Výzkum

Výzkum skupiny Biofyziky se zabývá vlivem významných abiotických faktorů prostředí souvisejících se změnou klimatu (jako jsou intenzita a spektrální složení radiace, teplota vzduchu, koncentrace CO₂) na asimilační aparát vyšších rostlin, a to od mechanismů regulace využití dopadající radiace až po odezvu fotosyntetické aktivity na úrovni listu, rostliny a částečně porostu. Intenzivně jsou studovány také aklimační a ochranné mechanismy na molekulární a metabolické úrovni zamezující poškození fotosyntetického aparátu v nepříznivých podmínkách prostředí. Dílčí směry výzkumu jsou blíže popsány níže.

Experimentální zázemí výzkumu (viz Laboratoře a přístrojové vybavení) je založeno především na použití a rozvoji biofyzikálních metod optické spektroskopie ke studiu struktury a funkčního stavu asimilačního aparátu a biochemických metod analýzy složek asimilačního aparátu (fotosyntetické pigmenty, sekundární metabolity, pigment-proteinové komplexy tylakoidních membrán a další).

Pochopení fotosyntézy v přirozeném dynamickém prostředí vyžaduje znalost dlouhodobých (aklimace) i krátkodobých odezev fotosyntetického aparátu, včetně jejich interakcí. Aklimace rostlin na nepříznivé (stresové) environmentální podmínky zahrnuje celou řadu specifických procesů, které vedou ke změnám struktury a organizace fotosyntetického aparátu, což umožňuje optimalizaci jeho funkce. Zabýváme se především aklimační odezvou fotosyntetického aparátu vyšších rostlin na změny intenzity a spektrální kvality záření nebo teploty, přičemž tato odezva se může výrazně lišit u různých druhů rostlin.

Ilustrativní obrázky zobrazující výsledky různých biofyzikálních metod A) analýza fluorescence chlorofylu a na listech adaptovaných na tmu B) nízkoteplotní (77K) emisní spektra fluorescence chlorofylu a izolovaných thylakoidních membrán C) nativní elektroforetická separace pigment-proteinových komplexů thylakoidní membrány

• Štroch, M., Karlický, V., Ilík, P., Ilíková, I., Opatíková, M., Nosek, L., Pospíšil, P., Svrčková, M., Rác, M., Roudnický, P., Zdráhal, Z., Špunda, V. a Kouřil, R. Spruce versus Arabidopsis: different strategies of photosynthetic acclimation to light intensity change. Photosynthesis Research. 2022, 154(1)
• Karlický, V., Materová, Z., Kurasová, I., Nezval, J., Štroch, M., Garab, G. a Špunda, V. Accumulation of geranylgeranylated chlorophylls in the pigment-protein complexes of Arabidopsis thaliana acclimated to green light: effects on the organization of light-harvesting complex II and photosystem II functions. Photosynthesis Research. 2021, 149(1-2)
• Semer, J., Štroch, M., Špunda, V. a Navrátil, M. Partitioning of absorbed light energy within photosystem II in barley can be affected by chloroplast movement. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2018, 186
• Materová, Z., Sobotka, R., Zdvihalová, B., Oravec, M., Nezval, J., Karlický, V., Vrábl, D., Štroch, M. a Špunda, V. Monochromatic green light induces an aberrant accumulation of geranylgeranyled chlorophylls in plants. Plant Physiology and Biochemistry. 2017, 116
• Karlický, V., Kurasová, I., Ptáčková, B., Večeřová, K., Urban, O. a Špunda, V. Enhanced thermal stability of the thylakoid membranes from spruce. A comparison with selected angiosperms. Photosynthesis Research. 2016, 130(1)
• Štroch, M., Materová, Z., Vrábl, D., Karlický, V., Šigut, L., Nezval, J. a Špunda, V. Protective effect of UV-A radiation during acclimation of the photosynthetic apparatus to UV-B treatment. Plant Physiology and Biochemistry. 2015, 96

Zaměřujeme se na jednu z dosud nezodpovězených otázek membránové biologie, tj. roli nedvouvrstevných membránových lipidů v thylakoidních membránách rostlin. Energetizace thylakoidní membrány je podmíněna její organizací do lipidové dvouvrstvy, přesto je thylakoidní membrána tvořena zhruba z 50 % molekulami monogalaktosyldiacylglycerolu, který se řadí mezi lipidy, které dvouvrstvu nevytváří. Konkrétně studujeme základní vlastnosti polymorfismu lipidů v thylakoidních membránách rostlin, strukturní entity související s různými lipidovými fázemi nebo jejich fyziologický význam. Naše výsledky podporují model thylakoidní membrány označovaný jako „Dynamic Exchange Model“, který je založen na koexistenci různých lipidových fází a jejich dynamické rovnováze reagující na změny fyzikálně-chemického prostředí a fyziologických procesů v thylakoidní membráně chloroplastu.

