Διερεύνηση της επίδρασης βιοδραστικών ενώσεων από στελέχη κυανοβακτηρίων σε φυτικά κύτταρα
Authors: Παππάς Δημήτριος 
Published: July 2023

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 τους 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 της Ελλάδας. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν εμπορικά διαθέσιμες τοξίνες ή άλλες ενώσεις των κυανοβακτηρίων σε καθαρή μορφή. Οι επιδράσεις πραγματοποιήθηκαν στο ρύζι (Oryza sativa), οργανισμό μεγάλης οικονομικής σημασίας, και στο φυτό-πρότυπο Arabidopsis thaliana. 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. Εκχυλίσματα, που παρήχθησαν από τα στελέχη κυανοβακτηρίων, χρησιμοποιήθηκαν για επιδράσεις ποικίλης χρονικής διάρκειας στη ρίζα του Oryza sativa. Ορισμένα εκχυλίσματα περιείχαν μικροκυστίνες (MCs), τις πλέον μελετημένες κυανοβακτηριακές τοξίνες (γνωστές ως κυανοτοξίνες), ενώ άλλα δεν περιείχαν κάποια γνωστή κυανοτοξίνη. Επιδράσεις πραγματοποιήθηκαν και με καθαρή μικροκυστίνη-LR (MC-LR). Αρχικά, εξετάστηκε η οργάνωση του φυτικού κυτταροσκελετού (μικροσωληνίσκοι και F-ακτίνη) σε επηρεασμένα κύτταρα ρίζας Oryza sativa, 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, προκαλώντας αλλοιώσεις του ενδομεμβρανικού δικτύου. 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 σε διαφοροποιημένα κύτταρα ρίζας του ίδιου φυτού που δέχτηκαν επίδραση με επιλεγμένα εκχυλίσματα κυανοβακτηρίων 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 περιοριστεί η 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 ενδεχομένως σχετίζεται με δυσλειτουργία μεταγραφικών παραγόντων 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.