dr hab. Tomasz Pawłowski, prof. ID PAN Kórnik,

Transkrypt

1 dr hab. Tomasz Pawłowski, prof. ID PAN Kórnik, Ocena rozprawy doktorskiej mgr Mileny Katarzyny Szymczak-Dobosz Tytuł rozprawy: Ekofizjologia generatywnego rozmnażania wybranych gatunków roślin z rodziny Asteraceae Promotor: dr hab. Anna Bochenek Promotor pomocniczy: dr Ewa Gojło Katedra Fizjologii, Genetyki i Biotechnologii Roślin UWM w Olsztynie Przedmiotem rozprawy doktorskiej Pani mgr Mileny Szymczak-Dobosz było poznanie biologii nasion roślin z rodziny Asteraceae: Artemisia vulgaris L. (bylica pospolita) i Cirsium arvense (L.) Scop. (ostrożeń polny), w tym ekofizjologii spoczynku i kiełkowania nasion. Jak dotąd, niewiele wiadomo na temat środowiskowej regulacji spoczynku i kiełkowania niełupek z rodziny Asteraceae. Nieznany jest także wpływ środowiska na pulę cukrowców rozpuszczalnych, odpowiedzialnych za odporność na działanie niesprzyjających czynników środowiskowych. Znajomość biologii ww. chwastów może być pomocna w opracowywaniu przyjaznych dla środowiska metod kontroli zachwaszczenia pól uprawnych. Uzyskane w pracy wyniki pozwoliły na stwierdzenie, że strategia życiowa obu badanych gatunków oparta jest z jednej strony na produkcji olbrzymiej ilości żywotnych diaspor, a z drugiej na tworzeniu trwałych glebowych banków nasion. Niełupki charakteryzowały się sezonowo zmiennym wzrostem odporności na niesprzyjające czynniki środowiskowe. Stwierdzono też, że bylica pospolita jest gatunkiem dobrze tolerującym ograniczoną dostępność wody, co sprawia, że jest wysoce konkurencyjna w stosunku do innych gatunków. Niełupki badanych gatunków charakteryzowały się także gatunkową i sezonową zmiennością składu ilościowego i 1

2 jakościowego gromadzonych węglowodanów rozpuszczalnych. Wykonane badania w znaczącym stopniu wpłynęły na poszerzenie wiedzy o ekofizjologii kiełkowania nasion chwastów. Z tych względów tematykę rozprawy mgr Mileny Szymczak-Dobosz uważam za bardzo aktualną i ważną naukowo. Strona formalna rozprawy doktorskiej nie budzi większych zastrzeżeń. Skonstruowana została w sposób tradycyjny, składa się z 10 podstawowych części: Wprowadzenia, Przeglądu literatury, Celów Pracy, Materiału i Metod, Wyników, Dyskusji, Podsumowania i Wniosków, Spisu Literatury, Spisu Tabel i Rycin oraz Załączników. Rozprawa liczy 299 stron, zawiera 60 rycin i 28 tabel. Praca napisana jest starannie, jasno i zwięźle z zachowaniem właściwych proporcji pomiędzy poszczególnym rozdziałami, może poza stosunkowo obszernym rozdziałem Wyniki. Dostrzegłem w niej stosunkowo niewielką liczbę błędów stylistycznych i edytorskich. Badania wymagały zastosowania szerokiej gamy metod ekofizjologii roślin, biochemii, oraz metod statystycznych. Dane przedstawione zostały w sposób czytelny dla szerokiego grona czytelników. Analiza zawartości merytorycznej pracy pozwala wyróżnić siedem zasadniczych części. We Wprowadzeniu Doktorantka w sposób zwięzły i logiczny przedstawiła ogólny zarys i tło badanego zagadnienia wyjaśniając podstawy podjętych badań. W Przeglądzie literatury Doktorantka opisała szeroko zagadnienia związane z ogólną charakterystyką badanych gatunków roślin, włącznie z zagrożeniami które powodują. Opisała też podstawowe procesy zachodzące w nasionach, koncentrując się na spoczynku i kiełkowaniu nasion. Opisała szczegółowo rolę czynników środowiskowych takich jak temperatura, światło i dostępność wody na biologię nasion: spoczynek i kiełkowanie nasion. Doktorantka omówiła następnie czynniki endogenne warunkujące spoczynek i kiełkowanie nasion, opisując też rolę genu DOG1, kluczowego w adaptacji spoczynku do klimatu. Następnie skupiła się na omówieniu sezonowej cykliczności spoczynku nasion, czynników ją determinujących oraz pojęciach banku nasion i żywotności. Rozdział zakończyła omówieniem zagadnień dotyczących rozpuszczalnych węglowodanów w diasporach, szczególnie roli w desykacji. Rozprawa doktorska wpisuje się zatem w szeroki zakres badań ekofizjologicznych nad kiełkowaniem nasion, i jednocześnie stanowi rozwinięcie prowadzonych wcześniej prac badawczych. W opinii recenzenta ta część pracy napisana jest zwięźle i wyczerpująco, z wykorzystaniem 2

