Asimil áty a jejich transport v rostlině

AsimilAsimiláty a jejich áty a jejich transport v rostlinětransport v rostlině

Jiří ŠantrůčekKatedra fyziologie rostlinPřírodovědecká fakulta JU, České Budějovicelab. B353; e-mail: [email protected]

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů

Energetický metabolismus _Energetický metabolismus _PPřřFF UK_LS 2014 UK_LS 2014

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Syntéza škrobu (v chloroplastech a sacharózy (v cytoplasmě) jsou pochody, které soutěží o triózo- fosfáty: když je koncentace ortofosfátu (Pi) v cytoplasmě vysoká, triózofosfáty se transportují ven z chloropla- stů v přísném stechiometri- ckém poměru za Pi, který jde dovnitř. V cytoplasmě se tak může syntetizovat sacharóza. Tose děje více v noci.Na světle, kdy je produkce triózo-fosfátů v chloroplastech veliká a Pitranslokátor nestačí, sníží se Piv cytoplasmě, triózy zůstávají vchloroplastech a syntetizuje se škrob.

Zdroj (source)

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Cesty translokace asimilátů

Floém je pletivo sloužící k transportuasimilátů z místa zdroje (většinoulisty) k místům spotřeby nebo zásob(angl. sink, kořeny, vegetační vrcholyhlízy, plody …).Hlavním vodivým elementem floému jsou buňky sítkovice. Vytvářejí se zdělivého pletiva – tzv. kambia na jehovnější straně. U rostlin, které druhotnětloustnou (např. dřeviny) floém tvořílýko.Kromě sítkovic tvoří důležitou součást floému tzv. průvodní buňky. Občasjsou jeho součástí i sklereidy (zpevňují)nebo latex obsahující buňky (laticifers)

Asimiláty ze zdroje se transportujíproti gradientu jejich elektrochemickéhopotenciálu do sítkovic = tzv. „plnění“ floému (phloem loading).V místech spotřeby se asimiláty trans-portují ze sítkovic = vykládánívyprazdňování floému.

Cesta

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Asimiláty na místě spotřeby uspokojujípožadavky energie a stavebníchelementů pro růst a udržování nebo se ukládají v polymerní formě (škrob v amyloplastech, zásobní bílkoviny vproteinových tělíscích) nebojako neredukující cukry (sacharóza,…)ve vakuólách.

Jímka (sink)

CestaZdroj

Pln

ění

floém

u

Vyp

razd

ňová

níní

flo

ému

Jímka

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Hogberg et al. 2001, Nature, (girdling)Hogberg et al. 2001, Nature, (girdling)

Tok asimilátů floémem – praktické využití

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Nadbytečná transportní kapacita sítkovic?

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 20 40 60 80 100

frakce intaktního lýka (%)

tran

spor

t asi

milá

tů (m

g/de

n)

Kontinuita lýka je nezbytná pro přenos asimilátů. (Mason a Maskell 1928)

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Anatomie transportní dráhy

Křižovatky cest a asimilátů

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Sítko (sieve element) mezidvěmi sítkovicemi,Průvodní buňka (CompanionCell)

Úloha P proteinu = utěsnění po-škozených sítkovic (hmyzem).Velký turgorový tlak v sítkovicích.P-protein ucpe sítko dočasně. Možnostzprovoznění.Kalóza – trvalé ucpání (masivní poranění)Beta1,3,-glukan.

Průvodní buňkyMnoho plasmodesmat, mitochondrií – produkce ATP pro aktivní transport sacharózy.

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Cesty asimilátů ze zdroje k místu spotřeby sledují anatomické a vývojové dráhy.

Ne všechny zdroje zásobují všechny spotřebiče. Kritéria: 1/ vzdálenost 2/ cévní spojení (preferována vertikálnířada listů nad sebou = tzv. ortostichy). Alternativní cesty při poškození – ustaví se pomocí spojek (anastomóz).Distribuce radioaktivity při značení 14CO2(cukrovka) A: 1 týden po 4 hod značení. Intenzita šedi ukazuje stupeň přítomnosti 14C.C: stejné jako A ale 1 den před značením odstraněny zdrojové listy na opačné straně rostliny. Tentokrát se značka dostane i domladých listů na opačné straně rostliny.Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Cesty asimilátů ze zdroje k místu spotřeby sledují anatomické a vývojové dráhy.

Závěry: 1/ Horní listy zásobují uhlíkem růstový vrchol, dolní listy transportují asimiláty do kořenů a kořenovýchhlízek. 2/ Existuje propojení mezi floémem a xylémem dopravujícím aminokyseliny (ureidy) transpiračnímproudemVertikální translokace asimilátů v rostlině lupiny jejímž jediným zdrojem dusíku byla symbiotická fixace N2. Je udán poměrobsahu uhlíku k dusíku ve floémové šťávě v daném místě odběru.

