All is flux, nothing stays still …

1. 1 All is flux, nothing stays still… Kruger N.J. and Ratcliffe R.G .: Pathways and fluxes: exploring the plant metabolic network. J. Exp. Bot. 63, 2243–2246, 2012 Herakleitos z Efesu

2. 2 Transport a distribuce látek v rostlinách O čem bude přednáška ? Proč převážně o transportu a distribuci sacharidů ? Integrační role sacharidů ? Jak vytvořit ze „sítě“ „lineární posloupnost“ ? Podaří se nám nezabřednout do podrobností a udržet celistvý obraz ? … Módní tendence považovat výzkum na nižší úrovni složitosti za vědečtější vede snadno k atomizmu, tj. k dílčímu zkoumání podřízených systémů, aniž bychom se zajímali o to, jak jsou tyto systémy zabudovány do jednoho celku. Metodická chyba nespočívá tedy ve snaze redukovat biologické jevy – ta je vlastní všem badatelům. Metodický omyl spočívá v tom, že při pokusu o výklad nebereme v úvahu nesmírně složitou strukturu, v níž se tyto subsystémy sjednocují a jejíž zkoumání nás jediné může dovést k porozumění systémovým vlastnostem celku….. Konrad Lorenz: 8 smrtelných hříchů, 1973

3. 3 Struktura přednášky • Transport látek a jeho význam pro rostlinu • Jaké látky jsou transportovány na dlouhou vzdálenost xylémem? • Jaké látky jsou transportovány na dlouhou vzdálenost floémem? Sacharidy - role sacharidů v rostlině • Chemické a fyzikální principy transportu vlastnosti vody, kapilarita, difúze, osmóza, hromadný tok, usnadněná difúze, aktivní transport • Pohyb látek v rostlině • Stavba struktur podílejících se na transportu - membrány, plazmodezmy, vodivá pletiva • Transport xylémem - vodní potenciál, transpirace, osmóza, aktivní příjem min. látek, kořenový vztlak • Transport floémem - Münchova teorie, pohyb hromadným tokem, význam nakládání a vykládání floému • Způsoby nakládání do floému, nakládání floému u dvouděložných, způsob nakládání do floému a tok vody, K+ kanály • Vykládání sacharidů v sinku – apoplastem, symplastem, endocytózou, • Enzymy štěpící sacharózu - SuSy, invertázy

4. 4 Struktura přednášky • Sacharózové transportéry Arabidopsis • Hexózové transportéry Arabidopsis • Protonové pumpy: H+-ATPázy plazmatické membrány • Transport sacharidů v produkční mezofylové buňce chloroplast – cytosol - vakuola • Syntéza sacharózy a její regulace • Syntéza a regulace syntézy dalších sacharidů: manitolu a RFO • Mobilizace škrobu v chloroplastu • Transport do vakuoly - Vakuolární H+-ATPázy a H+-PPázy • Koncept zdroje a sinku – kompetice sinků, síla sinku • Metabolismus sacharidů v sinku • Koordinace zásobování sacharidy a růstu rostliny sacharóza hexokinázový systém systém nezávislý na hexokináze trehalóza-6-P SnRK1 • Cukerná signalizace • Interakce a koordinace C a N metabolismu

5. 5 Regulace na vstupu i výstupu Nutnost vzájemného zásobování látkami Transport látek a jeho význam pro rostlinu • Udržení stability vnitřního prostředí otevřený systém  problém každého organizmu: „konstantní“ vnitřní prostředí X výkyvy ve vnějším prostředí, komunikace s prostředím – výměna látek – příjem živin, eliminace metabolických produktů • Výměna látek mezi částmi rostliny/buňkami rostlina je mnohobuněčný organizmusspecializace orgánů /pletiv/ buněk v rámci organizmu při zajištění jednotlivých funkcí (např. fotosyntéza, příjem min. živin) části rostliny - kořeny, nadz. část-žijí v odlišných podmínkách