3 wielu współczesnych publikacji naukowych, wprowadzając w zagadnienia obejmujące temat pracy, stanowiąc podstawę do podjęcia opisywanych badań. W trakcie recenzji tego rozdziału nasunęło mi się pytanie dotyczące spoczynku fizjologicznego. Jakie są jego podtypy i czym się różnią? Dlaczego Ryc. 3, oraz także inne, wykonana jest w języku angielskim? Na podstawie ww. danych mgr Milena Szymczak-Dobosz sformułowała Cele pracy, którymi było poznanie sezonowego wzorca spoczynku i kiełkowania niełupek bylicy oraz ostrożenia za pomocą parametrów kiełkowania i modelu hydroczasowego, oraz określenie wpływu zalegania niełupek w glebowym banku nasion na skład i zawartość cukrowców rozpuszczalnych. Poszczególne zadania badawcze zostały opisane jasno i zwięźle w rozdziale Materiał i Metody, w sposób czytelny i logiczny wprowadzając do przeprowadzonych eksperymentów. Jednocześnie wyczerpują one całą gamę zagadnień, które planowało się wykonać aby cel pracy został osiągnięty. Rozdział Materiał i Metody został opisany zwięźle a jednocześnie szczegółowo wyczerpując informacje na temat użytego materiału doświadczalnego oraz zastosowanych metod biologii nasion i biochemii. Wartym podkreślenia jest zastosowanie modelu hydroczasowego do analizy sezonowego wzorca spoczynku i kiełkowania nasion oraz szerokiej gamy analiz statystycznych. Wyniki badań zostały przedstawione w sposób bardzo obszerny, zajmując przeszło 120 stron pracy, co świadczy o ogromie wykonanej pracy i liczbie wykonanych eksperymentów. Z drugiej strony analiza porównawcza dużej ilości danych stanowiła wyzwanie pod względem organizacyjnym i analitycznym, czyniąc w końcowym efekcie wyciąganie wniosków niełatwym zadaniem, z którym jednak Doktorantka poradziła sobie bardzo dobrze. Doktorantka w pracy opisała obserwacje sezonowego wzorca kiełkowania niełupek bylicy w glebowym banku nasion (GBN) oraz w warunkach laboratoryjnych (chłodne suche przechowywanie i suche przechowywanie). Zbadała także wpływ warunków środowiskowych na stopień uwodnienia i procentową zawartość suchej masy niełupek. W kolejnych doświadczeniach Doktorantka zbadała zdolność kiełkowania oraz parametry opisujące szybkość kiełkowania w roztworach o obniżonym potencjale wodnym dojrzałych niełupek 3

