Spectroscopic study of the impact of climate changes on the plants grains in the aspect of environmental protection

Jęczmień (Hordeum vulgare L.) jest jednym z najstarszych zbóż uprawianych przez człowieka. Dzięki licznym zabiegom agrotechnicznym i krzyżowaniu odmian, roślina ta obecnie uprawiana jest niemal w każdej strefie klimatycznej w różnych warunkach środowiska. Starania te na przestrzeni dziejów doprowadziły do bogatego zróżnicowania wewnątrzgatunkowego, co w rezultacie przełożyło się na wykształcenie mechanizmów ochronnych i zmian strukturalnych.Przedmiotem niniejszej pracy jest zbadanie wpływu klimatu na ziarna jęczmienia oraz określenie różnic i podobieństw na poziomie molekularnym pomiędzy dwiema, nieprzypadkowo wybranymi odmianami – Maresi (pochodzenie: Niemcy, klimat umiarkowany) i Cam/B1 (pochodzenie: Syria, klimat podzwrotnikowy). W tym celu wykorzystano trzy nowoczesne metody badawcze – skaningową mikroskopię elektronową, proszkową dyfraktometrię rentgenowską i spektroskopię ramanowską. Metody te z powodzeniem pozwoliły na realizację założonego celu badawczego.W toku eksperymentu potwierdzono, że odmiana Cam/B1, w odróżnieniu od odmiany Maresi, ze względu na rozwój w stresowych warunkach wykształciła liczne mechanizmy ochronne służące przetrwaniu ziarniaka. Analogiczne procesy w przypadku odmiany Maresi nie charakteryzują się tak dynamiczną naturą. Obserwację mechanizmów ochronnych umożliwiła technika ramanowskiego mapowania. Metoda ta pozwoliła ponadto na określenie różnic pomiędzy poszczególnymi częściami ziarniaka. Analizując zebrane dane eksperymentalne stwierdzono, że rozmieszczenie substancji markerowych na powierzchni ziarniaków nie jest równomierne i charakteryzuje się dużą zmiennością nawet w obrębie bielma i zarodka.Pozostałe stosowane metody badawcze pozwoliły na zbadanie struktury ziarniaków. Dzięki skaningowej mikroskopii elektronowej określono różnice i podobieństwa pomiędzy odmianami na poziomie mikroskopowym analizując kształt oraz kondycję budujących ziarno tkanek. Informacje te pozwoliły na stwierdzenie, że odmiana Cam/B1 charakteryzuje się lepszym przystosowaniem do zmiennych czynników środowiska ze względu na wykształcenie grubszej warstwy aleuronowej bogatej w substancje regulujące oraz przez mniejsza podatność na wysuszanie bielma skrobiowego. Natomiast dzięki proszkowej dyfraktometrii rentgenowskiej dokonano analizy struktury krystalicznej bielma skrobiowego i zarodków badając jednocześnie wpływ starzenia na zmiany w konformacji poszczególnych części. Nie zauważono żadnych zmian strukturalnych w czasie ani różnic pomiędzy odmianami.Barley (Hordeum vulgare L.) is one of the oldest cereals cultivated by man. Thanks to agricultural techniques and careful selection of barley varieties this plant is nowadays cultivated in almost all climate zones in different environmental conditions. Those efforts led to form interspecies differences which resulted in the development of a variety of defense mechanisms and structural changes. The object of this study was to investigate the influence of climate on barley grain and identify the differences and similarities in the structural and molecular level between the two, not coincidentally selected varieties – Maresi (origin: Germany, temperate climate) and Cam/B1 (origin: Syria, subtropical climate). For this purpose the three modern research methods - scanning electron microscopy, powder X-ray diffraction and Raman spectroscopy were used. In the course of the experiment, it was found that the Cam/B1 genotype, in contrast to Maresi genotype , due to the growth in stress conditions developed numerous dynamic protective mechanisms for the survival of grain. Analogous processes for the Maresi not have such a dynamic nature. Observation of protective mechanisms was possible thanks to mapping technique. Moreover, this technique allowed to demonstrate the differences between the different parts of the kernel. Analyzing the collected experimental data, it was found that the distribution of marker substances on the surface of the kernel is not uniform and is characterized by a high variability.Other research methods allowed to examine the structure of kernels. With scanning electron microscopy were shown the differences and similarities between the cultivars at the microscopic level by analyzing the shape and condition of the building seed tissues. This information allowed us to conclude that the Cam/B1 is more resistant to changing environmental factors because of the thicker aleurone layer and by less susceptible to dryness endosperm. The X-ray powder diffraction analyzes of the crystal structure of the starch endosperm and embryos allowed to conclude that these two cultivars do not show any structural changes relative to each other and over time, which proves their structural stability