Transport i dystrybucja asymilatów w roślinie

Transkrypt

1 Wykład Transport i dystrybucja asymilatów w roślinie Autor dr Agnieszka Gniazdowska-Piekarska Z tego wykładu dowiesz się w jaki sposób produkty fotosyntezy transportowane są z tkanek fotosyntetyzujących (donory) do tkanek akceptorowych. Poznasz rodzaje akceptorów i zapoznasz się z mechanizmem załadunku i rozładunku floemu. Przed przystąpieniem do przeglądania tego wykładu przypomnij sobie podstawowe pojęcia dotyczące potencjału wody w komórkach, mechanizmy decydujące o przepływie wody w naczyniach ksylemu i rolę jaką spełnia w transporcie pompa protonowa zależna od ATP ( H + -ATPaza plazmolemy). Temat tego wykładu bardzo ściśle wiąże się z wykładem o barwnikach fotosyntetycznych i fotosyntezie, przypomnij sobie zatem, jakie są produkty fotosyntezy i gdzie one powstają. Przydatna okaże się również wiedza z podstawowego kursu Botaniki na temat budowy floemu i funkcjonowania plazmodesm. Wzrost roślin jest uzależniony od ciągłego zaopatrywania komórek w substancje pokarmowe i w wodę. Produkty fotosyntezy dostarczane są do poszczególnych komórek przez całą dobę, pomimo, że fotosynteza odbywa się wyłącznie w ciągu dnia. Jest to możliwe dzięki okresowej, często krótkotrwałej akumulacji produktów fotosyntezy. W liściach lub innych organach wegetatywnych gromadzona jest skrobia lub inne substancje pokarmowe. W nocy zarówno tkanki autotroficzne jak i heterotroficzne odżywiane są tymi właśnie substancjami, uruchamianymi w procesie remobilizacji. Podobny proces wykorzystywania substancji zapasowych ma miejsce u roślin dwuletnich lub wieloletnich po okresie zimy, w czasie której warunki zewnętrzne uniemożliwiają asymilację dwutlenku węgla. U drzew, wiosenny rozwój

2 pączków odbywa się dzięki remobilizacji substancji pokarmowych zakumulowanych w organach wegetatywnych. W dalszej części wykładu pojawią się pojęcia donor asymilatów i akceptor asymilatów. Ważne jest żebyś zapamiętał co one oznaczają. Każda roślina na świetle i w obecności CO 2 zdolna jest do autotrofii. Jednak prawdziwymi autotrofami są chloroplasty, gdyż tylko w tych organellach zachodzi fotosynteza. System korzeniowy i organy reproduktywne korzystają ze związków organicznych powstających w chloroplastach. Biorąc pod uwagę fakt, iż jedne organy przeprowadzają fotosyntezę, a inne zużywają produkty tego procesu można wyróżnić organy będące donorami asymilatów i organy będące akceptorami substancji pokarmowych. Transport asymilatów przebiega od donora do akceptora, niezależnie, czy będzie to kierunek bazypetalny (do podstawy rośliny) czy będzie on zachodził w odwrotnym kierunku - akropetalnym. DONOR (ang. source) zaopatrzenie, jest to organ eksportujący substancje pokarmowe to znaczy: (1) produkty bieżącej fotosyntezy, (2) produkty pochodzące z remobilizacji substancji zakumulowanych jako substancje zapasowe. AKCEPTOR (ang. sink) zapotrzebowanie i wykorzystanie, jest to organ importujący substancje pokarmowe, które (1) są zużywane w oddychaniu (np. sacharoza) lub zużywane do syntezy struktur komórkowych (2) lub są (3) przekształcane w substancje zapasowe (skrobia, tłuszcze, białka). Akceptory są również nazywane receptorami lub biorcami. Etapy ontogenezy roślin determinują zróżnicowane zapotrzebowanie na substancje pokarmowe przez różne organy. Konsekwencją czego jest zmiana zaopatrzeniu organów czyli dystrybucji substancji pokarmowych w roślinie np. w czasie przejścia roślin z fazy wegetatywnej w fazę generatywną. Rozwijające się organy generatywne są wówczas dominującym akceptorem zarówno fotoasymilatów jak i jonów, głównie azotu, fosforu i potasu. Powoduje to konieczność nie tylko zmiany wzoru dystrybucji bieżących asymilatów, lecz również remobilizacji substancji pokarmowych, zakumulowanych w organach wegetatywnych. Taką reakcję obserwuje się np. u zbóż, u których w czasie kwitnienia i wypełniania ziarniaków powierzchnia liści jest niewielka przez co może występować niedobór produktów bieżącej fotosyntezy, konieczne jest wówczas korzystanie z nagromadzonych wcześniej związków. Na temat zmiany wzoru dystrybucji asymilatów w roślinie na różnych etapach rozwoju ontogenetycznego lub w odpowiedzi na stresy środowiskowe dowiesz się więcej z kolejnego wykładu.

3 Organy, w których przebiega fotosynteza, które wytwarzają asymilaty w ilościach przekraczających własne zapotrzebowanie czyli donory substancji pokarmowych to liście. Jednak należy pamiętać, że w komórkach mezofilowych liści pierwotnym donorem asymilatów są chloroplasty. Akceptorami substancji pokarmowych są natomiast w kolejności ważności: tkanki merystematyczne, korzenie, kambium, kwiaty i owoce, organy spichrzowe, oraz organizmy pasożytujące na roślinach lub organizmy symbiotyczne (grzyby mikoryzowe i bakterie wiążące azot). Patogeny, szkodniki i symbionty nazywamy akceptorami alternatywnymi. Pomiędzy rośliną gospodarzem a akceptorami alternatywnymi istnieje konkurencja o asymilaty, chociaż można mówić też o swego rodzaju równowadze symbiotycznej polegającej na wzajemnym świadczeniu korzyści. Zaopatrzenie w substancje pokarmowe pozostałych akceptorów jest regulowane przede wszystkim przez hormony roślinne, głównie auksyny i cytokininy i zależy nie tylko od etapu ontogenezy rośliny, ale także od warunków środowiskowych. W czasie występowania stresów priorytet w zaopatrzeniu w asymilaty mają organy zabezpieczające roślinę przed zaburzeniem homeostazy całej rośliny. Dlatego hierarchia zaopatrywania akceptorów w substancje pokarmowe jest dostosowana do ich funkcji i uzależniona od charakteru, natężenia i długotrwałości stresu. To zagadnienie będzie omówione szczegółowo w następnym wykładzie. Transport asymilatów do różnych akceptorów DONOR Tkanka merystematyczna 3 1 chloroplast 2 LIŚD kwiat owoc 6 Kambium 5 Organ spichrzowy 7 organizmy pasożytnicze i symbiotyczne 8 korzeo 4 Jednak przytoczony powyżej podział na akceptory i donory tylko pozornie jest tak prosty, ponieważ w różnych okresach życia rośliny organy akceptorowe mogą pełnić funkcję

