjugace IAA (GH3.3). Studie expresních profilů Arabidopsis odhalila nadregulaci enzymů zapojených v IAOx syntetické dráze IAA typické pro Brassicaceae a také zvýšenou expresi TAR2 po všech ošetřeních. Účinek IAA a auxinových herbicidů na Arabidopsis a ječmen vykazoval překvapivě podobné trendy. Tyto výsledky mohou přispět k pochopení různých účinků SAH na dvouděložné a jednoděložné rostliny, respektive na plevele a plodiny, a jak se vyvíjí odolnost vůči SAH.
Anotace v angličtině
The effect of synthetic auxin herbicides (SAHs) on the regulation of endogenous auxin homeostasis in plants remains unclear. The aim of this thesis to reveal how endogenous metabolic pathways respond when monocot (Hordeum, SAH tolerant) and dicot (Arabidopsis, SAH susceptible) plants are exposed to exogenous IAA or auxin herbicides (2,4-D, dicamba, picloram and quinclorac). Sets of 6 Arabidopsis target genes (CYP79B2, CYP71A13, TAR2 and YUC2/4/6) and 7 barley genes (TSB, AMI, TAA/TAR, YUC, GH3.3, DAO and UGT74D1) were chosen and their relative expression was tested using RT-qPCR. To have further insight on regulation of IAA homeostasis, level of IAA precursors, conjugates and degradation products (ANT, TRP, TAM, IAOx, IAN, IAM, IPyA, IAA, IAA-Asp, IAA-Glu, oxIAA, oxIAA-Glc and IAA-Glc) were analyzed using method of solid-phase extraction and LC-MS/MS. The effect of auxin and SAHs on barley was obvious, especially decreasing of endogenous IAA levels after dicamba, picloram and quinclorac treatment, alternations in IAA precursor levels TAM and IPyA, and increases of auxin conjugates and degradation products correlated with increased expression of gene coding enzyme involved in IAA conjugation (GH3.3). The study in expression profiles in Arabidopsis reveal upregulation of the enzymes involve in IAA synthetics pathway typical for Brassicaceae, and increased expression of TAR2 after all treatments. The effect of IAA and auxin herbicides on Arabidopsis and barley showed surprisingly similar trends. These results may contribute to the understanding of how SAHs effect dicot and monocot plants, respectively on weeds and crops, differently and how is resistance to the SAHs developed.
Arabidopsis thaliana, auxin, auxin conjugates, auxin herbicides, auxin homeostasis, barley, liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), RT-qPCR
Rozsah průvodní práce
75 (153 108 znaků)
Jazyk
AN
Anotace
Účinek syntetických auxinových herbicidů (SAH) na regulaci endogenní homeostázy auxinu zůstává u rostlin nejasný. Cílem této diplomové práce je odhalit reakce endogenních metabolických drah u jednoděložných (Hordeum, tolerantní vůči SAH) a dvouděložných (Arabidopsis, citlivé na SAH) rostlin vystavených exogennímu IAA nebo auxinovým herbicidům (2,4-D, dicamba, picloram a quinclorac). Byly vybrány sady 6 cílových genů Arabidopsis (CYP79B2, CYP71A13, TAR2 and YUC2/4/6) a 7 cílových genů ječmene (TSB, AMI, TAA/TAR, YUC, GH3.3, DAO and UGT74D1) jejichž relativní exprese byla testována pomocí RT-qPCR. Pro zisk dalších informací o udržování IAA homeostázy, hladiny IAA, jejích prekurzorů, konjugátů a produktů degradace (ANT, TRP, TAM, IAOx, IAN, IAM, IPyA, IAA, IAA-Asp, IAA-Glu, oxIAA, oxIAA-Glc a IAA-Glc) byly analyzovány pomocí metody extrakce na pevné fázi a LC-MS/MS. Účinek IAA a SAH na ječmen byl zřejmý zejména snížením endogenní hladiny IAA po ošetření herbicidy dicamba, picloram a quinclorac, změnou hladin IAA prekurzorů TAM a IPyA, zvýšením koncentrace IAA konjugátů a produktů degradace korelující se zvýšenou expresí genu kódujícího enzym zapojený do konjugace IAA (GH3.3). Studie expresních profilů Arabidopsis odhalila nadregulaci enzymů zapojených v IAOx syntetické dráze IAA typické pro Brassicaceae a také zvýšenou expresi TAR2 po všech ošetřeních. Účinek IAA a auxinových herbicidů na Arabidopsis a ječmen vykazoval překvapivě podobné trendy. Tyto výsledky mohou přispět k pochopení různých účinků SAH na dvouděložné a jednoděložné rostliny, respektive na plevele a plodiny, a jak se vyvíjí odolnost vůči SAH.