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Distribuce asimilátů v rostlině – praktické využití

Zvýšit výnos neznamená zvětšit rostlinu ale upravit alokaci asimilátů.

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Translokace asimilátů je méně citlivá na postupné snižování vodního potenciálu listu než produkce (rychlost fotosyntézy).

Strategie translokace asimilátů při stresu a senescenci

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Co se floémem transportuje ?

Čím je transport poháněn ?

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Chemické látky translokované floémem:

• Sacharóza (0,3-0,9 M) (neredukující cukry=bez exponované

aldehydické nebo keto skupiny. Tedy ne glukóza, fruktóza! Neredukující jsou méně reaktivní).

Alternativně sacharóza vázaná na galaktózu (rafinóza, stachyóza, verbaskóza).

• Aminokyseliny (hlavně glutamát a aspartát

a jejich amidy – glutamin a asparagin)• Všechny fytohormóny• Floémové proteiny (P-protein, ubiquitin, chaperony)

• Anorganické soli (ionty K, Mg, P, Cl) (ne Ca2+ , NO3 - )

• pH typicky 8-8,5; osmotický potenciál 1,1-1,8 MPa

Rychlost transportu : 30-200 cm/h (přesahuje difusi, stejná pro různě velké látky)

Množství transportované látky: 3-10 g m-2 (floému) s-1

Kvantita:

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Chemické látky transportované floémem: neredukující cukry=bez exponované aldehydické nebo keto skupiny. Tedy ne glukóza, fruktóza! Neredukující jsou méně reaktivní

Poslední dva kroky syntézy sacharózy

Buchannan et al. 2000

Šep

tám

ti d

o u

cha

ho

rce

rozk

ošné

che

mic

ké v

zorc

e.L

ásk

a je

prý

ste

jně

jen

ch

em

ie(N

ohav

ica,

Bar

ták

2007

)

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Mechanismus transportu ve floému (OGPF) (Münchova hypotéza, 1930)

Plnění floému(loading)

Vyprazdňování floému(unloading)

Tlako-proudá hypotéza: přenos pohání osmoticky generovaný tlakový gradient Jeden z důkazů: transport je obvykle málo citlivý na dodávku energie z tkání na dráze ale hodně citlivý na celkový – systémový - inhibitor (př. kyanid).

OGPF = OsmoticallyGeneratedPressureFlow

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Jeden z důkazů: transport je obvykle málo citlivý na dodávku energie z tkání na dráze ale hodně citlivý na celkový – systémový - inhibitor (př. kyanid).

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Poiseuillův zákon, rychlost toku v trubici, Poiseuillův zákon, rychlost toku v trubici, hydraulický odpor toku, tok asimilátů hydraulický odpor toku, tok asimilátů

xr

L

dxdPr

v

dxdPr

JV

8

8

8

4

2

4

= dynamická viskozita (pro vodu =1·10-3 Pa s= kg m-1 s-1

• F hmotnostní tok asimilátů

rychlost hromadného toku

• A plocha otvorů v sítku

• C koncentrace asimilátů

[m3 s

-1]

[m s

-1]

[m3 s

-1P

a-1]

CAF [k

g s-1

]

[kg m-3]

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Přenos asimilátů do floému – nabíjení floému (phloem loading)

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Přenos asimilátů do floému – plnění floému (phloem loading)

Zde je znázorněn příklad nabíjení v asimilujícím listu. Podobně se ale děje např. v kořenech, oddéncích, semenech při mobilizaci rezerv.

Existují dvě rozdílné cesty jak se dostávají asimiláty z parenchymatických buněk do komplexu průvodní buňka-sitkovice: apoplastová a symplastová.Pozoruhodné je, že vývojově starší rostliny používají převážně symplastovou, vývojově mladší (trávy, většina polních plodin) mají málo plasmodesmatmezi parenchymatickými buňkami (pc) a komplexem průvodní buňka-sítkovice (cc-sc) a používají apoplastovou cestu. (Důkaz pomocí inhibitoru transportu apoplastem PCMBS (= para-chlormercuribenzensulfonic acid)

Průvodníbuňky

Sítkovice

Výv

ojov

ě m

ladš

íVývojově starší

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


sc sítkovicecc doprovodné buňkypc parenchymatické b.bsc buňky pochev cévních svazkův céva

vsc

sc

cc

pc

pcpc

pc

pc

bsc

bsc

bsc

Řez zakončením svazku cévv listu ??

