1. Αποθετήριο Παραδοτέων Υποτρόφων Δράσεων ΕΣΠΑ Τριτοβάθμιας Εκπαίδευσης 2017-2023
2. Όλο το Αποθετήριο
3. Υποψήφιοι διδάκτορες

Τύπος:	Διδακτορική διατριβή
Τίτλος:	Διερεύνηση της επίδρασης βιοδραστικών ενώσεων από στελέχη κυανοβακτηρίων σε φυτικά κύτταρα
Εναλλακτικός τίτλος:	Study of the effects of bioactive compounds from cyanobacterial strains on plant cells
Συγγραφέας:	[EL] Παππάς, Δημήτριος[EN] Pappas, Dimitrios
Επιβλέπων διατριβής:	[EL] Παντερής, Εμμανουήλ-Νικόλαος[EN] Panteris, Emmanouil
Συμβουλευτική επιτροπή:	[EL] Γκέλης, Σπυρίδων[EN] Gkelis, Spyridon [EL] Αδαμάκης, Ιωάννης-Δημοσθένης[EN] Adamakis, Ioannis-Dimosthenis
Μέλος εξεταστικής επιτροπής:	[EL] Βλαχονάσιος, Κωνσταντίνος[EN] Vlachonasios, Konstantinos [EL] Κόμης, Γεώργιος[EN] Komis, Georgios [EL] Τουράκη, Μαρία[EN] Touraki, Maria [EL] Χισκιά, Αναστασία[EN] Hiskia, Anastasia
Ημερομηνία:	26/06/2023
Περίληψη:	Τα κυανοβακτήρια είναι προκαρυωτικοί φωτοσυνθετικοί οργανισμοί, πολλοί εκ των οποίων παράγουν βιοδραστικές ενώσεις επιβλαβείς για την επιβίωση και ανάπτυξη άλλων οργανισμών, μεταξύ των οποίων και φυτά. Η παρουσία τέτοιων ειδών ή στελεχών κυανοβακτηρίων σε υδατοσυλλογές της Ελλάδας που χρησιμοποιούνται για άρδευση καλλιεργούμενων εδαφών, μπορεί να αποβεί επιζήμια για την αγροτική παραγωγή και την υγεία των καταναλωτών, καθώς οι βιοδραστικές ενώσεις που απελευθερώνονται στο νερό μπορεί να απορροφώνται από τα καλλιεργούμενα φυτά και να βιοσυσσωρεύονται. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της επίδρασης βιοδραστικών ενώσεων των κυανοβακτηρίων στη δομή και λειτουργία των φυτικών κυττάρων, και των πιθανών μονοπατιών απόκρισης των φυτικών κυττάρων στην τοξικότητα των ενώσεων αυτών. Πηγή βιοδραστικών ενώσεων υπήρξαν στελέχη κυανοβακτηρίων που απομονώθηκαν από ποικίλα ενδιαιτήματα ανά την Ελλάδα και ανήκουν στη βιβλιοθήκη στελεχών TAU-MAC του Εργαστηρίου Βοτανικής ΑΠΘ. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν και εμπορικά διαθέσιμες τοξίνες ή άλλες ενώσεις των κυανοβακτηρίων σε καθαρή μορφή. Οι επιδράσεις πραγματοποιήθηκαν στο ρύζι (Oryza sativa), οργανισμό μεγάλης οικονομικής σημασίας (που λόγω τρόπου καλλιέργειας μπορεί να εκτεθεί άμεσα σε κυανοβακτήρια) και στο φυτό-πρότυπο Arabidopsis thaliana, ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα χρήσιμα σε επίπεδο τόσο βασικής όσο και εφαρμοσμένης έρευνας. Η παρατήρηση των επιπτώσεων στα κύτταρα πραγματοποιήθηκε με οπτική, συνεστιακή και ηλεκτρονική μικροσκοπία, ενώ τα μονοπάτια απόκρισης στις καταπονήσεις προσεγγίστηκαν με συνδυασμό βιοχημικών και μοριακών μεθόδων. Επιλέχθηκαν και καλλιεργήθηκαν δεκαεπτά (17) στελέχη κυανοβακτηρίων, προερχόμενα από ένα εύρος διαφορετικών ενδιαιτημάτων (χερσαία, εσωτερικά, υφάλμυρα και αλμυρά ύδατα), από τα οποία παρήχθησαν εκχυλίσματα, που χρησιμοποιήθηκαν για επιδράσεις ποικίλης χρονικής διάρκειας (30 min – 24 h) στη ρίζα του Oryza sativa. Ορισμένα εκχυλίσματα περιείχαν μικροκυστίνες (MCs), τις πλέον μελετημένες κυανοβακτηριακές τοξίνες (γενικά γνωστές και ως κυανοτοξίνες), που αποτελούν ειδικούς αναστολείς των πρωτεϊνικών φωσφατασών PP1 και PP2A, ενώ άλλα δεν περιείχαν κάποια γνωστή κυανοτοξίνη. Επιδράσεις πραγματοποιήθηκαν και με την τοξίνη αναφοράς μικροκυστίνη-LR (MC-LR) σε καθαρή μορφή. Αρχικά, εξετάστηκε η οργάνωση του φυτικού κυτταροσκελετού (μικροσωληνίσκοι και F-ακτίνη) σε επηρεασμένα κύτταρα ρίζας, καθώς και αλλοιώσεις της λεπτής δομής των κυττάρων, έπειτα από επιδράσεις με εκχύλισμα που περιείχε MCs ή με καθαρή MC-LR. Η F-ακτίνη επηρεάστηκε αρνητικά κατά τρόπο χρονοεξαρτώμενο, τόσο από την MC-LR όσο και από το εκχύλισμα, γεγονός που οδήγησε σε αλλοιώσεις του ενδομεμβρανικού δικτύου, ενώ καταγράφηκαν και διαταραχές του κυτταρικού κύκλου. Κυτταροσκελετικές αλλοιώσεις παρατηρήθηκαν και έπειτα από επιδράσεις με εκχυλίσματα που δεν περιείχαν MCs ή άλλες γνωστές κυανοτοξίνες, εύρημα που υποδεικνύει την ύπαρξη άλλων βιοδραστικών ενώσεων που επιδρούν αρνητικά στον φυτικό κυτταροσκελετό. Μελετήθηκε, επίσης, η επαγωγή οξειδωτικής καταπόνησης, διαταραχών του κυτταρικού κύκλου και φαινομένων κυτταρικού θανάτου στη ρίζα. Δεδομένου ότι οι μικροσωληνίσκοι ρυθμίζουν την αρχιτεκτονική του φυτικού κυτταρικού τοιχώματος, ελέγχθηκε η σύστασή του (πηκτίνες, ημικυτταρίνες, πρωτεΐνες τοιχώματος κ.