Anotace v angličtině
The effect of synthetic auxin herbicides (SAHs) on the regulation of endogenous auxin homeostasis in plants remains unclear. The aim of this thesis to reveal how endogenous metabolic pathways respond when monocot (Hordeum, SAH tolerant) and dicot (Arabidopsis, SAH susceptible) plants are exposed to exogenous IAA or auxin herbicides (2,4-D, dicamba, picloram and quinclorac). Sets of 6 Arabidopsis target genes (CYP79B2, CYP71A13, TAR2 and YUC2/4/6) and 7 barley genes (TSB, AMI, TAA/TAR, YUC, GH3.3, DAO and UGT74D1) were chosen and their relative expression was tested using RT-qPCR. To have further insight on regulation of IAA homeostasis, level of IAA precursors, conjugates and degradation products (ANT, TRP, TAM, IAOx, IAN, IAM, IPyA, IAA, IAA-Asp, IAA-Glu, oxIAA, oxIAA-Glc and IAA-Glc) were analyzed using method of solid-phase extraction and LC-MS/MS. The effect of auxin and SAHs on barley was obvious, especially decreasing of endogenous IAA levels after dicamba, picloram and quinclorac treatment, alternations in IAA precursor levels TAM and IPyA, and increases of auxin conjugates and degradation products correlated with increased expression of gene coding enzyme involved in IAA conjugation (GH3.3). The study in expression profiles in Arabidopsis reveal upregulation of the enzymes involve in IAA synthetics pathway typical for Brassicaceae, and increased expression of TAR2 after all treatments. The effect of IAA and auxin herbicides on Arabidopsis and barley showed surprisingly similar trends. These results may contribute to the understanding of how SAHs effect dicot and monocot plants, respectively on weeds and crops, differently and how is resistance to the SAHs developed.
Arabidopsis thaliana, auxin, auxin conjugates, auxin herbicides, auxin homeostasis, barley, liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), RT-qPCR
Zásady pro vypracování
Theoreticalpart
In my theoretical part, I want to summarize existing knowledge dealing with the issue of plant hormone auxin and regulation of its homeostasis at the cell, tissue and whole plant level, together with highlighting the importance of synthetic auxins used in agricultural practice as herbicides for weed control (history and presence of auxin research, new challenges such as emerging weed resistance to applied herbicides and opening the question of why synthetic auxin herbicides differ in their effects on monocot crops and dicot weeds).
Active participation in the preparation of manuscript (statistical analysis of experimental data, preparation of figures and legends).
Experimental part
1. To learn basic methods of modern plant biology (in vitro plant cultivation and root growth experiments in controlled conditions, methods of molecular biology, genetic, biochemistry and analytical chemistry, data analysis using methods of statistics and image processing) and to improve my writing and presentation skills.
2. To complete the missing data set for expression profiles of selected Arabidopsis thaliana genes, which play a key role in the regulation of auxin biosynthesis, conjugation and degradation processes (determined by RT-qPCR method from samples collected during the process of seed germination).
To establish the inhibition concentration 50 value for indole-3-acetic acid (IAA) and selected synthetic auxin herbicides (SAHs) for Hordeum vulgare (determined by in vitro root growth essays).
4. To determine expression profiles of selected Hordeum vulgare genes, that play a key role in the regulation of auxin biosynthesis, conjugation and degradation processes, as well as to determine the metabolic profiles of endogenous auxin levels of IAA and its metabolites (determined by RT-qPCR and LC-MS/MS methods from samples collected during seed germination).
5. To compare data from two plant models used for experiments – Arabidopsisthaliana and Hordeum vulgare as representatives of dicots and monocots, their response to exogenously applied IAA or SAHs and caused changes in regulation of endogenous IAA homeostasis
Závěrečná práce bude vypracována v souladu s doporučeným stylem pro závěrečné práce studijního programu Biotechnologie a genové inženýrství PřF UP uvedeným na webové stránce Oddělení buněčné biologie CRH / http://cr-hana.upol.cz/cellbiol/
Práce bude studentem nejdříve vložena v elektronické podobě ve formátu pdf do systému STAG a doplněna povinnými údaji o své práci (viz Opatření děkana Přírodovědecké fakulty UP v Olomouci k provedení některých ustanovení
Studijního a zkušebního řádu UP v Olomouci a Rigorózního řádu UP v Olomouci), a to v řádném termínu uvedeném v harmonogramu na webové stránce Oddělení buněčné biologie CRH.http://cr-hana.upol.cz/cellbiol/
Odevzdání závěrečné práce na sekretariátě Oddělení buněčné biologie CRH ve dvou svázaných výtiscích obsahujících CD s elektronickou verzí závěrečné práce proběhne v termínu uvedeném v Pokynech pro odevzdávání prací
na webové stránce Oddělení buněčné biologie CRH.http://cr-hana.upol.cz/cellbiol/
Zásady pro vypracování
Theoreticalpart
In my theoretical part, I want to summarize existing knowledge dealing with the issue of plant hormone auxin and regulation of its homeostasis at the cell, tissue and whole plant level, together with highlighting the importance of synthetic auxins used in agricultural practice as herbicides for weed control (history and presence of auxin research, new challenges such as emerging weed resistance to applied herbicides and opening the question of why synthetic auxin herbicides differ in their effects on monocot crops and dicot weeds).
Active participation in the preparation of manuscript (statistical analysis of experimental data, preparation of figures and legends).
