The effects of heat stress severity on photosynthesis and volatile organic compound emissions in black mustard and tobacco

Plants are susceptible to various abiotic stress factors during their growth, such as low and high temperatures, drought, and excess water and light. At this time, rising temperature is one of the most topical issues as it threatens the ecosystem as a whole and has an impact on agriculture. The main goal of the thesis was to investigate if the heat stress responses of Brassica nigra L. and Nicotiana tabacum L. are related to the heat stress severity, to evaluate changes in foliage photosynthetic characteristics (net assimilation rate, stomatal conductance) and volatile organic compound (VOC) emissions and if the stress reaction is species specific. In the case of B. nigra species-specific glucosinolate degradation products (GDPs), monoterpenes and stress compounds like green leaf volatiles (GLVs) were the main target for VOC investigations. From N. tabacum emission of isoprene, monoterpenes, methacrolein and methanol together with GLVs were evaluated. For B. nigra three diverse heat stresses were applied: 1) temperature response curve (20-40 °C); 2) long-term stress (25-44 °C); 3) heat shock stress (25, 45-50 °C). For tobacco heat shock was applied at 46-55 °C. Heat stresses caused foliage photosynthetic characteristics decrease in both plants. Long-term and heat shock stress caused increased emission of GDPs and GLVs from B. nigra, although the variety of compounds belonging to these groups was diverse in long-term stress. For N. tabacum, 52 °C was the maximum temperature threshold to cope, as temperatures above this increased the emission of GLVs and methanol (maximum peak at 54 °C). At highest temperatures both species emitted (Z)-3-hexen-1-ol and (E,E)-2,4-hexadienal, demonstrating cellular damage. Monoterpenes emission from both species was not altered by temperature increases. High temperatures and their occurrence longevity affects VOCs emission from plants and VOC changes affect plant-plant, plant-insect and plant-insect-environment interactions.

Taimed on oma kasvuajal vastuvõtlikud erinevatele abiootiliste stressi faktoritele nagu näiteks madalate ja kõrgete temperatuuride esinemine, põud, liigne vesi ja valgus. Käesoleval ajahetkel on temperatuuritõus üks aktuaalsemaid teemasid, kuna see ohustab ökosüsteemi kui tervikut ning avaldab mõju põllumajandusele. Töö peamiseks eesmärgiks oli uurida musta kapsasrohu ja vääristubaka reageeringut kuumastressi erinevatele ja kõrgetele temperatuuridele, muutusi fotosünteesi näitajates (õhulõhede juhtivus, fotosünteesi kiirus) ja lenduvühendite emissioonis ning hinnata, kas kuumastressile reageerimine on liigispetsiifiline. Musta kapsasrohu puhul peamised lenduvühendid, millele keskenduti olid liigile spetsiifilised lenduvad glükosinolaatide laguproduktid, monoterpeenid ja erinevad stressiühendid e rohulõhna komponendid. Vääristubaka lenduvühenditest uuriti isopreeni, monoterpeene, metakroleiini, metanooli ja rohulõhna komponente. Mustale kapsasrohule tekitati kolm erinevat kuumastressi: 1) temperatuuri järk-järgult tõstmine (20-40 °C); 2) pikaajaline stress (25-44 °C); 3) kuumašoki stress vesivannis (25, 45-50 °C). Vääristubakale tekitati kuumašoki stress vesivannis temperatuuridel 46-55 °C. Kuumastressid tekitasid mõlemas taimes fotosünteesi näitajate tugevaid langusi kõrgematel temperatuuridel. Pikaajaline ja šoki stress tõstsid glükosinolaatide laguproduktide ja rohulõhna komponentide emissooni mustast kapsasrohust, kuid pikaajalise stressi käigus oli nende lenduvühendite varieeruvus mitmekesisem kui šokikatses. Vääristubaka maksimaalseks temperatuuritaluvuseks oli 52 °C, millest kõrgemal olevad temperatuurid aga suurendasid märgatavalt rõhulõhna komponentide ja metanooli emissiooni (maksimaalne tõus esines temperatuuril 54 °C). Kõrgematel temperatuuridel esinesid mõlema taime emissioonides sellised rõhulõhna komponendid nagu (Z)-3-hekseen-1-ol ja (E,E)-2,4-heksadienaal, mis viitavad kahjustatud taimerakkudele. Kõrged temperatuurid ja nende ajaline kestvus mõjutavad oluliselt taimede lenduvühendite emissioone ja neil on märkimisväärne mõju taimede, taimede ja putukate omavahelises suhtluses ning taime-putuka-keskkonna interaktsioonides.