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Autoradiogram (vrchní strana listu Beta vulgaris)ukazující, že značená sacharóza se můžetransportovat z apoplastu do floému. 14C značená sacharóza se aplikovala na vrchní stranu listu řepy,která byla 3 hodiny ve tmě (kutikula odstraněna). Snímek po 30 min.

Paralelní cévní svazky dvou řádů a spojovací anastomózy (list pšenice)K plnění floému dochází v cévních svazcích nejnižšího řádu, spojkami se asimiláty transportují do svazků vyššího řádu.T

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůEnergetický metabolismus _Energetický metabolismus _PPřřFF UK_LS 2014 UK_LS 2014

Nevyřešené problémy:

a) symplastového plnění - v sítkovicích je větší koncentrace cukrů než v buňkách mezofylu. Jak je to možné při výlučném transportu přes plasmodesmata?

fruktóza

glukóza

galaktóza

sacharózarafinózastachyóza

Grusak et al. 1996, Plant in Action Fig. 5.25.

b) apoplastového plnění:- Jak se dostane sacharóza do apoplastu?

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


sacharózo-protonovýsymportér v membráněprůvodní buňky

Komplex sítkovice-průvodní buňka

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Fyziologie rostlin - Asimilaty, transport

Plants in Action Fig. 5.26-5.28.

Regulace exportu asimilátů z listu

(příklady)

Rychlostí fotosyntézy

Regulací aktivity sacharózo-

fosfát syntázy (SDS)

Kapacitou (poptávkou) jímky

ozářenostteplotaCO2

vodaredukce asimilační plochy…

Substrát (F6P)Regulace PiInhibice produktemteplotaCO2

Fytohormóny:Gibereliny +IAA +ABA -

Plants in Action Fig.5.32

sc-cc symplast apoplast pc symplast

Přenos asimilátů z floému do jímky (phloem unloading)

Spojení dvou genotypů(symbióza, hlízkové bakterie)

Semena – obilniny, bobovitépřechod osemení (=mateřské tkáně) v embrioa endosperm (=dceřiná tkáň) vylučuje přítomnostplasmodesmat (2 ATP-ázy pumpují H+ do apoplasturozhraní; spojeno s antiportem a symportem sacha-Rózy.

Osmotické apoplastové rozhraníu zrajících plodůApoplast osmoticky izoluje sítkovice od stoupajícíkoncentrace cukrů v plodech. Tím zachová tokfloémem. Extracelulární invertáza u zrajících plodůhydrolyzuje sacharózu na glukózu a fruktózu, kterése pak nemohou vracet zpět do floému.

osem

ení

embr

io

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Plants in Action Fig.5.37

Důležité události cukerného metabolismu v jímce

Sacharóza je nejdůležitější forma cukru, který přichází do jímky přes plasmodesmata nebo apoplast. V apoplastu se může už hydrolyzovat kyselou invertázou na hexózy.

Podle druhu rostliny a orgánu se sacharóza metabolizuje přes uridin difosfát glukózu (UDPG) na glukózo-1-fosfát (G-1-P), který se transportuje do amyloplastů a vytváří se z něho škrob.

Případně se přenáší protonovým antiportem do vakuól, kde v této formě vytvářejí zásobu energie (kořen cukrovky) nebo se hydrolyzuje na hexózy a ty zůstávají jako zásoba energie (hrozny vína) nebo přecházejí do cytoplasmy a fosforylují se kinázami. V takové podobě jsou metabolizovatelné v glykolýze (respiraci) nebo využitelné pro tvorbu celulózy (růst).

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Zachrání nás rostliny před skleníkovým efektem?

Tvo

rba

a tr

ansp

ort

asim

ilát

ůT

vorb

a a

tran

spor

t as

imil

átů


Jak se změní uhlíková jímka v CO2 bohatším světě? Zachrání nás před skleníkovým efektem?

Fyziologie rostlin - Stres

Ca=700Ca=35034 dnů staré rostliny pšenice

- bude mít vyšší rychlost fotosyntézy, bude ukládat víc C do listů, do kořenů i exsudovat do půdy. Jímka C v rostlině a půdě nebude o mnoho větší kvůli vyšší respiraci

... natural forest CO... natural forest CO22 enrichment enrichment

Ch KörnerCh Körner

An

nua

l car

bo

n in

cre

me

nt i

n w

ood

A

nnu

al c

arb

on

incr

em

en

t in

woo

d

(kg

C m

(kg

C m

-- 22 g

rou

nd)

g

rou

nd)

Oren R Oren R et alet al (2001) Nature 411:469; (2001) Nature 411:469; MC Carthy & R Oren, unpubl. dataMC Carthy & R Oren, unpubl. data