4 donorów. W okresie wytwarzania organów reproduktywnych donorem substancji pokarmowych może być cebula, korzeń spichrzowy lub bulwa organy które poprzednio pełniły funkcje akceptorów. Biorąc pod uwagę sposób wykorzystania importowanych substancji niektóre akceptory są nieodwracalnymi biorcami substancji pokarmowych, gdyż zużywają asymilaty w nieodwracalnym procesie wzrostu (synteza nowo powstających struktur komórkowych) i w procesie oddychania. Nazywa się je też akceptorami wzrostowymi (głównie merystemy wierzchołkowe pędu i korzeni). Druga grupa akceptorów to organy, które najpierw są typowymi akceptorami, a następnie donorami, zaliczamy do niej oprócz organów spichrzowych także rosnące liście. Zapamiętaj jakie wyróżniamy rodzaje akceptorów: - akceptory gromadzące duże ilości substancji pokarmowych, związane z intensywnym wzrostem organów reprodukcyjnych; - wegetatywne organy spichrzowe, gromadzące skrobię (np. bulwy ziemniaka), bądź różne cukry rozpuszczalne (np. korzeń marchewki); - akceptory nieodwracalne organy odżywiające się heteroficznie (całkowicie lub częściowo); - patogeny (np. grzyby, owady, bakterie); - organizmy symbiotyczne. W tej części wykładu zapoznasz się z tkankami, w których zachodzi transport substancji pokarmowych pomiędzy donorami, a akceptorami. Dowiesz się ponadto jakie związki występują w soku floemowym i jakie ma to znaczenie dla mechanizmów ich transportu. Przemieszczanie produktów fotosyntezy pomiędzy donorami i akceptorami jest uzależnione od transportu floemowego, oraz załadunku i rozładunku floemu. Transport substancji pokarmowych, wody z solami mineralnymi i cząsteczek sygnałowych odbywa się za pośrednictwem dwóch specyficznych systemów komunikacyjnych wykazujących fizyczną ciągłość w obrębie całego organizmu są to apoplast i symplast. Apoplast to ściana komórkowa, obszar między komórkami oraz światło martwych komórek. Ksylem (naczynia i cewki) będący systemem rurek pozbawionych żywych struktur komórkowych, a wypełniony wodą i solami mineralnymi zaliczany jest do apoplastu. Symplast to sieć połączonych ze sobą protoplastów, głównie za pośrednictwem plazmodesm. Zatem floem (łyko), w którym transportowane są asymilaty jest wyspecjalizowaną częścią symplastu.

5 Transport wody w naczyniach ksylemu odbywa się w jednym kierunku. Woda jest pobierana przez korzenie i transportowana do pędu i liści dzięki zjawisku transpiracji lub parcia korzeniowego. Przypomnij sobie wiadomości o tych procesach zawarte w wykładach dotyczących gospodarki wodnej. Transport substancji pokarmowych w rurkach sitowych (floem) zachodzi natomiast w dwóch kierunkach uzależnionych od wzajemnego położenia donorów i akceptorów. System transportu substancji pokarmowych (floem) i wody (ksylem) w roślinach Jeden kierunek transportu Woda i związki mineralne Grube ściany komórkowe usztywnione ligniną akceptory Woda i związki organiczne Perforowane ściany Dwa kierunki transportu Naczynia/cewki ksylemu owoc Rurki/komórki sitowe donory Linia czerwona transport w ksylemie Linia niebieska transport we floemie Ta cześć wykładu stanowi przypomnienie znanych ci informacji dotyczących funkcjonowania ksylemu, ale jest niezbędna dla zrozumienia mechanizmu transportu asymilatów we floemie. Struktura i funkcja ksylemu (przypomnienie z wykładu o gospodarce wodnej) U roślin okrytozalążkowych w skład ksylemu, inaczej drewna, wchodzą naczynia, zbudowane z martwych komórek, pozbawionych żywych struktur, oraz żywe komórki, miękiszu drzewnego i włókien drzewnych. Naczynia ksylemu są połączone w człony, tworzące długie rury, wypełnione roztworem wodnym różnych jonów i stosunkowo małą ilością związków organicznych. Na granicy komórek miękiszowych i naczyń znajdują się jamki, zawierające specyficzne transportery, umożliwiające transport do naczyń związków organicznych i jonów. Podstawowa funkcja ksylemu to dostarczanie do pędu wody i składników mineralnych, pobieranych z podłoża. Warunkiem transportu w naczyniach jest występowanie gradientu potencjału wody w kolejnych środowiskach (gleba lub pożywka ok.- 0,1 MPa, korzeń, ok.-