6. Transport látek a jeho význam pro rostlinu 6 Pohyb signálů i látek schopných zajistit metabolickou odpověď Rychlost fotosyntézy Zvětšení síly sinku Zvýšení rychlosti transportu Pohyb signálů i živin • Harmonizace růstu a vývoje jednotlivých částí rostliny Postembryonální vývoj - komunikace mezi jednotlivými částmi rostliny • Reakce rostliny na vnější prostředí Schopnost přijmout signál o změně prostředí omezena na určitý orgán, potřebná reakce může probíhat v jiné části rostliny Pro zajištění  nutnost řízeného transportu látek Př:Šlechtění na zvýšení výnosu

7. 7 Relativní množství jednotlivých sloučenin N v xylému různých rostlinných druhů Jaké látky jsou transportovány na dlouhou vzdálenost xylémem? xylém: převážně minerální látky ? • voda • minerální živiny Podrobnější analýza xylémových exudátů: • aminokyseliny • organické kyseliny • hormony: cytokininy, ABA, polyaminy • proteiny • sacharidy (myo-inositol, fruktóza, pinitol…) Otázka ? Jaká je funkce jednotlivých organických složek xylémové šťávy a jak je řízena jejich syntéza v kořenovém parenchymu a pericyklu. • lektiny (obrana) • chitinázy(obrana) • komponenty buněčné stěny(proteiny bohaté na glycin-vysprávka buněčných stěn xylému ?) • polysacharidy(hlavně arabinogalaktany ? řízení buněčné proliferace a expanze) • oligosacharidy(oligoarabinogalaktany, oligoglukany, oligogalakturonidy ? Signál. Oligosachariny?) Satoh, 2006, Ligat et al., 2011

8. 8 Jaké látky jsou transportovány na dlouhou vzdálenost floémem? Floém:převážně asimiláty ? Sledování pohybu látek v rostlině • 17 stol. M. Malpighi • Stopování radioaktivních látek • Analýza floémového exudátu – naříznutý floém • - mšice Rostliny obsahují velké množství sacharidů nízký poměr N:C a S:C (živočichové vysoký poměr N:C a S:C) Floém obsahuje: 15-25 % sušiny z toho 90 % sacharidy • sacharidy Sacharóza – až 98 % všech cukrů ve floému (koncentrace až 20% w/v) Sacharidy rafinózové řady – rafinóza, stachyóza, verbaskóza Cukerné alkoholy – manitol, sorbitol, volemitol Hexózy - glukóza, fruktóza -jen ve velmi malé míře u některých druhů Ranunculaceae a Papaveraceae 80 % translokovaných sacharidů

9. 9 • aminokyseliny- nejvíce glutamová, asparagová, glutamin, asparagin • organické kyseliny – jablečná, citronová, šťavelová, jantarová • ATP – relativně vysoké koncentrace • hormony – auxiny, cytokininy, gibereliny, kys. abscisová • vitaminy • enzymy • mRNA • siRNA, miRNA • proteiny (FT), peptidy

10. 10 • aminokyseliny- nejvíce glutamová, asparagová, glutamin, asparagin • organické kyseliny – jablečná, citronová, šťavelová, jantarová • ATP – relativně vysoké koncentrace • hormony – auxiny, cytokininy, gibereliny, kys. abscisová • vitaminy • enzymy • mRNA • siRNA, miRNA Florigen = FT • proteiny (FT), peptidy

11. 11 Protein FT-mobilní proteinový signál transportovaný floémem FT protein Corbesier et al. 2007 FT protein miRNA399-mobilní signál transportovaný floémem… signalizace deficience P v listu do kořene Pant et al. (2008) Florigen = FT Kvetení FT-FD FD FT protein

12. 12 • anorganické látky Jejich hladiny přísně regulovány K+, Mg+,Na +, Ca2+ PO43-, SO42-, nitráty nezjištěny (NiT ve floemu kořene, redistribuce nitrátů v kořeni) Jaké látky jsou transportovány na dlouhou vzdálenost floémem? • sacharidy • aminokyseliny- nejvíce glutamová, asparagová, glutamin, asparagin • organické kyseliny – jablečná, citronová, šťavelová, jantarová • ATP – relativně vysoké koncentrace • ATP – relativně vysoké koncentrace • hormony – auxiny, cytokininy, gibereliny, kys. abscisová • vitaminy • enzymy • mRNA • siRNA, miRNA • proteiny (FT), peptidy • Viry, herbicidy

