Whole plant regulation of sulfate uptake and distribution in cabbage Koralewska, Aleksandra Dominika

Transkrypt

1 Whole plant regulation of sulfate uptake and distribution in cabbage Koralewska, Aleksandra Dominika IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2008 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Koralewska, A. D. (2008). Whole plant regulation of sulfate uptake and distribution in cabbage Groningen: s.n. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 Podsumowanie (Summary in Polish)

3

4 Siarka jest ważnym pierwiastkiem dla wzrostu roślin i ich adaptacji do środowiska (Rozdział 1). Siarczan pobierany przez korzenie jest pierwotnym źródłem siarki dla roślin i musi zostać zredukowany przed asymilacją do aminokwasów, białek i innych związków organicznych, np. glutation, sulfolipidy. Korzeniowe plastydy zawierają wszystkie enzymy szlaku redukcji siarczanu, jednak, większa część siarczanu jest redukowana w liściowych chloroplastach. Siarczan jest aktywowany do adenozyno 5 -fosfosiarczanu (APS), a następnie redukowany do siarczynu przez reduktazę APS. Siarczyn jest redukowany do siarczku, który zostaje włączony do cysteiny, pierwotnego prekursora lub źródła zredukowanej siarki dla organicznych związków siarkowych u roślin. Absorbowane przez pędy atmosferyczne gazy siarkowe, np. H 2 S czy SO 2, mogą również być używane przez rośliny jako dodatkowe źródło siarki. W pobieraniu siarczanu przez korzenie i jego dystrybucji wewnątrz rośliny pośredniczą białka transportujące siarczan. Wyizolowano i scharakteryzowano liczne transportery siarczanu, które zostały sklasyfikowane do 5 rożnych grup na podstawie ich funkcji i lokalizacji. W Grupie 1 znajdują się transportery posiadające wysokie powinowactwo do siarczanu i są one odpowiedzialne za jego pierwotne pobieranie przez korzenie. Transportery Grup 2 i 4 biorą udział odpowiednio w naczyniowym i wakuolarnym transporcie. Rola transporterów z Grup 3 i 5 nie jest jeszcze do końca dokładnie poznana. Transportery siarczanowe są regulowane przez siarkowy status rośliny zarówno na poziomie transkrypcyjnym, translacyjnym, jak i post-translacyjnym. Siarczan i/lub cysteina, glutation i O-acetyloseryna mogą uczestniczyć w regulacji transporterów jako związki sygnalizujące. Regulacja pobierania siarczanu i jego dystrybucji na poziomie całej rośliny oraz możliwe szlaki transdukcji sygnału uczestniczące w tym procesie były badane u hodowanej w kulturze wodnej kapusty, przy użyciu metod biologii molekularnej i fizjologii roślin. W Rozdziale 2 opisano materiały i metody wykorzystane w tej pracy. Do badań zostały użyte dwa gatunki kapusty: jarmuż (Brassica oleracea L.) i kapusta pekińska [Brassica pekinensis (Lour.) Rupr.], które charakteryzują się szybkim wzrostem i wysokim zapotrzebowaniem na siarkę. W Rozdziale 3 badano wpływ niskich stężeń siarczanu w kulturze wodnej na regulację ekspresji i aktywności transporterów siarczanu oraz dystrybucję siarki u jarmużu. Udowodniono, że charakterystycznie wysoki poziom siarczanu w pędach, był kontrolowany przez ekspresję i aktywność 129

5 transporterów siarczanu w korzeniach. Jeżeli rośliny były hodowane przy 25 µm siarczanu, ilość mrnas dla Grupy 1 transporterów siarczanu, Sultr1;1 i Sultr1;2, była zwiększona, czemu towarzyszył 3-krotny wzrost zdolności pobierania siarczanu, podczas gdy zawartość siarczanu, organicznej siarki i tioli nie uległa znacznej zmianie. Wzrost roślin był normalny i utrzymywały one wysoki poziom siarczanu, nawet przy jego zewnętrznym stężeniu, tak niskim, jak wartość K m dla transporterów o wysokim powinowactwie do siarczanu (5-10 µm siarczanu). Kiedy rośliny były pozbawione siarczanu, wówczas nastąpiła znacznie większa indukcja Grup 1, 2 i 4 transporterów siarczanu, Sultr1;1, Sultr1;2, Sultr1;3, Sultr2;1 i Sultr4;1. Nie uległa przy tym dalszej znacznej zmianie zdolność pobierania siarczanu. Wzrost roślin oraz proporcja pędów do korzeni uległy zmianie jedynie wtedy kiedy rośliny były pozbawione siarczanu i był on niezmieniony podczas hodowli w niskich stężeniach siarczanu ( 5 µm). Na podstawie uzyskanych wyników wnioskowano, że stężenie siarczanu w środowisku korzeni może pełnić rolę determinującego czynnika w procesie regulacji ekspresji i aktywności transporterów siarczanu oraz proporcji biomasy pędów do korzeni u jarmużu. W Rozdziale 4 badano wpływ ponownego dostarczenia siarczanu na ekspresję i aktywność transporterów siarczanu u jarmużu wykazującego deficyt siarki. Badania wykazały, że podwyższona ekspresja i aktywność transporterów siarczanu u charakteryzującego się deficytem siarki jarmużu nie zostały szybko obniżone po ponownym dostarczeniu siarczanu. Pomimo zmniejszenia się ilości transkryptów transporterów siarczanu, zwłaszcza na początku ponownego dostarczenia siarczanu, zdolność pobierania siarczanu nie uległa prawie żadnej zmianie aż do 96 h. To wskazuje brak bezpośredniej korelacji pomiędzy ekspresją i aktywnością transporterów siarczanu. Ponadto, nie było relacji pomiędzy zmianami poziomu siarczanu lub tioli, a ekspresją i aktywnością transporterów siarczanu, dlatego też ich znaczenie, jako regulatorowe związki sygnalizujące, pozostaje nieudowodnione. Aktywność i ekspresja reduktazy APS, kluczowego enzymu w szlaku redukcji siarczanu, zostały znacznie zwiększone w pędach roślin pozbawionych siarczanu. Po ponownym dostarczeniu siarczanu aktywność i ekspresja reduktazy APS zostały szybko obniżone, czemu towarzyszyły zmiany w poziomie tioli, zgodnie z rolą tych związków jako regulującego sygnału. W Rozdziale 5 badano regulację transporterów siarczanu u kapusty pekińskiej poprzez pozbawienie roślin siarczanu i ich ekspozycję na H 2 S. 130