6 0,6 MPa, pęd -0,8 do -1,2 MPa, atmosfera nawet do -100 MPa). Tak duży gradient potencjałów wody odgrywa decydującą rolę w masowym przepływie soku w naczyniach, zwanym też objętościowym przepływem roztworu. Wzrastające stężenie jonów w naczyniach powoduje obniżenie potencjału wody w soku ksylemu, a w konsekwencji zwiększa osmotyczny transport wody. Przepływ soku w naczyniach ksylemu odbywa się zwykle w warunkach podciśnienia tylko w jednym kierunku, z korzeni do pędu (akropetalnie). Siłą motoryczną przepływu jest transpiracja, wspomagana przez siły kapilarne: kohezję i adhezję. Mechanizm wnikania jonów i różnych związków, szczególnie makromolekuł do naczyń, czyli załadunek ksylemu jest stosunkowo mało jeszcze poznany. Jony przedostają się do ksylemu na zasadzie gradientu elektrochemicznego. W błonie komórek miękiszu drzewnego występują transportery załadowywanych związków, pompa H + -ATPaza oraz kanały jonowe. Umożliwia to ścisłą kontrolę załadunku naczyń. Przez kanały anionowe transportowane są azotany, fosforany i inne jony; przedostają się one do naczyń przy udziale transporterów. Na wiosnę, gdy u drzew liściastych zaczyna się okres rozwoju pąków liściowych, a u niektórych gatunków najpierw pąków kwiatowych, cukry transportowane są przez ksylem. Pochodzą one z uruchamiania substancji zapasowych, najczęściej skrobi, akumulowanej w pędach lub w korzeniach. Ksylem jest również alternatywną tkanką dostarczającą cukry, aminokwasy, a nawet polipeptydy i inne związki nie tylko na wiosnę, lecz również w przypadkach konieczności szybkiej likwidacji różnego typu zranień i uszkodzeń tkanek lub zaburzeń w transporcie floemowym. Naczynia ksylemu uczestniczą więc nie tylko w transporcie wody i jonów, ale również w przekazywaniu sygnałów pomiędzy korzeniem i pędem. Struktura floemu głównego transportera substancji pokarmowych W skład floemu, czyli łyka roślin okrytozalążkowych, wchodzą komórki miękiszu łykowego, włókna łykowe, komórki towarzyszące i rurki sitowe. Wszystkie te elementy są żywymi komórkami, choć o bardzo zróżnicowanej strukturze. Rurki sitowe nie posiadają jądra komórkowego i rybozomów, a pozostałe organella, łącznie z nielicznymi mitochondriami, charakteryzują się małą aktywnością metaboliczną. W błonach rurek sitowych występują specyficzne transportery sacharozy. Poprzeczne błony przekształcone w płytki sitowe są

7 prawie całkowicie drożne. Tylko niewielką część powierzchni pokrywają włókniste substancje, głównie białkowe, umożliwiające jednak łatwy przepływ soku floemowego. Schematyczna budowa rurek sitowych floemu wraz z komórkami towarzyszącymi (przyrurkowymi) Rurki sitowe zbudowane są z wydłużonych, żywych komórek, zwanych członami rur (rurek) sitowych. Są one połączone w pionowe szeregi. Wnętrze członów wypełnia duża wakuola, otoczona cienką warstwą cytoplazmy. W dojrzałych komórkach zwykle zanika jądro. W ich poprzecznych ścianach rurek znajdują się płytki sitowe z porami. Komórki towarzyszące (przyrurkowe) są żywymi wydłużonymi komórkami, przylegającymi ściśle do członów rurek sitowych. Ich funkcją jest między innymi dostarczanie energii do transportu floemowego (posiadają liczne mitochondria) i charakteryzuje je wysoka aktywnośd oddechowa. W rurkach sitowych występuje ER (endoplazmatyczne reticulum) a w jego wnętrzu akumulowane są jony wapnia, uwalniane w warunkach konieczności syntezy kalozy, zależnej od tego jonu. Zawartość jonu wapnia w soku floemu jest bardzo mała (patrz Tabela 1) i wynosi około 1µM. Zmiany w stężeniu tych jonów wpływają na przepuszczalność błon plasmodesm szczególnie w warunkach uszkodzeń floemu (zranienia, stresu osmotycznego i in.). Komórki towarzyszące (przyrurkowe) mają natomiast duże jądro komórkowe i bardzo liczne, aktywne, rybozomy. Mitochondria w tych komórkach są również bardzo aktywne. Ich liczba jest około 10-krotnie większa w porównaniu z komórkami tkanek merystematycznych. W tych bowiem komórkach (towarzyszących) zlokalizowane są główne reakcje metabolizmu floemu. Można powiedzieć, że komórki towarzyszące i rurki sitowe tworzą funkcjonalną całość połączoną liczną siecią plazmodesm. Występujące we floemie plazmodesmy od strony komórek towarzyszących są rozgałęzione. Plazmodesmy są cytoplazmatycznymi połączeniami komórek towarzyszących i rurek sitowych, przechodzącymi przez kanały w ścianach komórkowych. W ich centrum znajduje się rdzeń w postaci cylindra zespolonego