Polymorfismus lipidů v thylakoidních membránách detekovaný pomocí ³¹P-NMR a model thylakoidních membrán „Dynamic Exchange Model“.

• Dlouhý, O., Karlický, V., Javornik, U., Kurasová, I., Zsiros, O., Šket, P., Kanna, S. D., Böde, K., Večeřová, K., Urban, O., Gasanoff, E. S., Plavec, J., Špunda, V., Ughy, B. a Garab, G. Structural Entities Associated with Different Lipid Phases of Plant Thylakoid Membranes-Selective Susceptibilities to Different Lipases and Proteases. Cells. 2022, 11(17)
• Garab, G., Yaguzhinsky, L. S., Dlouhý, O., Nesterov, S. V., Špunda, V. a Gasanoff, E. S. Structural and functional roles of non-bilayer lipid phases of chloroplast thylakoid membranes and mitochondrial inner membranes. Progress in Lipid Research. 2022, 86(101163)
• Dlouhý, O., Karlický, V., Arshad, R., Zsiros, O., Domonkos, I., Kurasová, I., Wacha, A., Morosinotto, T., Bóta, A., Kouřil, R., Špunda, V. a Garab, G. Lipid Polymorphism of the Subchloroplast-Granum and Stroma Thylakoid Membrane-Particles. II. Structure and Functions. Cells. 2021, 10(9)
• Dlouhý, O., Javornik, U., Zsiros, O., Šket, P., Karlický, V., Špunda, V., Plavec, J. a Garab, G. Lipid Polymorphism of the Subchloroplast-Granum and Stroma Thylakoid Membrane-Particles. I. 31P-NMR Spectroscopy. Cells. 2021, 10(9)
• Dlouhý, O., Kurasová, I., Karlický, V., Javornik, U., Šket, P., Petrova, N. Z., Krumova, S. B., Plavec, J., Ughy, B., Špunda, V. a Garab, G. Modulation of non-bilayer lipid phases and the structure and functions of thylakoid membranes: effects on the water-soluble enzyme violaxanthin de-epoxidase. Scientific Reports. 2020, 10(11959)
• Ughy, B., Karlický, V., Dlouhý, O., Javornik, U., Materová, Z., Zsíros, O., Šket, P., Plavec, J., Špunda, V. a Garab, G. Lipid-polymorphism of plant chloroplast thylakoid membranes. Enhanced non-bilayer lipid phases associated with increased membrane permeability. Physiologia Plantarum. 2019, 166(1)
• Garab, G., Ughy, B., de Waard, P., Akhtar, P., Javornik, U., Kotakis, C., Šket, P., Karlický, V., Materová, Z., Špunda, V., Plavec, J., van Amerongen, H., Vígh, L., Van As, H. a Lambrev, P. Lipid polymorphism in chloroplast thylakoid membranes – as revealed by ³¹P-NMR and time-resolved merocyanine fluorescence spectroscopy. Scientific Reports. 2017, 7(13343)

Předmětem tohoto výzkumného směru je studium významu a funkce malých molekul (metabolitů) v aklimačních procesech vedoucích ke zvyšování odolnosti rostlin vůči působení stresových faktorů prostředí. Zabýváme se především fenolovými látkami, karotenoidy, tokoferoly (ale i dalšími třídami sekundárních metabolitů). Zkoumáme působení abiotických faktorů prostředí a jejich vzájemné interakce v kontextu jejich schopnosti regulovat obsah ochranných metabolitů v rostlinách, sledujeme dynamiku produkce a degradace těchto látek v rostlinném materiálu a snažíme se také objasnit jejich vzájemnou zastupitelnost v rámci ochranných procesů (zejména v oblasti potlačení oxidativního stresu). Okrajově se zabýváme molekulárními mechanismy souvisejícími s percepcí vnějších abiotických faktorů (především světla a jeho spektrálního složení, teploty atd.) a šířením signálů vedoucích k modulaci metabolismu zájmových látek. Nedílnou součástí tohoto výzkumného směru je také rozvoj metod umožňujících sledovaní tvorby reaktivních forem kyslíku (ROS) a produktů interakce ROS s významnými biomolekulami (DNA, proteiny, lipidy). Společně s analýzou stavu fotosyntetického aparátu, je stanovení ROS a produktů oxidace biomolekul prostředkem pro zhodnocení míry poškození rostlin na molekulární úrovni, a tedy nepřímo i účinnosti aklimačních mechanismů, jichž se nízkomolekulární ochranné látky účastní.

Variace metabolického profilu fenolových látek v důsledku aklimace rostlin (Hordeum vulgare) na světlo různé intenzity a spektrální kvality (L-low, M-medium, H-high irradiance; R-red, G-green, B-blue light; zkratky látek viz Pech et al. 2022). Vliv spektrální kvality viditelného světla na akumulaci produktů lipidové peroxidace a jejich hromadění v průběhu světelného stresu.