6 Transportery Grupy 1 o wysokim powinowactwie do siarczanu, Sultr1;1 i Sultr1;2 były odmiennie regulowane przez dostarczanie atmosferycznego H 2 S i pozbawienie roślin siarczanu. Jeżeli ilość siarczanu w podłożu była wystarczająca, ekspozycja roślin do H 2 S prowadziła do częściowego obniżenia zdolności pobierania siarczanu, a przy stężeniach 0.25 µl l -1 do obniżenia ekspresji Sultr1;2 w korzeniach i reduktazy APS w korzeniach i pędach. Kiedy rośliny były pozbawione siarczanu, wtedy nastąpił ponad 3-krotny wzrost zdolności pobierania siarczanu przez korzenie, czemu towarzyszyła indukcja ekspresji Sultr1;1 i zwiększona ekspresja Sultr1;2 w korzeniach wraz z indukcją Sultr1;2 w pędach. Zwiększona zdolność pobierania siarczanu, ekspresja transporterów siarczanu w korzeniach oraz zmieniona proporcja pędów do korzeni, występujące podczas pozbawienia roślin siarczanu, nie zostały złagodzone przez ekspozycje na H 2 S i nie miało na nie wpływu ponowne dostarczenie siarczanu. W przeciwieństwie, ekspresja reduktazy APS została znacznie zwiększona w korzeniach i pędach roślin pozbawionych siarczanu, ale ponownie obniżyła się pod wpływem ekspozycji na H 2 S i kolejnego dostarczenia siarczanu. W Rozdziale 6 badano znaczenie pędów jako główne miejsce przeznaczenia siarczanu w regulacji ekspresji i aktywności transporterów siarczanu u jarmużu. Jeżeli rośliny były pozbawione siarczanu przez 1 lub 2 dni, doprowadziło to do zwiększonej ekspresji i aktywności transporterów siarczanu, które obniżyły się po ponownym dostarczeniu siarczanu. W przeciwieństwie do roślin pozbawionych siarczanu przez 7 dni, charakteryzujących się obniżonym wzrostem i proporcją pędów do korzeni, po ponownym dostarczeniu siarczanu, ekspresja i aktywności transporterów siarczanu nie uległa znacznej zmianie. Zawartość siarczanu, zarówno w korzeniach, jak i pędach, wróciła do poziomu porównywalnego jak w przypadku roślin stale zaopatrywanych w siarczan. Jeżeli odcięto pędy roślin pozbawionych siarczanu przez 7 dni, zdolność pobierania siarczanu szybko się obniżyła i była 5-krotnie niższa niż u roślin posiadających pędy. To wskazało na to, że proporcja siarczanu pobranego przez korzenie jest głównie określona przez zapotrzebowanie pędów roślinnych na siarkę. Natomiast ekspresja transporterów siarczanu w korzeniach pozostała niezmieniona nawet po ponownym dostarczeniu siarczanu. Podwyższona zdolność pobierania siarczanu, ale nie ekspresja transporterów, była ściśle kontrolowana przez zapotrzebowanie pędów na siarkę. 131

7 Na podstawie badań przedstawionych w tej pracy można wnioskować (Rozdział 7), że pobieranie i dystrybucja siarczanu u kapusty były modulowane przez poziom dostarczanego do korzeni siarczanu w celu pokrycia zapotrzebowania na siarkę zapewniającego normalny wzrost. Pobieranie siarczanu przez korzenie oraz ekspresja transporterów siarczanu w pędach i korzeniach były zwiększone, jeśli poziom dostarczanego do korzeni siarczanu był ograniczony. Wydłużony czas pozbawienia siarczanu doprowadził do zubożenia puli metabolitów siarkowych oraz do rozwoju symptomów deficytu siarki, np. obniżonego wzrostu roślin i proporcji pędów do korzeni. Ponowne dostarczenie siarczanu lub ekspozycja na H 2 S roślin wykazujących deficyt siarki nie miały znacznego wpływu na zwiększoną ekspresję i aktywność transporterów siarczanu w korzeniach u tych roślin. Przekazywanie sygnałów pomiędzy pędami a korzeniami było ograniczone, a przypuszczalne znaczenie siarczanu i tioli jako związków sygnalizujących w regulacji transporterów siarczanu pozostaje niejasne. Dalsze badania są wymagane w celu określenia, do jakiego stopnia zmiany w ekspresji genu i stężeń metabolitów, na poziomie całego organu (korzeni, pędów), dostarczają wglądu do konkretnego szlaku transdukcji sygnału specyficznych zmian na bardziej zlokalizowanym poziomie, na przykład w specyficznych komórkach korzeniowych lub warstwach komórek. Wyniki opisane w tej pracy nie wykazały ścisłej zależności pomiędzy aktywnością a poziomem ekspresji transporterów siarczanu. To wskazuje na to, że poziom ekspresji genu nie zawsze jest dobrym odzwierciedleniem poziomu in situ regulacji specyficznego procesu fizjologicznego. 132