8 endoplazmatycznego retikulum (ER) połączonego włóknami miozyny i/lub aktyny z błoną plazmatyczną. W normalnych warunkach plasmodesmy są zamknięte, czyli nie drożne. Ich otwieranie, jest energochłonne i podlega ścisłej kontroli. W warunkach braku aktywności floemu plazmodesmy są blokowane przez kalozę. Związki o małych wymiarach, masie cząsteczkowej do 1 kda przemieszczają się przez otwarte plazmodesmy stosunkowo łatwo. Większe cząsteczki nie są w stanie przemieszczać się przez plazmodesmy bez dodatkowych ułatwień, czyli swego rodzaju rozciągnięcia plazmodesm. Wynika to z tak zwanego przekroju czynnego plazmodesm, wskazującego na wielkość cząsteczki limitującą jej transport przez plazmodesmy. Niektóre RNA i białka, o znacznie większych cząsteczkach mają zdolność rozszerzania wielkości kanałów plazmodesm. Takie właściwości mają np. niestrukturalne białka, ułatwiające wirusom wnikanie do rurki sitowej. Plazmodesmy regulują zatem ponadkomórkowy transport makromolekuł, odgrywających kluczową funkcję w procesach życiowych roślin. Analizując strukturę i funkcję floemu na przestrzeni od donorów fotoasymilatów do ich akceptorów można wyróżnić trzy strefy. 1. Floem zbierający produkty fotosyntezy z małych żyłek. Ważną rolę odgrywają w tej części transportery, między innymi sacharozy, przemieszczające cukier do wnętrza rurki sitowej. 2. Floem transportujący substancje w dużych żyłkach liści, w ogonkach liściowych, w łodygach i innych organach. 3.Floem wydzielniczy, przekazujący transportowane substancje akceptorom. Zróżnicowanie funkcji poszczególnych stref, odpowiada ich różnej strukturze. We floemie zbierającym, dominują komórki towarzyszące, ich objętość w porównaniu do rurek sitowych zmniejsza się we floemie transportującym i jest jeszcze mniejsza w strefie, gdzie odbywa się rozładunek floemu, czyli transport asymilatów z rurek sitowych do akceptorów. Skład chemiczny soku floemowego Sok floemowy u wszystkich gatunków roślin charakteryzuje się bardzo wysokim stężenie sacharozy, aminokwasów oraz jonów potasowych (Tabela 1). Jednocześnie obok sacharozy w soku floemowym mogą pojawiać się inne cukry np. rafinoza i stachioza, werbaskoza, sorbitol. Sok wypełniający rurki sitowe zawiera też jony np. PO 3 4, K +, Mg 2+. Ilościowo dominującym przemieszczanym związkiem jest sacharoza, ale wśród niesionych prądem transportującym substancji są między innymi: aminokwasy i amidy (zwłaszcza półamid asparagina będąca transportową formą związków azotu), kwasy organiczne, nukleotydy, ATP

9 i ADP, rozpuszczalne w wodzie witaminy (z grupy B) oraz substancje regulujące wzrost i rozwój roślin (fitohormony). Jest charakterystyczne, że brak w rurkach sitowych cukrów prostych (np. heksoz). We floemie transportowane są również niektóre białka, peptydy i cząsteczki wirusów. Z tego powodu floem nazywany jest często magistralą informacji. Tabela 1. Skład chemiczny soku floemowego u pszenicy (Starck 2003) Składnik soku floemowego Sacharoza Aminokwasy K + Cl - Na + Mg 2+ Ca 2+ + NH 4 - PO 4 - NO 3 - SO 4 Stężenie w floemie (mm) ,2 4,9 0,2 2,5 8,2 8,1 1,0 Analizując tabelę 1, zwróć uwagę na wysokie stężenie sacharozy w soku floemowym i jednocześnie niskie stężenie jonów wapnia. Funkcja jonów wapnia we floemie wiąże się z aktywacją wytwarzania kalozy w warunkach zranienia pędu lub infekcji przez patogeny. W takich warunkach następuje szybkie, lecz krótkotrwałe zwiększenie stężenia wapnia w rurkach sitowych w wyniku aktywacji kanałów wapniowych. Podobnie dzieje się w warunkach chłodu. Prowadzi to do odkładania kalozy i zmniejszania drożności plazmodesm. Synteza kalozy jest regulowana także przez hormony roślinne kwas abscysynowy (ABA) i auksynę ( kwas idolilo-3-octowy; IAA).

10 Drożnośd plazmodesm decyduje o międzykomórkowym kontakcie troficznym Regulacja drożności plazmodesm przez depozyt kalozy Plasmodesmy wyścielone są warstwą kalozy - wielocukru o śluzowatej, kleistej konsystencji. Jesienią u roślin wieloletnich wzrasta stężenie ABA, który stopniowo indukuje syntezę kalozy, w miarę przechodzenia rośliny w stan spoczynku, czopuje ona pory sit. Wiosną kaloza zostaje rozpuszczona (IAA aktywuje enzymy hydrolityczne), sita udrożnione, a transport przez rurki sitowe wznowiony. Lucas et al., New Phytologist 125: Chociaż generalnie podstawowym związkiem transportowanym we floemie jest sacharoza, to jednak stężenie tego cukru we floemie u różnych gatunków roślin jest różne i waha się w granicach mm (patrz wykres poniżej). Są to wartości niekiedy kilkudziesięciokrotnie przekraczające stężenie cukru w komórkach miękiszowych liści. 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 kukurydza jęczmień szpinak brzoskwinia pszenica sałata koniczyna Rysunek powyżej przedstawia stężenie sacharozy (M) w soku floemowym kilku wybranych gatunków roślin, w.g. Starck 2003, zmodyfikowane.

11 Skład chemiczny soku floemowego jest specyficzną cechą gatunkową. Tabela 2 (poniżej) przedstawia zawartość sacharydów i ich alkoholowych pochodnych w soku floemowym roślin należących do różnych rodzin. Znak + oznacza występowanie danego związku z soku floemu w 4 stopniowej skali. Zwróć uwagę, że nie u wszystkich roślin cukrem dominującym w soku floemowym jest sacharoza. W soku floemowym wielu roślin w wysokim stężeniu występują inne wielocukry, o znacznie większej masie cząsteczkowej niż sacharoza np. rafinoza, stachioza, sorbitol. Tabela 2. Sacharydy i ich alkoholowe pochodne występujące w soku floemowym roślin należących do różnych rodzin. Wg. Starck Rodzina sacharoza rafinoza stachioza mannitol sorbitol Bobowate Orzechwate Wierzbowate Oliwkowate Różowate Wiesz już jak zbudowane są komórki sitowe i towarzyszące floemu, a także jaki jest skład soku floemowego. W tej części wykładu zapoznasz się z mechanizmami załadunku i rozładunku floemu. Załadunek i rozładunek floemu Załadunek floemu, to przeniesienie asymilatów z tkanek donora (liści) do rurek sitowych. Proces załadunku floemu wymaga znacznego nakładu energii (ATP) gdyż przebiega wbrew gradientowi potencjałów chemicznych. Stężenie sacharozy w rurkach sitowych może być nawet krotnie wyższe (1000 mm) niż w komórkach miękiszu asymilacyjnego liści - donora (10-50 mm). Rozładunek floemu to przeniesienie asymilatów z rurek sitowych do komórek akceptora, odbywa się w komórkach akceptorów i zgodnie z malejącym gradientem potencjału sacharozy, dlatego też zachodzi na zasadzie aktywowanej lub ułatwionej dyfuzji. Nie wymaga nakładów energetycznych.