Experimental part
1. To learn basic methods of modern plant biology (in vitro plant cultivation and root growth experiments in controlled conditions, methods of molecular biology, genetic, biochemistry and analytical chemistry, data analysis using methods of statistics and image processing) and to improve my writing and presentation skills.
2. To complete the missing data set for expression profiles of selected Arabidopsis thaliana genes, which play a key role in the regulation of auxin biosynthesis, conjugation and degradation processes (determined by RT-qPCR method from samples collected during the process of seed germination).
To establish the inhibition concentration 50 value for indole-3-acetic acid (IAA) and selected synthetic auxin herbicides (SAHs) for Hordeum vulgare (determined by in vitro root growth essays).
4. To determine expression profiles of selected Hordeum vulgare genes, that play a key role in the regulation of auxin biosynthesis, conjugation and degradation processes, as well as to determine the metabolic profiles of endogenous auxin levels of IAA and its metabolites (determined by RT-qPCR and LC-MS/MS methods from samples collected during seed germination).
5. To compare data from two plant models used for experiments – Arabidopsisthaliana and Hordeum vulgare as representatives of dicots and monocots, their response to exogenously applied IAA or SAHs and caused changes in regulation of endogenous IAA homeostasis
Závěrečná práce bude vypracována v souladu s doporučeným stylem pro závěrečné práce studijního programu Biotechnologie a genové inženýrství PřF UP uvedeným na webové stránce Oddělení buněčné biologie CRH / http://cr-hana.upol.cz/cellbiol/
Práce bude studentem nejdříve vložena v elektronické podobě ve formátu pdf do systému STAG a doplněna povinnými údaji o své práci (viz Opatření děkana Přírodovědecké fakulty UP v Olomouci k provedení některých ustanovení
Studijního a zkušebního řádu UP v Olomouci a Rigorózního řádu UP v Olomouci), a to v řádném termínu uvedeném v harmonogramu na webové stránce Oddělení buněčné biologie CRH.http://cr-hana.upol.cz/cellbiol/
Odevzdání závěrečné práce na sekretariátě Oddělení buněčné biologie CRH ve dvou svázaných výtiscích obsahujících CD s elektronickou verzí závěrečné práce proběhne v termínu uvedeném v Pokynech pro odevzdávání prací
na webové stránce Oddělení buněčné biologie CRH.http://cr-hana.upol.cz/cellbiol/
Seznam doporučené literatury
Grossmann K.: Auxin herbicides: current status of mechanism and mode of action.Pest Managemet Science2010 66: 113-120.
Hoyerova K., Hosek P., Quareshy M., Li J., Klima P., Kubes M., Yemm AA., Neve P., Tripathi A., Bennett MJ., Napier RM.: Auxin molecular field maps define AUX1 selectivity: many auxin herbicides are not substrates. New Phytologist2018 217: 1625-1639.
Quareshy M., Prusinska J., Li J., Napier R.: A cheminformatics review of auxins as herbicides. Journal of Experimental Botany2018 69: 265-275.
Simon S., Petrášek J. (2011): Why plants need more than one type of auxin. Plant Science180, 454-460.
Todd O., Figueiredo M.R.A., Morran S., Soni N., Pretson C., Kubeš M.F., Napier R., Gaines T.A (2020): Synthetic auxin herbicides: finding the lock and key to weed resistance. Plant Science300, 110631
Seznam doporučené literatury
Grossmann K.: Auxin herbicides: current status of mechanism and mode of action.Pest Managemet Science2010 66: 113-120.
Hoyerova K., Hosek P., Quareshy M., Li J., Klima P., Kubes M., Yemm AA., Neve P., Tripathi A., Bennett MJ., Napier RM.: Auxin molecular field maps define AUX1 selectivity: many auxin herbicides are not substrates. New Phytologist2018 217: 1625-1639.
Quareshy M., Prusinska J., Li J., Napier R.: A cheminformatics review of auxins as herbicides. Journal of Experimental Botany2018 69: 265-275.
Simon S., Petrášek J. (2011): Why plants need more than one type of auxin. Plant Science180, 454-460.
Todd O., Figueiredo M.R.A., Morran S., Soni N., Pretson C., Kubeš M.F., Napier R., Gaines T.A (2020): Synthetic auxin herbicides: finding the lock and key to weed resistance. Plant Science300, 110631
Přílohy volně vložené
1CD
Přílohy vázané v práci
grafy, schémata, tabulky
Převzato z knihovny
Ano
Plný text práce
Přílohy
Posudek(y) oponenta
Hodnocení vedoucího
Záznam průběhu obhajoby
V úvodu obhajoby předseda komise prof. RNDr. Jozef Šamaj, DrSc. představil studentku přítomným akademickým pracovníkům a hostům. V rámci prezentace své práce studentka seznámila všechny zúčastněné s cíli práce a hlavními metodami využitými při jejím zpracování, dále se získanými výsledky a z nich vyplývajícími závěry.
Následně byl přečten posudek vedoucího práce a oponentní posudek. Odpovědi na otázky a připomínky uvedené v posudku vedoucího diplomové práce a oponenta studentka zodpověděla.