4 bylicy. Dokonała też analizy sezonowego wzorca kiełkowania niełupek ostrożenia za pomocą modelu hydroczasowego, co uważam za bardzo ciekawe podejście metodyczne. Kolejnym interesującym zagadnieniem jakiego podjęła się Doktorantka było zbadanie wpływu zalegania niełupek bylicy i ostrożenia w glebowym banku nasion na skład ilościowy i jakościowy rozpuszczalnych cukrowców. Zaobserwowała, że warunki przechowywania niełupek ostrożenia i bylicy w GBN istotnie wpłynęły na zawartość cukrowców rozpuszczalnych. Czas zalegania niełupek ostrożenia w glebie najsilniej wpłynął na zawartość myo-inozytolu i mannitolu, a także galaktinolu, trehalozy, stachiozy, monosacharydów oraz D-chiro-iozytolu, a także na wartość proporcji sacharoza/rfo. Dla bylicy najistotniejsze różnice stwierdziła dla sacharozy, stachiozy, galaktinolu, arabitolu oraz rafinozy a także dla proporcji sacharoza/rfo. Wartym podkreślenia osiągnieciem jest też wykazanie zależności pomiędzy średnią miesięczną temperaturą gleby i miesięczną sumą opadów a zawartością poszczególnych cukrowców rozpuszczalnych w diasporach ostrożenia i bylicy zalegających w glebie, oraz wykazanie badań zależności pomiędzy zawartością cukrowców rozpuszczalnych, a odsetkiem kiełkowania niełupek oraz parametrami kiełkowania. Po zapoznaniu się z wynikami mogę stwierdzić, że Doktorantka bardzo sprawnie poradziła sobie z realizacją wyznaczonych wcześniej celów. Nie ustrzegła się jednak pewnych nieścisłości. Pisze, że stopniowo wzrastająca temperatura gleby w miesiącach letnich indukuje spoczynek (chodzi o wtórny?) jedynie w niełupkach ostrożenia, natomiast niełupki bylicy pozostają w stanie płytkiego spoczynku (pierwotnego?). Proszę o wyjaśnienie. Dyskutując otrzymane wyniki i dane literaturowe mgr Milena Szymczak-Dobosz szeroko omówiła, porównała i podsumowała obecny stan wiedzy na temat sezonowego wzorca spoczynku i kiełkowania niełupek. Zwróciła uwagę na wpływ temperatury, w poszczególnych latach, w czasie dojrzewania nasion na spoczynek nasion bylicy. Dyskutując zdolność kiełkowania oraz parametry opisujące szybkość kiełkowania (MGT, T10 i T50) dojrzałych niełupek bylicy Doktorantka doszła do wniosku, że temperatura a także opady i wilgotność względna powietrza podczas rozwoju i dojrzewania niełupek na roślinie macierzystej były na tyle zróżnicowane, że spowodowały sezonową zmienność kiełkowania i zróżnicowanie wrażliwości na obniżony potencjał wodny niełupek pochodzących z tej samej 4

5 populacji. Analizując żywotność niełupek bylicy zalegających w glebowym banku nasion zauważyła, że po okresie miesięcy (jesienią) obniżyła się ona, na co wpływ mogły mieć niska temperatura i duża wilgotność. Wywnioskowała, że gatunek ten ma potencjał do tworzenia trwałych banków nasion (zgodnie z klasyfikacją Thomsona i Grima, 1997). Wykazała także, że parametry kiełkowania niełupek bylicy w glebie różniły się istotnie w zależności od roku zbioru. Zaobserwowała, że to środowisko (naturalna stratyfikacja w glebie) miało decydujący wpływ nie tylko na poziom spoczynku, ale także na zmniejszoną wrażliwość niełupek bylicy. Wskazała także na fakt, że w czasie zalegania niełupek bylicy w glebie wartości wskaźników kiełkowania ulegały wahaniom. Zmiany te początkowo były związane z ustępowaniem spoczynku a po około roku z utratą żywotności diaspor podczas zalegania w GBN. Doktorantka zaobserwowała również, że bylica jest wysoce odporna na obniżoną zawartość wody i może szybko kiełkować w warunkach ograniczonej jej dostępności, co daje mu przewagę nad innymi gatunkami. Bardzo wysoka zdolność kiełkowania niełupek bylicy sprawia, że diaspory te kiełkują szybko, gdy tylko pojawiają się sprzyjające warunki środowiskowe. Przypuszcza, że powyższe cechy niełupek bylicy pospolitej w dużej mierze zadecydowały o tym, że bylica jest gatunkiem kosmopolitycznym zdolnym do łatwego zasiedlania nowych miejsc. Analiza sezonowego wzorca spoczynku i kiełkowania niełupek ostrożenia z zastosowaniem modelu hydroczasowego wykazała, że w warunkach naturalnego glebowego banku pozostawały one w stanie płytkiego spoczynku w ciągu całego roku, chociaż jego głębokość wykazywała pewną sezonową zmienność. Osiągnieciem pracy jest stwierdzenie, że spoczynek nasion ostrożenia może zostać przełamany w niskich temperaturach zimowych, prowadząc do konsekwentnie lepszych wschodów wiosną. W wysokich letnich temperaturach nasiona, które nie wykiełkowały, rozwijają spoczynek wtórny. Sugeruje Doktorantka, że takie warunki powodują częściową dystrybucję kiełkowania w czasie, ponieważ pewna część nasion pozostaje nadal w stanie spoczynku i istnieje możliwość, że będą kiełkować w następnym sezonie. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdziła też, że niełupki ostrożenia mogą tworzyć trwały glebowy bank, oraz bardzo dobrze sobie radzą w zajmowaniu nowych siedlisk. 5