12 Pierwotnym donorem produktów fotosyntezy są chloroplasty. W chloroplastach miękiszu asymilacyjnego liścia odbywa się synteza cukrów jako produktów fotosyntezy. Są one transportowane w formie fosforanów trioz do cytozolu (przypomnij sobie wykład o barwnikach fotosyntetycznych i fotosyntezie). Eksport produktów fotosyntezy z chloroplastów do cytozolu komórek mezofilowych liści jest precyzyjnie regulowany poprzez funkcjonowanie szeregu transporterów. Transport fosforanów trioz zachodzi dzięki obecności przenośnika fosforanowego i towarzyszy mu jednoczesne przemieszczanie fosforanów nieorganicznych (Pi) z cytozolu do wnętrza chloroplastu (antyport) (rysunek poniżej). W błonie chloroplastów występują też transportery heksoz (glukozy), pentoz, fosfoenolopirogronianu i przenośnik kwasów dikarboksylowych (jabłczanu, asparaginianu, bursztynianu, szczawiooctanu). Na terenie cytoplazmy fosforany trioz przekształcane są do fosforanów heksoz, z których następnie syntetyzowana jest sacharoza. Ten nieredukujący cukier, stabilny i łatwo rozpuszczalny w wodzie jest podstawowym metabolitem eksportowanym z komórek donorów do komórek akceptorów. Fosforany heksoz zużywane są ponadto w procesach oddechowych oraz jako źródło szkieletów węglowych w procesach syntez różnych związków organicznych. Zapamiętaj, że podstawowym produktem fotosyntezy transportowanym z liści do korzeni jest sacharoza. Transport produktów fotosyntezy z chloroplastów do cytoplazmy (w obrębie liści) wakuola sacharoza Eksport z liścia (donora) do komórek akceptora N sacharoza heksozo-p oddychanie różne syntezy cytozol Pi Pi TP N TP- fosforanytrioz Wiązanie CO 2 (cykl Calvina) TP chloroplast chloroplast Skrobia asymilacyjna Pi fosforan nieorganiczny N przenośnik fosforanowy

13 Załadunek apoplastyczny floemu oznacza, że transportowana substancja przechodzi z apoplastu komórek towarzyszących do wnętrza rurek sitowych. Załadunek apoplastyczny odbywa się przy udziale przenośników specyficznych dla transportowanego związku i wymaga wydatkowania energii. Jeżeli załadunek floemu odbywa się przez apoplast, sacharoza transportowana jest przez plazmolemę z udziałem przenośnika funkcjonującego na zasadzie symportu z jonem wodorowym (H + ). Jednocześnie w tej samej błonie funkcjonuje pompa protonowa (H + ATPaza) zapewniająca cyrkulacje protonów kosztem energii zgromadzonej w cząsteczce ATP. Transport sacharozy z komórki towarzyszącej do komórki sitowej odbywa się symplastycznie, przez plazmodesmy. Istnieją też rośliny u których transport sacharozy z komórki towarzyszącej do komórki sitowej zachodzi na drodze apoplastycznej, uczestniczą w nim specyficzne transportery sacharozy zlokalizowane w błonie rurki sitowej. Załadunek floemu przez apoplast (2) Sach H + ATP-aza H + N Pochwa okołowiązkowa Sach sach Sach Komórka mezofilowa Komórka towarzysząca Komórka sitowa Sacharoza jest transportowana do komórki towarzyszącej przy udziale nośnika (symportera), na drodze ko-transportu z protonem, którego gradient generuje ATP-aza zlokalizowana w błonie komórki towarzyszącej. Dalszy symlastyczny transport sacharozy odbywa się przy udziale plazmodesm. N Miernikiem wskazującym na apoplastyczny typ załadunku floemu jest jego wrażliwość na kwas p-chlorortęciobenzenosulfonowy (PCMBS), będący inhibitorem ko-transportu sacharoza/proton. Załadunek apoplastyczny dotyczy prawdopodobnie również sorbitolu i mannitolu jak ma to miejsce np. u brzoskwini. W wielu przypadkach u gatunków należących do tej samej rodziny obserwuje się różne typy załadunku, np. u przedstawicieli trędownikowatych. Wynika to prawdopodobnie z różnych czynników środowiskowych. Załadunek apoplastyczny floemu jest bowiem mniej wrażliwy na niekorzystne czynniki środowiska niż załadunek symplastyczny. Także gatunki odporne na chłód charakteryzuje raczej załadunek apoplastyczny, podczas gdy załadunek floemu przez symplast występuje u roślin wrażliwych na niskie temperatury.