ά.) σε διαφοροποιημένα κύτταρα ρίζας Oryza sativa που δέχτηκαν επίδραση με επιλεγμένα εκχυλίσματα κυανοβακτηρίων (με ή χωρίς MCs) ή καθαρή MC-LR. Στα επηρεασμένα κύτταρα παρατηρήθηκε περιορισμένη κατανομή πηκτινών και αναστολή των σχετικών τροποποιητικών τους ενζύμων, με παράλληλη αύξηση στην κατανομή των γλυκανών και του ενδοκυτταρικού ασβεστίου. Η αυξημένη παρουσία γλυκανών πιθανά αποτελεί αντισταθμιστικό μηχανισμό, προκειμένου να διατηρηθεί η μηχανική σταθερότητα των τοιχωμάτων και να υπάρξει φραγμός στην κυανοβακτηριακή τοξικότητα. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα αύξησης και βαρυτροπικής απόκρισης στη ρίζα του Arabidopsis thaliana υπό την επίδραση σουλκατόλης, πτητικής οργανικής ένωσης των κυανοβακτηρίων. Ο αβαρυτροπικός φαινότυπος της ρίζας που προκλήθηκε από τη σουλκατόλη συνδέθηκε με διαταραχές της φυτορμόνης αυξίνη, φαινόμενο που δε σχετίζεται με την πολική μεταφορά της ορμόνης, αλλά ενδεχομένως με δυσλειτουργία μεταγραφικών παραγόντων που συμμετέχουν στο μονοπάτι σηματοδότησής της. Συμπερασματικά, στην παρούσα διατριβή αναδεικνύονται η F-ακτίνη και το κυτταρικό τοίχωμα ως νέοι στόχοι της τοξικότητας των μικροκυστινών, αλλά και άλλων κυανοβακτηριακών ενώσεων, στο φυτικό κύτταρο. Επίσης, αναδεικνύονται οι αρνητικές επιπτώσεις ελάχιστα μελετημένων ουσιών, όπως η σουλκατόλη, για τα φυτά και η σύνδεσή αυτών με διαταραχές φυτορμονών, εν προκειμένω της αυξίνης. Τα δεδομένα αυτά είναι σημαντικά σε επίπεδο τόσο βασικής έρευνας, συμβάλλοντας στην καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών λειτουργίας του φυτικού κυττάρου, όσο και εφαρμοσμένης έρευνας, διευρύνοντας το θεωρητικό υπόβαθρο αντιμετώπισης συγκεκριμένων προβλημάτων των καλλιεργειών. Cyanobacteria are prokaryotic photosynthetic organisms, many of which produce bioactive compounds harmful for the survival and growth of other organisms, including plants. The presence of such cyanobacterial species or strains in water bodies of Greece used for irrigation may be detrimental to agricultural production and consumers’ health, as the bioactive compounds released into water may be absorbed by cultivated plants and bioaccumulate. The aim of this PhD thesis is to study the effects of cyanobacterial bioactive compounds on plant cell structure and function, as well as possible pathways of plant cell response to the toxicity of these compounds. Cyanobacterial strains isolated from various habitats in Greece, belonging to the TAU-MAC strain collection (Department of Botany, Aristotle University of Thessaloniki), were used as source of bioactive compounds. Commercially available toxins or other cyanobacterial compounds in pure form were also used. Experiments were carried out either on rice (Oryza sativa), an organism of great economic importance (which can be directly exposed to cyanobacteria due to the way it is cultivated) or on the model plant Arabidopsis thaliana, in order to draw conclusions important in both pure and applied research. Light, confocal and transmission electron microscopy were applied for documenting the effects, while stress response pathways were investigated through a combination of biochemical and molecular methods. Seventeen (17) cyanobacterial strains, deriving from various habitats (terrestrial, freshwater, brackish and marine) were selected and cultivated, from which extracts were produced and used for treatments of varying duration (30 min – 24 h) on Oryza sativa roots. Some extracts contained microcystins (MCs), the most