YearYear

0.00.0

0.10.1

0.20.2

0.30.3

0.40.4

0.50.5

pre-treatmentpre-treatment10-year mean10-year mean

19931993 19941994 19951995 19961996 19971997 19981998 19991999 20002000 20012001++

20022002

Pinus taeda, Pinus taeda, Duke Forest, North CarolinaDuke Forest, North Carolina

Elevated COElevated CO22

Ambient COAmbient CO22


An

nua

l tre

e b

asa

l are

a in

cre

me

nt

An

nua

l tre

e b

asa

l are

a in

cre

me

nt

(sta

nd

ard

ize

d b

y p

re-t

rea

tme

nt m

ean

)(s

tan

dar

diz

ed

by

pre

-tre

atm

en

t mea

n)

YearYear

Growth of 100 year old trees in elevated COGrowth of 100 year old trees in elevated CO22, Swiss web-FACE , Swiss web-FACE

Ch Körner Ch Körner et al.et al. (2005) Science 309:1360 and new data (2005) Science 309:1360 and new data

Elevated COElevated CO22, n = 10, n = 10Ambient COAmbient CO22, n = 29, n = 29

PretreatmentPretreatment Elevated COElevated CO22

0.00.0

0.50.5

1.01.0

1.51.5

Fagus, Quercus, Carpinus, TiliaFagus, Quercus, Carpinus, Tilia

9696 9797 9898 9999 0000 0101 0202 0303 0404 0505

DroughtDrought

• Uzavřené porosty lesa exponovanéUzavřené porosty lesa exponované zvýšenémuzvýšenému COCO22 nevykazují žádné zvýšenínevykazují žádné zvýšení indexu listové indexu listové

plochyplochy (LAI) (LAI) nebo jeho sníženínebo jeho snížení ( (ale uzavření ale uzavření porostu může probíhat rychlejiporostu může probíhat rychleji ve velmi mladých ve velmi mladých výsadbáchvýsadbách).).

• Vyšší fotosyntetická asimilaceVyšší fotosyntetická asimilace CO CO22 aleale malé nebo malé nebo

žádnéžádné zvýšení biomasy (ve stacionárním stavu)zvýšení biomasy (ve stacionárním stavu)..

KamKam ten uhlíkten uhlík jde jde ??

(1) C-(1) C-obohacenéobohacené tkánětkáně(2) Rec(2) Recyklaceyklace do atmosféry do atmosféry (3) (3) PůdníPůdní humus humus Ch KörnerCh Körner

If there is an increase of the humus pool, it is too If there is an increase of the humus pool, it is too small to be detected.small to be detected.

Most likely, much of the extra carbon taken up is Most likely, much of the extra carbon taken up is recycled to the atmosphere.recycled to the atmosphere.

There is a possibility that ecosystem C-emission There is a possibility that ecosystem C-emission becomes enhanced through more dynamic forests:becomes enhanced through more dynamic forests:

Ch Körner (2004) Through enhanced tree dynamics carbon dioxide Ch Körner (2004) Through enhanced tree dynamics carbon dioxide enrichment may cause tropical forests to lose carbon.enrichment may cause tropical forests to lose carbon.Philos Trans R Soc Lond Ser B-Biol Sci 359:493Philos Trans R Soc Lond Ser B-Biol Sci 359:493


I tehdy když zvýšené I tehdy když zvýšené COCO22 stimuluje stimuluje

růst,růst, neznamená to že se trvale neznamená to že se trvale

ukládá uhlíkukládá uhlík ( (větší sink, jímka pro větší sink, jímka pro

uhlík)uhlík) ((C-pool).C-pool).

• Triózy se zpracovávají v chloroplastech na škrob nebo v cytoplasmě na sacharózu (neredukující disacharid), který je nejčastější transportní formou cukrů

• Zdroj (source) v chloroplastech a jímku (sink) v kořenech, růstových zónách, plodech, semenech … spojuje floém tvořený komplexem sítkovice - průvodní buňka a parenchymem. Floém má napojení na xylém a sleduje vývojové dráhy.

• Hybnou silou toku asimilátů ve floému je osmoticky generovaný tlakový rozdíl mezi zdrojem a jímkou.

• Sacharóza se „nakládá“ do floému a „vykládá“ z něj apoplastovou, symplastovou i kombinovanou cestou, která je specifická druhově (vývojově), orgánově (semena-oddělené genotypy) i časově (zrání plodů). Oba procesy vyžadují aktivní membránový protein (protonový symport) a energii (ATP).

• Praktické aplikace: výživa (cukr, škrob); genetické modifikace velikosti jímky (výnos); globální bilance uhlíku a klima.

Documents

Asimil áty a jejich transport v rostlině