14 Model załadunku symplastycznego opiera się na ciągłości symplastycznego kontaktu między mezofilem i rurkami sitowymi uwarunkowanego obecnością plazmodesm. W roślinach w których załadunek floemu odbywa się na drodze symplastycznej, transportujących głównie oligosacharydy z rodziny rafinozy, synteza tych cukrów, szczególnie stachiozy, odbywa się w komórkach przejściowych, u których w naprzeciwległych ścianach występują plazmodesmy o różnym przekroju. Mniejsze plazmodesmy swobodnie przepuszczają sacharozę, z komórek mezofilu do komórek przejściowych, zwanych pośredniczącymi. Przez te pory nie mogą się jednak przemieszczać cząsteczki większe od sacharozy (rafinozy, stachiozy, werbaskozy). Plazmodesmy łączące komórki przejściowe z rurkami sitowymi, są natomiast na tyle szerokie, że umożliwiają załadunek tych oligosacharydów do rurek sitowych. W takich warunkach załadunek oligosacharydów przebiega zgodnie z gradientem stężenia transportowanych cukrów, których ilość w komórkach przejściowych stale wzrasta na skutek ciągłej syntezy. Taki model załadowania floemu nazwano pułapką molekularną lub pułapką oligosacharydów (Rysunek poniżej). Załadunek floemu przez symplast (3) Model załadunku oligosacharydów z grupy rafinozy do rurki sitowej za pomocą tzw. pułapki molekularnej Fru Sach Sach Raf Raf Glu Gal Pochwa okołowiązkowa Komórka pośrednicząca Rurka sitowa Sacharoza i rafinoza przemieszczają się symplastycznie przez plazmodesmy o różnej średnicy, co umożliwia ich jednokierunkowy transportu do floemu. Załadunek symplastyczny jest charakterystyczny dla wielu gatunków roślin drzewiastych, oraz roślin pochodzących z klimatu wilgotnego i gorącego, mają one liczne plazmodesmy o typie otwartym, który warunkuje ciągłość symplatyczną pomiędzy rurkami sitowymi a komórkami pośredniczącymi (przejściowymi). Do tej grupy należą też między innymi rośliny dyniowate i wyka.

15 Zapamiętaj!!! Załadunek floemu może zachodzić: przez symplast przez apoplast (wymaga nakładów energetycznych ATP) Czynniki decydujące o załadunku floemu 1) liczebność i drożność plazmodesm - preferowany jest transport asymilatów przez symplast (przez plazmodesmy), - przy małej liczbie plazmodesm (okresowo) lub małej drożności (np. stres, uszkodzenie, zasklepienie kalozą), załadunek odbywa się przez apoplast. 2) forma transportowanego cukru - sacharoza transportowana prawie wyłącznie przez apoplast (specyficzne transportery zapewniające symport sacharoza/h+, - oligosacharydy (większe cząsteczki np. rafinoza) transportowane wyłącznie przez symplast z udziałem komórek przejściowych (gdzie odbywa się synteza oligosacharydów) i plazmodesm o dużej średnicy (model pułapki molekularnej). Rozładunek floemu- termin ten oznacza przemieszczanie się różnego typu związków lub jonów z wnętrza elementów sitowych (kompleks komórka towarzysząca/ rurka sitowa) do wnętrza komórek otaczających lub ich apoplastów. W konsekwencji rozładowywane substancje dostają się do komórek organów-akceptorów. Rozładunek zawsze powoduje obniżenie stężenia soku floemowego. Rozładunek może się odbywać przez błonę, czyli przez apoplast lub na drodze symplastycznej, przez plazmodesmy. Mechanizm rozładunku floemu (symplastyczny lub apoplastyczny) nie jest specyficzna cechą gatunkową. Determinuje go fizjologiczna cecha akceptora oraz czynnik środowiskowe, stanowi więc cechę adaptacyjną, umożliwiającą przystosowanie się rośliny do zmiennych warunków środowiskowych. Z punktu widzenia termodynamiki, proces rozładunku floemu może być spontaniczny, odbywa się zgodnie z malejącym gradientem przemieszczającej się substancji. Na rysunku poniżej podano mechanizm transportu asymilatów (symplastyczny lub apoplastyczny) do różnych akceptorów następujący po rozładunku kompleksu rurka sitowa/komórka towarzysząca.

16 Typy rozładunku floemu komórki miękiszu 1. Symplastyczny (pasywny) (transport przez plazmodesmy) 2 a. Apoplastyczny i aktywny (do wakuoli) rurki sitowe komórki miękiszu Akceptory nieodwracalne, intensywnie rosnące tkanki, np. młode liście, korzenie, merystemy Akceptory akumulujące, organy spichrzowe np. owoce, korzenie buraka 2 b. Apoplastyczny i aktywny (do cytoplazmy komórek zarodka) komórki zarodka Akceptory generatywne, organy reproduktywne, np. ziarniaki, nasiona brak plasmodesm 3. Aktywny (bezpośrednio do komórek pasożyta) Akceptory alternatywne (pasożyty) Zwróć uwagę, że mechanizm symplastyczny rozładunku floemu warunkuje zaopatrzenie w substancje pokarmowe tzw. akceptorów terminalnych (ostatecznych), którymi są wierzchołki wzrostu pędu i korzeni, rozwijające się liście. Natomiast takie akceptory jak: wegetatywne organy spichrzowe, akumulujące substancje rozpuszczalne (najczęściej cukry) importują asymilaty z floemu do apoplastu. Uczestniczą w tym procesie symportery sacharozy i protonów, przy czym hydroliza sacharozy może zachodzić już w apoplaście lub dopiero w cytozolu. Owoce np. pomidorów w początkowym etapie rozwoju, gdy gromadzą skrobię importują cukry transportowane z floemu przez symplast, natomiast w późniejszej fazie, gdy gromadzą duże ilości cukrów, rozładunek floemu ma miejsce do apoplastu. Realizacja rozładunku symplastycznego jest uzależniona nie tylko od liczby plazmodesm łączących kompleks rurka sitowa/komórka towarzysząca z komórkami otaczającymi ale także od stanu fizjologicznego plazmodesm, czyli ich drożności. Ze względu na duży turgor w rurkach sitowych oraz wysokie stężenie soku floemowego w warunkach naturalnych plazmodesmy są zaciśnięte (zamknięte), co uniemożliwia niekontrolowany wyciek transportowanych substancji z rurek floemu. Pociąga to za sobą konieczność wydatkowania energii na utrzymanie takiego (zamkniętego) stanu plazmodesm. Energia metaboliczna (ATP) jest niezbędna dla właściwego funkcjonowania plazmodesm. Okazuje się, że czynniki hamujące proces oddychania mitochondrialnego powodują ograniczenie transportu floemowego do ostatecznych akceptorów np. korzeni, a jednocześnie stymulują niekontrolowany, boczny (lateralny) wyciek asymilatów z rurek sitowych do otaczających tkanek. Organizmy cudzożywne, pasożytnicze np. kanianka (roślina pasożytnicza) lub mszyce najefektywniej wykorzystują substancje bieżąco transportowane we floemie. Pobierają je

