Asimil áty a jejich transport v rostlině

1. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Asimiláty a jejich transport v rostlině Jiří Šantrůček Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecká fakulta JU, České Budějovice lab. B353; e-mail: jsan@umbr.cas.cz Tvorba a transport asimilátů

2. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Od zdroje k jímce Tvorba a transport asimilátů

3. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Zdroj (source) 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. To se děje více v noci. Na světle, kdy je produkce triózo- fosfátů v chloroplastech veliká a Pi translokátor nestačí, sníží se Pi v cytoplasmě, triózy zůstávají v chloroplastech a syntetizuje se škrob. Tvorba a transport asimilátů

4. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Tvorba a transport asimilátů

5. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Cesta Cesty translokace asimilátů Floém je pletivo sloužící k transportu asimilátů z místa zdroje (většinou listy) k místům spotřeby nebo zásob (angl. sink, kořeny, vegetační vrcholy hlízy, plody …). Hlavním vodivým elementem floému jsou buňky sítkovice. Vytvářejí se z dělivého pletiva – tzv. kambia na jeho vnější straně. U rostlin, které druhotně tloustnou (např. dřeviny) floém tvoří lýko. Kromě sítkovic tvoří důležitou součást floému tzv. průvodní buňky. Občas jsou jeho součástí i sklereidy (zpevňují) nebo latex obsahující buňky (laticifers) Asimiláty ze zdroje se transportují proti gradientu jejich elektrochemického potenciálu do sítkovic = tzv. „plnění“ floému (phloemloading). V místech spotřeby se asimiláty trans -portují ze sítkovic = vykládání vyprazdňování floému. Tvorba a transport asimilátů

6. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Jímka (sink) Asimiláty na místě spotřeby uspokojují požadavky energie a stavebních elementů pro růst a udržování nebo se ukládají v polymerní formě (škrob v amyloplastech, zásobní bílkoviny v proteinových tělíscích) nebo jako neredukující cukry (sacharóza,…) ve vakuólách. Zdroj Cesta Jímka Vyprazdňováníní floému Plnění floému Tvorba a transport asimilátů

7. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Tok asimilátů floémem – praktické využití Tvorba a transport asimilátů Hogberg et al. 2001, Nature, (girdling)

8. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Nadbytečná transportní kapacita sítkovic? Tvorba a transport asimilátů Kontinuita lýka je nezbytná pro přenos asimilátů. (Mason a Maskell 1928)

9. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Kudy, kam ? Anatomie transportní dráhy Křižovatky cest a asimilátů Tvorba a transport asimilátů

10. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Tvorba a transport asimilátů

11. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Sítko (sieve element) mezi dvěmi sítkovicemi, Průvodní buňka (Companion Cell) Úloha P proteinu = utěsnění po- škozených sítkovic (hmyzem). Velký turgorový tlak v sítkovicích. P-protein ucpe sítko dočasně. Možnost zprovoznění. Kalóza – trvalé ucpání (masivní poranění) Beta1,3,-glukan. Průvodní buňky Mnoho plasmodesmat, mitochondrií – produkce ATP pro aktivní transport sacharózy. Tvorba a transport asimilátů

12. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Cesty asimilátů ze zdroje k místu spotřeby sledují anatomické a vývojové dráhy. Tvorba a transport asimilátů Ne všechny zdroje zásobují všechny spotřebiče. Kritéria: 1/ vzdálenost 2/ cévní spojení (preferována vertikální řada 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 do mladých listů na opačné straně rostliny.

13. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Cesty asimilátů ze zdroje k místu spotřeby sledují anatomické a vývojové dráhy. Tvorba a transport asimilátů Závěry: 1/ Horní listy zásobují uhlíkem růstový vrchol, dolní listy transportují asimiláty do kořenů a kořenových hlízek. 2/ Existuje propojení mezi floémem a xylémem dopravujícím aminokyseliny (ureidy) transpiračním proudem Vertikální translokace asimilátů v rostlině lupiny jejímž jediným zdrojem dusíku byla symbiotická fixace N2. Je udán poměr obsahu uhlíku k dusíku ve floémové šťávě v daném místě odběru.

14. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Distribuce asimilátů v rostlině – praktické využití Tvorba a transport asimilátů Zvýšit výnos neznamená zvětšit rostlinu ale upravit alokaci asimilátů.

15. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Strategie translokace asimilátů při stresu a senescenci Tvorba a transport asimilátů Translokace asimilátů je méně citlivá na postupné snižování vodního potenciálu listu než produkce (rychlost fotosyntézy).

16. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Co mají rády mšice ? Co se floémem transportuje ? Čím je transport poháněn ? Tvorba a transport asimilátů

18. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 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 Tvorba a transport asimilátů Kvantita: Rychlost transportu : 30-200 cm/h (přesahuje difusi, stejná pro různě velké látky) Množství transportované látky: 3-10 g m-2 (floému) s-1

19. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 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 Šeptám ti do ucha horce rozkošné chemické vzorce. Láska je prý stejně jen chemie (Nohavica, Barták 2007) Tvorba a transport asimilátů Buchannan et al. 2000

20. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Mechanismus transportu ve floému (OGPF)(Münchova hypotéza, 1930) Plnění floému (loading) OGPF = Osmotically Generated Pressure Flow Vyprazdňování floému (unloading) Tvorba a transport asimilátů 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).

21. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Tvorba a transport asimilátů Jeden z důkazů: transport je obvykle málo citlivý na dodávku energie z tkání na dráze ale hodně citlivý na celkový – systémový - inhibitor (př. kyanid).

22. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Poiseuillův zákon, rychlost toku v trubici, hydraulický odpor toku, tok asimilátů • F hmotnostní tok asimilátů • rychlost hromadného toku • Aplocha otvorů v sítku • Ckoncentrace asimilátů [m3 s-1] [m s-1] [kg m-3] [m3 s-1Pa-1] [kg s-1] Tvorba a transport asimilátů = dynamická viskozita (pro vodu =1·10-3 Pa s= kg m-1 s-1

23. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Přenos asimilátů do floému – nabíjení floému (phloem loading) Tvorba a transport asimilátů

24. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Přenos asimilátů do floému – plnění floému (phloem loading) Vývojově mladší Sítkovice Průvodní buňky Vývojově starší Tvorba a transport asimilátů 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 plasmodesmat mezi parenchymatickými buňkami (pc) a komplexem průvodní buňka-sítkovice (cc-sc) a používají apoplastovou cestu. (Důkaz pomocí inhibitoru transportu apoplastem PCMBS (= para-chlormercuribenzensulfonic acid)

25. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 sc sítkovice cc doprovodné buňky pc parenchymatické b. bsc buňky pochev cévních svazků v céva bsc pc pc v sc sc Řez zakončením svazku cév v listu ?? bsc cc pc pc pc Tvorba a transport asimilátů bsc

26. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Autoradiogram (vrchní strana listu Beta vulgaris) ukazující, že značená sacharóza se může transportovat 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. Tvorba a transport asimilátů 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.

27. Energetický metabolismus _PřF 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 rafinóza stachyóza sacharóza galaktóza Tvorba a transport asimilátů b) apoplastového plnění: - Jak se dostane sacharóza do apoplastu? Grusak et al. 1996, Plant in Action Fig. 5.25.

28. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Komplex sítkovice-průvodní buňka sacharózo-protonový symportér v membráně průvodní buňky Tvorba a transport asimilátů

29. Fyziologie rostlin - Asimilaty, transport Regulace exportu asimilátů z listu(příklady) Regulací aktivity sacharózo- fosfát syntázy (SDS) Rychlostí fotosyntézy Fytohormóny: Gibereliny + IAA + ABA - Kapacitou (poptávkou) jímky ozářenost teplota CO2 voda redukce asimilační plochy … Substrát (F6P) Regulace Pi Inhibice produktem teplota CO2 Plants in Action Fig. 5.26-5.28.

30. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Jak se krmí semena ? Přenos asimilátů z floému do jímky (phloem unloading) sc-cc symplast  apoplast  pc symplast Spojení dvou genotypů (symbióza, hlízkové bakterie) Semena – obilniny, bobovité přechod osemení (=mateřské tkáně) v embrio a endosperm (=dceřiná tkáň) vylučuje přítomnost plasmodesmat (2 ATP-ázy pumpují H+ do apoplastu rozhraní; spojeno s antiportem a symportem sacha- Rózy. Osmotické apoplastové rozhraní u zrajících plodů Apoplast osmoticky izoluje sítkovice od stoupající koncentrace cukrů v plodech. Tím zachová tok floémem. Extracelulární invertáza u zrajících plodů hydrolyzuje sacharózu na glukózu a fruktózu, které se pak nemohou vracet zpět do floému. embrio osemení Tvorba a transport asimilátů Plants in Action Fig.5.32

31. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 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). Tvorba a transport asimilátů Plants in Action Fig.5.37

32. Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Zachrání nás rostliny před skleníkovým efektem? Uhlíková jímka v CO2 bohatším světě Tvorba a transport asimilátů

33. Fyziologie rostlin - Stres 34 dnů staré rostliny pšenice Ca=700 Ca=350 Jak se změní uhlíková jímka v CO2 bohatším světě? Zachrání nás před skleníkovým efektem? - 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

34. ... natural forest CO2 enrichment  Ch Körner

35. 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Pinus taeda, Duke Forest, North Carolina Elevated CO2 Ambient CO2 Annual carbon increment in wood (kg C m-2 ground) pre-treatment 10-year mean 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 + 2002 Year Oren R et al (2001) Nature 411:469; MC Carthy & R Oren, unpubl. data  Ch Körner

36. 1.5 1.0 0.5 0.0 Growth of 100 year old trees in elevated CO2, Swiss web-FACE Elevated CO2 Pretreatment Fagus, Quercus, Carpinus, Tilia Annual tree basal area increment (standardized by pre-treatment mean) Ambient CO2, n = 29 Drought Elevated CO2, n = 10 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 Year Ch Körner et al. (2005) Science 309:1360 and new data

37. Uzavřené porosty lesa exponovanézvýšenému CO2nevykazují žádné zvýšeníindexu listové plochy (LAI) nebo jeho snížení (ale uzavření porostu může probíhat rychlejive velmi mladých výsadbách). • Vyšší fotosyntetická asimilace CO2alemalé nebo žádnézvýšení biomasy (ve stacionárním stavu). Kamten uhlíkjde ? • (1) C-obohacenétkáně • (2) Recyklacedo atmosféry • (3) Půdní humus  Ch Körner

38. If there is an increase of the humus pool, it is too small to be detected. • Most likely, much of the extra carbon taken up is recycled to the atmosphere. There is a possibility that ecosystem C-emission becomes enhanced through more dynamic forests: Ch Körner (2004) Through enhanced tree dynamics carbon dioxide enrichment may cause tropical forests to lose carbon. Philos Trans R Soc Lond Ser B-Biol Sci 359:493  Ch Körner

39. I tehdy když zvýšené CO2 stimuluje růst,neznamená to že se trvale ukládá uhlík (větší sink, jímka pro uhlík)(C-pool).

40. Sh r nutí • 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.