studied cyanobacterial toxins (generally known as cyanotoxins), which are specific inhibitors of PP1 and PP2A protein phosphatases, while others did not contain any known cyanotoxins. Microcystin-LR (MC-LR), a reference MC, was also used in pure form for treatments. Initially, plant cytoskeleton (microtubules and F-actin) organization was examined in roots treated with a MC-rich extract or with pure MC-LR. In addition, fine cell structure alterations were also recorded. F-actin was negatively affected in a timedependent manner by both MC-LR and the extract, also resulting in alterations of endomembrane network distribution. Cell cycle progression defects were also recorded. Cytoskeletal alterations were also observed after exposure to extracts not containing MCs or other known cyanotoxins, a finding suggesting that other bioactive compounds, apart from MCs, are also capable to negatively affect the plant cytoskeleton. In addition, the induction of oxidative stress, cell cycle perturbations and cell death phenomena were studied. Since microtubules regulate the architecture of the plant cell wall, its composition (pectins, hemicelluloses, cell wall proteins etc.) was studied in differentiated Oryza sativa root cells, treated with selected cyanobacterial extracts (with or without MCs) or pure MC-LR. In the affected cells, the distribution of pectins appeared to be restricted, while pectin modifying enzymes were inhibited. On the contrary, the distribution of glucans and intracellular calcium levels increased. The extensive occurence of glucans may represent a compensatory mechanism, in order to maintain the mechanical stability of cell walls and provide a barrier against cyanobacterial toxicity. Furthermore, growth and gravitropic response experiments were conducted on Arabidopsis thaliana roots under treatment with sulcatol, a volatile organic compound produced by cyanobacteria. The observed agravitropic root phenotype, induced by sulcatol, was associated with defective auxin signaling, not related to auxin polar transport, but probably to inhibition of specific transcription factors in the auxin signaling pathway. In conclusion, the present study highlights F-actin and the cell wall as novel targets of the toxicity of MCs and other cyanobacterial compounds in plant cells. Furthermore, the negative effects of poorly studied substances, such as sulcatol, on plants and their association with disruption of phytohormones (in this case auxin) are revealed. These data are important for both pure research, contributing to a better understanding of plant cell physiology, and applied research, broadening the theoretical background for addressing specific crop problems.
Γλώσσα:	Ελληνικά
Τόπος δημοσίευσης:	Θεσσαλονίκη, Ελλάδα
Σελίδες:	252
DOI:	10.12681/eadd/54093
Θεματική κατηγορία:	[EL] Επιστήμη των φυτών[EN] Plant Science
Λέξεις-κλειδιά:	αυξίνη; Κυανοβακτήρια; κυτταρικό τοίχωμα; κυτταροσκελετός; μικροκυστίνες; μικροσωληνίσκοι; σουλκατόλη; Arabidopsis thaliana; F-ακτίνη; Oryza sativa; auxin; cell wall; cyanobacteria; cytoskeleton; microcystins; microtubules; sulcatol
Κάτοχος πνευματικών δικαιωμάτων:	© Παππάς, Δημήτριος © Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης
Όροι και προϋποθέσεις δικαιωμάτων:	Το έργο αυτό διατίθεται με άδεια Creative Commons Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 4.0 Διεθνές (CC BY-NC-SA 4.0)
Σημειώσεις:	Το έργο συγχρηματοδοτείται από την Ελλάδα και την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) μέσω του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Ανάπτυξη Ανθρώπινου Δυναμικού, Εκπαίδευση και Διά Βίου Μάθηση», στο πλαίσιο της Πράξης «Ενίσχυση του ανθρώπινου ερευνητικού δυναμικού μέσω της υλοποίησης διδακτορικής έρευνας – 2 ος Κύκλος» (MIS-5000432), που υλοποιεί το Ίδρυμα Κρατικών Υποτροφιών (ΙΚΥ).
Εμφανίζεται στις συλλογές:	Υποψήφιοι διδάκτορες