17 bowiem bezpośrednio z wnętrza rurek sitowych. Znalazło to zastosowanie w badaniach składu soku floemowego. Rozładunek floemu i różne miejsca hydrolizy sacharozy 1 G sacharoza F Glukoza Fruktoza 1 - transport do apoplastu i tam hydroliza sacharozy 2 3 s plasmodesma Glukoza Sacharoza Fruktoza 2 transport do apoplastu, dalej przez błonę z udziałem nośnika, hydroliza sacharozy w cytoplazmie komórki akceptorowej Sacharoza Glukoza + Fruktoza wakuola 3 transport symplastyczny, hydroliza sacharozy w wakuoli komórki akceptorowej Floem Apoplast Komórka akceptora - nośnik sacharozy Hydroliza transportowanej sacharozy może przebiegać przy udziale syntazy sacharozy (SuSy), powstaje wówczas fruktoza i urydynodifosforan glukozy (UDP glukoza) lub hydroliza sacharozy może odbywać się w reakcjach katalizowanych przez enzymy z grupy inwertazy. W ścianie komórkowej zlokalizowana jest inwertaza kwaśna. Jej obecność w dużej mierze decyduje o sprawności zaopatrzenia akceptorów w produkty fotosyntezy. Ekspresja genów kodujących inwertazę kwaśną podlega kontroli fitohormonalnej i przez czynniki stresowe. W komórkach akceptorów sacharoza może ulegać hydrolizie w cytoplazmie w reakcji katalizowanej przez inwertazę zasadową lub w wakuoli w reakcji zależnej od kwaśnej inwertazy wakuolarnej. W obu przypadkach konieczny jest symplastyczny transport sacharozy do komórek akceptora bądź transport tego związku do komórki akceptora i/lub wakuoli przy udziale transportera. Inwertazy są uważane za modulatory dystrybucji asymilatów i obrony przeciw patogenom lub stresom abiotycznym. Inwertazy uczestniczą w integracji sygnałów regulujących stosunki akceptor-donor. Aktywność tego enzymu wzrasta przy wysokim stężeniu cukrów i podlega regulacji hormonalnej przez cytokininy i brasinosteroidy. Regulacyjna rola cukrów, w tym sacharozy i skrobi w koordynacji transportu substancji pokarmowych pomiędzy akceptorami i donorami w warunkach różnych stresów zostanie przedstawiona w kolejnym wykładzie. Tu należy wspomnieć tylko, ze akumulacja skrobi w blaszkach liściowych może być związana z pełnieniem przez liście funkcji tak zwanego buforowego donora.

18 Hydroliza sacharozy, wewnątrzkomórkowa lokalizacja inwertaz kwaśnych i zasadowych Sacharoza inwertaza glukoza + fruktoza sacharoza 1 -dystrybucja sacharozy inwertaza ściany komórkowej (kwaśna, - transdukcja sygnałów (stresy)! ph 5,0) Glukoza + Fruktoza apoplast sacharoza 2 -oddychanie, - biosynteza pierwotnych i wtórnych metabolitów, - regulacja ekspresji wybranych genów Gukoza + Fruktoza sach inwertaza cytoplazmatyczna (zasadowa, ph 7,0) 3 -akumulacja cukrów, - osmoregulacja, - reakcja na chłód Glukoza + Fruktoza inwertaza wakuolarna (kwaśna, ph 5,0) sacharoza Komórka akceptora Mechanizm transportu floemowego Koncepcja biernego transportu floemowego przepływu masowego (objętościowego) pod ciśnieniem w rurkach sitowych wydaje się najlepiej opisywać transport substancji we floemie. Teoria ta nawiązuje do przedwojennej koncepcji Müncha z 1930 r. Opiera się ona na stwierdzeniu, że pory w płytkach sitowych są drożne, a siłą motoryczną ruchu w rurkach sitowych jest gradient ciśnienia hydrostatycznego (turgorowego) pomiędzy punktem załadunku i rozładunku floemu. Przepływ soku floemowego pod ciśnieniem jest warunkowany stale odbywającym się przemieszczaniem substancji pokarmowych z komórek donora do floemu, co powoduje wzrost stężenia soku w rurkach sitowych, czyli zmniejszenie potencjału osmotycznego. Gradient potencjału osmotycznego pomiędzy miejscem załadunku i rozładunku we floemie wynosi 1 MPa. Na skutek istnienia gradientu potencjału wody pomiędzy ksylemem i floemem w pobliżu donora ( górna część rysunku) dochodzi do przepływu wody z ksylemu do floemu i wzrostu wartości potencjału turgorowego. W miejscach rozładunku maleje stężenie soku floemowego w wyniku przekazywania substancji pokarmowych do akceptora, co powoduje wzrost wartości potencjału osmotycznego i wzrost wartości potencjału wody i umożliwia przepływ wody do ksylemu (dolna część rysunku). Sok floemowy jest pompowany wzdłuż ciągów komórek lub rurek sitowych pomiędzy donorami i akceptorami co powoduje przepływ