• Vrábl D., Nezval J., Pech R., Volná A., Mašková P., Pleva J., Kuzniciusová N., Provazová M., Štroch M., Špunda V. Light Drives and Temperature Modulates: Variation of Phenolic Compounds Profile in Relation to Photosynthesis in Spring Barley. International Journal of Molecular Sciences. 2023, 24(3)
• Pech, R., Volná, A., Hunt, L., Bartas, M., Červeň, J., Pečinka, P., Špunda, V. a Nezval, J. Regulation of Phenolic Compound Production by Light Varying in Spectral Quality and Total Irradiance. International Journal of Molecular Sciences. 2022, 23(12)
• Barták, M., Orekhova, A., Nezval, J., Oravec, M., Hájek, J., Špunda, V., Tříska, J., Bednaříková, M., Giudici, G. N. M. a Pech, R. Light regimen-induced variability of photosynthetic pigments and UV-B absorbing compounds in Luzula sylvatica from Arcto-Alpine tundra. Czech Polar Reports. 2020, 10(2)
• Holub, P., Nezval, J., Štroch, M., Špunda, V., Urban, O., Jansen, M. a Klem, K. Induction of phenolic compounds by UV and PAR is modulated by leaf ontogeny and barley genotype. Plant Physiology and Biochemistry. 2019, 134
• Brelsford, C., Morales, L., Nezval, J., Kotilainen, T., Hartikainen, S., Aphalo, P. a Robson, M. Do UV-A radiation and blue light during growth prime leaves to cope with acute high light in photoreceptor mutants of Arabidopsis thaliana? Physiologia Plantarum 2019, 165(3)
• Nezval, J., Štroch, M., Materová, Z., Špunda, V. a Kalina, J. Phenolic compounds and carotenoids during acclimation of spring barley and its mutant Chlorina f2 from high to low irradiance. Biologia Plantarum. 2017, 61

Zabýváme se studiem vlivu vnějších abiotických faktorů (především ozářeností, teplotou, suchem, koncentrací CO₂) na fotosyntetickou asimilaci CO₂ z širšího, ekofyziologického pohledu. V této oblasti zkoumáme, jak změny difúzních a biochemických limitací fotosyntézy (např. průduchová a mezofylová vodivost a karboxylační aktivita enzymu Rubisco) ovlivní fotosyntetickou aktivitu, produktivitu a odolnost rostlin k vnějším environmentálním stresorům. Na fotosyntetickou aktivitu nahlížíme také z pohledu dostupnosti a efektivity využití vody, v té souvislosti nás proto zajímá řízení a distribuce hustoty průduchů na listech a propustnost kutikulární membrány, která je hlavní bariérou pro výpar vody z rostliny.

Působení vnějších environmentálních faktorů je studováno z pohledu fotosyntetické aktivity a růstu rostlin. A) Příklad protokolu měření fotosyntetické asimilace CO₂ a průduchové vodivosti pro vodu. Měření nám poskytne informace o aktuální rychlosti fotosyntézy, karboxylační aktivitě enzymu Calvin-Bensonova cyklu, difúzních a biochemických limitacích fotosyntézy; B) mikroskopické analýzy počtu a rozmístění průduchů na povrchu listu poukazují na schopnosti rostliny adaptovat se na aktuální podmínky prostředí; C) náš výzkum je zaměřen na studium jednotlivých environmentálních faktorů a také jejich interakce, které jsou v přirozeném prostředí obvyklé.

• Vrábl, D., Nezval, J., Pech, R., Volná, A., Mašková, P., Pleva, J., Kuzniciusová, N., Provazová, M., Štroch, M. a Špunda, V. Light Drives and Temperature Modulates: Variation of Phenolic Compounds Profile in Relation to Photosynthesis in Spring Barley. International Journal of Molecular Sciences. 2023, 24(3)
• Vráblová, M., Marková, D., Vrábl, D., Koutník, I., Sokolová, B. a Hronková, M. Surface plasmon resonance: An innovative method for studying water permeability of plant cuticles. Plant Science. 2021, 310
• Vráblová, M., Vrábl, D., Sokolová, B., Marková, D. a Hronková, M. A modified method for enzymatic isolation of and subsequent wax extraction from Arabidopsis thaliana leaf cuticle. Plant Methods. 2020, 16
• Materová, Z., Sobotka, R., Zdvihalová, B., Oravec, M., Nezval, J., Karlický, V., Vrábl, D., Štroch, M. a Špunda, V. Monochromatic green light induces an aberrant accumulation of geranylgeranyled chlorophylls in plants. Plant Physiology and Biochemistry. 2017, 116
• Šantrůček, J., Vráblová, M., Šimková, M., Hronková, M., Drtinová, M., Květoň, J., Vrábl, D., Kubásek, J., Macková, J., Wiesnerová, D., Neuwirthová, J. a Schreiber, L. Stomatal and pavement cell density linked to leaf internal CO₂ concentration. Annals of Botany. 2014, 114