13. 13 GA SuSy Př:sacharóza UDPG  GA –konjugát  snížení koncentrace volné GA • Sacharidy • zdroj energie a uhlíku • kompatibilní solut;osmotikum, osmoprotektant (osmotický stres, sucho, zasolení, nízké teploty) • signál(ovlivnění metabolizmu, ovlivnění morfogenních procesů) Př:zaškrcení kmene  indukce kvetení • Ovlivnění přímé : ovlivnění genové exprese • Enzymy sacharidového metabolizmu: UDPG- a ADPG pyrofosforylázy, SuSy, invertázy; Rubisco… • Enzymy nesouvisející přímo se sacharidovým metabolismem, např. syntéza patatinu, proteinázový inhibitor ll, glutaminsyntáza… Ovlivnění nepřímé: ovlivnění aktivity jiné signální molekuly

14. 14 Lolium temulentum (LD rostlina) Indukce pod fotoperiodickou kontrolou – odpověď značně zesílena vysokým přísunem cukrů (změny v obsahu cukrů v apexu po indukci) Sinapis alba (LD rostlina) Indukce pod fotoperiodickou kontrolou ale !! Vysoký přísun cukrů ( ozářenost,  CO2,  aplikace cukrů)  kvetení na krátkém dni(akumulace cukrů v apexu po indukci  změny v alokaci cukrů po indukci) Př:tuberizace bramboru • Podporuje • krátký den/tma • nízká teplota • cytokinin • etylén • kys. jasmonová • ABA • Inhibuje • dlouhý den • vysoká teplota • GA • etylén • Přísun N •  přísun N • cukr (sacharóza) • růstové retardanty • org. kyseliny Př:květní indukce

15. 15 cytokinin Př:Model indukce kvetení u Sinapis alba. • sacharózav listech •  transport sacharózy do kořene   syntéza cytokininů  •  transport cytokininů do nadzemní části indukce kvetení cukr Bernier et al., 1993 Kudo et al., 2010

16. 15 Cytokinin aplikace Př:Model indukce kvetení u Sinapis alba. • sacharózav listech •  transport sacharózy do kořene   syntéza cytokininů  •  transport cytokininů do nadzemní • části indukce kvetení cukr Bernier et al., 1993

17. 15 Cytokinin aplikace Př:Model indukce kvetení u Sinapis alba. • sacharózav listech •  transport sacharózy do kořene   syntéza cytokininů  •  transport cytokininů do nadzemní • části indukce kvetení cukr Bernier et al., 1993

18. 15 Př:Model indukce kvetení u Sinapis alba. • sacharózav listech •  transport sacharózy do kořene   syntéza cytokininů  •  transport cytokininů do nadzemní • části indukce kvetení cukr Bernier et al., 1993

19. 16 Př:Model indukce kvetení u Sinapis alba. • sacharózav listech •  transport sacharózy do kořene   syntéza cytokininů  •  transport cytokininů do nadzemní • části indukce kvetení cukr Bernier et al., 1993

20. 17 Př:Model indukce kvetení u Sinapis alba. • sacharózav listech •  transport sacharózy do kořene   syntéza cytokininů  •  transport cytokininů do nadzemní • části indukce kvetení cytokinin cukr Bernier et al., 1993

21. 18 cukr cukr Př:Omezení příjmu fosfátůjako důsledek omezení transportu asimilátů do kořene den den noc Příjem fosfátů mg/hod Př:Vytváření odnoží(Cynodon dactylon, Troskut prstnatý) Obsah cukrů Obsah cukrů Obsah cukrů FR R Transport minerálních látek a organických látek – těsný vztah Př:Deficience Mg2+ omezení transportu asimilátů Mg2+ ionty potřebné k fungováním plnění floému