19 pod ciśnieniem i wypływ w akceptorach. Związki i jony przemieszczają się w rurkach sitowych wraz z wodą, w każdej rurce tylko w jednym kierunku. Gradient potencjału wody między rurkami sitowymi a ksylemem powoduje stałą cyrkulację wody. Większość biologów uważa hipotezę Müncha (1930), czyli hipotezę masowego przepływu przez rurki sitowe za najlepiej prezentującą transport we floemie. Jednak w świetle wyników nowych badań hipoteza ta wymaga szeregu modyfikacji. Dotyczy to szczególnie wyjaśnienia nowo poznanych funkcji floemu jako magistrali informacji. W założeniu hipotezy Müncha, niekiedy porównywanego do przepływu wody w rzece, wszystkie substancje i jony przemieszczają się przez rurki sitowe jako roztwór wodny, przepływający pod ciśnieniem, wynoszącym ok.1 MPa. Münch postulował, że siłą motoryczną transportu jest gradient potencjału ciśnienia, powstającego pomiędzy wyższym ciśnieniem w donorowej części rurki sitowej (załadunek floemu głównie przez produkty fotosyntezy), a niższym w akceptorowej części, w której odbywa się rozładunek floemu. Takim zmianom muszą towarzyszyć różnice potencjału wody ( ), uzupełnianej z ksylemu w części donorowej. Rozładunek floemu powoduje obniżenie stężenia cukrów w soku rurki sitowej, stąd potencjały wody i osmotyczny wzrastają powodując przepływ wody z floemu do ksylemu. Szybkie zmiany stężenia soku floemowego, a w konsekwencji obniżanie potencjału osmotycznego jest oparte nie tylko na zmianach zawartości cukrów i innych związków organicznych, lecz również jest zależne od obecności jonów, głównie potasu. W niektórych przypadkach ok. 1/3 wartości potencjału osmotycznego w soku floemu wynika z obecności tego jonu.

20 Siłą motoryczną transportu jest gradient potencjału wody i ciśnienia (turgoru) Schemat transportu we floemie (model przepływu pod ciśnieniem) Ksylem Woda przemieszcza się z ksylemu do floemu Floem Załadunek sacharozy do floemu obniża potencjał wody wysoki turgor Rozładunek sacharozy zwiększa potencjał wody Woda przemieszcza się z floemu do ksylemu niski turgor Wg. Taiz i Zeiger, 2004 Hipotezę masowego przepływu przez szereg lat bardzo ostro krytykowano i dyskryminowano. Rozbieżne były poglądy dotyczące drożności płytek sitowych i zróżnicowanej szybkości transportu różnych substancji i jonów oraz możliwości dwukierunkowego transportu (bazipetalnego i akropetalnego) w tej samej rurce sitowej. Münch traktował rurki sitowe jako struktury hermetyczne czyli o ścianach nieprzepuszczalnych, co stanowić miało jeden z warunków utrzymania w nich gradientu ciśnienia. Wykorzystanie nowych technik badawczych pozwoliło na wyjaśnienie szeregu rozbieżnych obserwacji. Jak już wspominano płytka sitowa jest na tyle drożna, że umożliwia swobodny przepływ roztworu. Na podstawie wyników większości badań bardziej prawdopodobnym wydaje się jednak, że dwukierunkowy transport odbywa się w innych rurkach. W ogromnej większości przypadków przemieszczanie akropetalne różnych substancji (hormonów i innych regulatorów wzrostu) oraz jonów odbywa się przez ksylem. Główną uwagę poświęca się obecnie na szczegółowe poznanie mechanizmu selektywnego transportu międzykomórkowego oraz załadunku i rozładunku floemu przez plazmodesmy. Spełniają one funkcje portiera nadzorującego transport. Wykazano różnymi metodami, że nie wszystkie cząsteczki i jony mogą przedostać się do rurek sitowych i przemieścić na duże odległości do docelowego akceptora. Plazmodesmy są na ogół zamknięte i nie otwierają się dla niektórych, nawet drobnocząsteczkowych substancji, a jednocześnie są drożne dla makrocząsteczek. Z tego wynika, że masa cząsteczki nie jest jedynym wskaźnikiem dla

21 selektywnej kontroli transportu do rurki sitowej. Najwięcej jest dowodów na selektywny transport białek i RNA oraz nukleoprotein -RNP. Nadzór nad transportem przez plazmodesmy wynika między innymi z rozpoznawania niejednakowych motywów, charakteryzujących makrocząsteczki. Są one wynikiem między innymi struktury trzeciorzędowej białek lub sekwencji nukleotydów w RNA. Decydującą rolę mogą w tym procesie odgrywać chaperony (białka opiekuńcze) i tak zwane białka dokujące, zlokalizowane w plazmodesmach. Dzięki temu, że poznałeś już podstawy transportu asymilatów, załadunku i rozładunku floemu, z łatwością zrozumiesz jak zachodzi dystrybucja substancji pokarmowych w roślinie i jak wpływa to na ich plonowanie. Wiele wyników badań wskazuje, że zwiększenie i polepszenie jakości plonu można sprowadzić do usprawnienia transportu floemowego asymilatów i modyfikacji dystrybucji asymilatów pomiędzy akceptorami. Polecana literatura podstawowa Kozłowska M Transport i dystrybucja substancji pokarmowych. W: Fizjologia rośli, red. Kozłowska M. Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Poznań, str Starck Z Transport i dystrybucja substancji pokarmowych a wytwarzanie plonu rolniczego. W: Fizjologia Plonowania Roślin, red. Górecki R J., Grzesiuk St. Wydawnictwo Uniwersytetu Warmińsko Mazurskiego, Olsztyn, str Starck Z Transport floemowy i dystrybucja substancji pokarmowych. W: Fizjologia Roślin, red. Kopcewicz J., Lewak St. Wydawnictwo naukowe PWN, Warszawa, str Polecana literatura uzupełniająca Ciereszko I Kontrola metabolizmu sacharozy w odpowiedzi na zmienne warunki środowiska. Kosmos 55: Starck Z Transport i dystrybucja substancji pokarmowych w roślinach. Wydawnictwo SGGW, Warszawa. Starck Z Różnorodne funkcje węgla i azotu w roślinach. Kosmos 55: Starck Z Funkcja tkanek przewodzących, zaopatrzenie w substancje pokarmowe i udział w koordynacji procesów w roślinach. Kosmos 57: Starck Z Dystrybucja fotoasymilatów kluczowym procesem determinującym plon. Postępy Nauk Rolniczych 2/2009:

22 Starck Z Wpływ warunków stresowych na koordynację wytwarzania i dystrybucji fotoasymilatów Postępy Nauk Rolniczych. 1/2010: Pytania problemowe Dlaczego floem nazywany jest magistralą informacji? Dlaczego proces załadowania floemu wymaga nakładów energetycznych?