6 Doktorantka napisała, że analiza sezonowego wzorca kiełkowania nasion bylicy za pomocą modelu hydroczasowego nie została przeprowadzona, ponieważ okazało się, że model ten nie opisuje dobrze procesu kiełkowania niełupek tego gatunku. Proszę o rozwiniecie tego wątku. Ciekawym zagadnieniem podjętym przez Doktorantkę było zbadanie wpływu zalegania niełupek ostrożenia i bylicy w glebowym banku nasion na skład cukrowców rozpuszczalnych. Co warte podkreślenia, zagadnienie to zostało omówione na tle wcześniejszych badań Katedry oraz literatury światowej. Podkreśliła, że jedynie w niełupkach ostrożenia występował D-chiro-inozytol, natomiast występowanie quebrachitolu i arabitolu było ograniczone do niełupek bylicy. Zatem skład jakościowy niełupek ostrożenia i bylicy różnił się występowaniem tych trzech rzadko spotykanych rozpuszczalnych pochodnych cukrowców. Bardzo interesujące były wyniki analiz składu ilościowego cukrowców rozpuszczalnych dojrzałych niełupek ostrożenia i bylicy. Pokazały one, że zawartość cukrowców różniła się istotnie między dojrzałymi niełupkami (zmienność gatunkowa). Różnice ilościowe dotyczyły zawartości wszystkich cukrowców z wyjątkiem trehalozy i myo-inozytolu. W niełupkach obu gatunków dominującymi cukrowcami były sacharoza i oligosacharydy rodziny rafinozy. Analizy ilościowe wykazały, że z wyjątkiem rafinozy oraz sumy RFO i wszystkich galaktozydów, zawartość wszystkich cukrowców w dojrzałych niełupkach bylicy różniła się istotnie w poszczególnych latach. Doktorantka sugerowała, że zróżnicowane warunki pogodowe podczas dojrzewania niełupek wpłynęły na ilość fotoasymilatów docierających do diaspor bylicy, co z kolei determinowało sezonowe różnice składu ilościowego cukrowców. Badanie składu ilościowego cukrowców rozpuszczalnych niełupek ostrożenia i bylicy zachodzące podczas zalegania diaspor w glebie uznaję jako nowatorskie i ważne w określeniu roli i znaczenia cukrowców w odpowiedzi roślin na zmieniające się warunki środowiskowe w glebie. Doktorantka sugerowała, że sygnały środowiskowe indukowały przemiany cukrów w niełupkach. Stwierdziła, że niełupki przechowywane w warunkach glebowego banku nasion charakteryzują się aktywnym metabolizmem oligosacharydów rodziny rafinozy, oraz że wraz ze wzrostem zawartości RFO skracał się czas kiełkowania niełupek. Wywnioskowała, że akumulacja RFO w niełupkach zalegających w glebie może sprzyjać zwiększeniu zdolności i 6

7 szybkości kiełkowania a także odporności na niesprzyjające czynniki środowiska. Ciekawym wynikiem było też stwierdzanie, że akumulacja trehalozy w niełupkach obu gatunków może zwiększać tolerancję tkanek diaspor na zmieniające się warunki środowiskowe w glebie oraz sprzyjać zachowaniu żywotności diaspor. Ważnym wynikiem było też stwierdzenie, że acykliczne poliole, takie jak arabitol i mannitol, mogą być wskaźnikami starzenia i obniżenia się jakości niełupek bylicy. Szeroko przeprowadzone badania, po dyskusji wyników i danych literaturowych zostały podsumowane w formie logicznych i zwięzłych Wniosków. Podsumowując, wymienione wyżej drobne uchybienia nie wpływają w istotny sposób na wysoką ocenę pracy. Stanowi ona istotny wkład w poznanie ekofizjologii kiełkowania nasion. Zarówno sposób przygotowania, jak i zawartość merytoryczna rozprawy pozwalają sądzić, że mgr Milena Szymczak-Dobosz jest sprawnym i utalentowanym badaczem posiadającym szeroką i ugruntowaną wiedzę. Wyniki badań są oryginalne i zawierają oczywisty element nowości naukowej. Podsumowując stwierdzam, że oceniana praca spełnia wszystkie wymogi formalne stawiane rozprawom doktorskim. Biorąc powyższe pod uwagę, zwracam się do Rady Wydziału Biologii i Biotechnologii UWM w Olsztynie o dopuszczenie Pani mgr Mileny Szymczak-Dobosz do dalszych etapów przewodu doktorskiego. Tomasz Pawłowski 7