Fizjologia i Regulacja Metabolizmu. Jarosław Szczepanik

Transkrypt

1 SYSTEM PRZEWODZĄCY Fizjologia i Regulacja Metabolizmu Jarosław Szczepanik Zakład Ekofizjologii Molekularnej Roślin, Instytut Biologii Eksperymentalnej i Biotechnologii Roślin

2 Plan prezentacji 1 Wstęp Ogólna charakterystyka systemu przewodzącego 2 Transport krótkodystansowy Mechanizmy transportu w komórce Pojęcie symplastu i apoplastu Transport przez błonę komórkową Transport przez plazmodesmy 3 Transport dalekodystansowy Załadowanie floemu Transport we floemie Rozładowanie floemu Tkanka przewodząca u brunatnic

3 Roślina jako system niejednorodny troficznie Łodyga zazwyczaj pełni funkcję akceptora asymilatów; u niektórych roślin (np. sukulenty) może być donorem asymilatów!

4 System przewodzący jeden układ koordynujący większość czynności życiowych rośliny FLOEM żywe komórki, transport asymilatów (produktów asymilacji CO 2, czyli fazy ciemnej fotosyntezy głównie sacharoza) z donorów do akceptorów KSYLEM komórki martwe; transport wody i soli mineralnych od korzeni do pozostałych części organizmu Linka, 2007

5 Funkcje systemu przewodzącego Dwuskładnikowy system przewodzący spełnia u roślin funkcje tożsame z następującymi układami u zwierząt: pokarmowym krwionośnym nerwowym limfatycznym/odpornościowym

6 Funkcje systemu przewodzącego Floem transport związków niskocząsteczkowych; transport wody do akceptorów końcowych; recyrkulacja jonów; usztywnianie rośliny; transport hormonów; transport białek strukturalnych; transport białek obronnych i sygnałowych; transport RNA; systemiczna obrona przed wirusami; przesyłanie fali ciśnienia turgorowego; przesyłanie sygnałów elektrycznych; Ksylem transport wody z korzeni; transport jonów; usztywnianie rośliny; transport hormonów; zmiany potencjału wodnego; przesyłanie sygnałów elektrycznych;

7 Budowa wiązki przewodzącej na przykładzie liścia

8 Unerwienie liści roślin okrytozalążkowych Dwuliścienne Jednosliścienne

9 Nerwy a uszkodzenia liścia Buchannan, 2000

10 Funkcje systemu przewodzącego w odniesieniu do produktów fotosyntezy (asymilatów) Transport pomiędzy pojedynczymi komórkami transport krótkodystansowy Transport za pośrednictwem systemu przewodzącego transport dalekodystansowy van Bell, 2003

11 Mechanizmy transportu w komórce dyfuzja ruch wspomagany przez cytoszkielet konwekcja (ruchy cytoplazmy) przepływ pod ciśnieniem (przepływ masowy) przepływ w polu elektrycznym

12 Dyfuzja Dyfuzją prostą rządzą prawa Ficka: I Prawo Ficka J= -D C; J przepływ substancji, D współczynnik dyfuzji, C gradient stężenia (odwrotnie proporcjonalny do odległości!) Współczynnik dyfuzji zależy z kolei od wielkości dyfundujących cząsteczek (a dokładniej od promienia Stokesa r ST ), lepkości roztworu (η) oraz temperatury (T): Równanie Stokesa-Einsteina D = 6πηrST kt ; k stała Boltzmana

13 Rzeczywiste znaczenie dyfuzji w komórce rzeczywiste znaczenie dyfuzji w komórce jest niewielkie (niewydajny mechanizm, lepkość cytoplazmy i stłoczenie molekularne uniemożliwiają ruch dyfuzyjny) dyfuzja obserwowana w komórce najczęściej nie jest dyfuzją prostą, tylko anomalną! średnie przemieszczenie cząsteczki w czasie t (x 2 ) dla dyfuzji prostej ma charakter liniowy, anomalnej nieliniowy Dyfuzja anomalna x 2 D t α ; dla α=1 dyfuzja prosta, dla α<1 subdyfuzja (spowolnienie spowodowane lepkością i stłoczeniem molekularnym), α>1 superdyfuzja (szybszy przepływ wspomagany innymi ruchami zachodzącymi w komórce).

14 Ruch wspomagany przez cytoszkielet obejmuje przede wszystkim ruch pęcherzyków, organelli i cząsteczek w powiązaniu ze strukturami cytoszkieletu (mikrotubulami, filamentami aktynowymi, filamentami pośrednimi) filamenty pośrednie nie występują w zasadzie w komórkach roślinnych (choć budujące je białka są obecne) ruchy cytoszkieletu ułatwiają przepływ substancji drobnocząsteczkowych (superdyfuzja), wywołując ruchy cytoplazmy wydaje się, że cytoszkielet jest najważniejszym czynnikiem odpowiedzialnym za ruch w komórce

15 Konwekcja konwekcja ruch makroskopowych obszarów płynu (tu cytoplazmy) pod wpływem czynników zewnętrznych (konwekcja wymuszona) lub różnicy gęstości (konwekcja swobodna), powoduje szybkie wyrównanie składu chemicznego i właściwości fizycznych płynu związana jest z zależnymi od ATP ruchami białek motorycznych strumienie cytoplazmy mogą przecinać endomembrany

16 Ruchy cytoplazmy Olszewska, 1971

17 Ruch turbulentny i laminarny mała lepkość, duża szybkość, duża liczba Reynoldsa (siła bezwładności : siła tarcia) duża lepkość, mała szybkość,mała liczba Reynoldsa odpowiada warunkom panującym w komórce

18 Przepływ masowy uporządkowany przepływ cieczy lub gazu w kierunku wyznaczonym przez różnicę ciśnień zachodzi zawsze od wyższego do niższego ciśnienia w przypadku przepływu masowego substancja rozpuszczona przemieszcza się wraz z rozpuszczalnikiem (w przypadku dyfuzji mogą przemieszczać się niezależnie) ma istotne znaczenie dla transportu we floemie i ksylemie (również w naczyniach układów krwionośnych zwierząt) na tej samej zasadzie wieją wiatry i płyną rzeki

19 Przepływ w polu elektrycznym przepływ masowy pod wpływem różnicy potencjałów

20 Wstęp Transport krótkodystansowy Transport dalekodystansowy Plazmodesmy jako połączenia międzykomórkowe J. Szczepanik BiBS, FiRM: System przewodzący

21 Symplast i apoplast symplast przestrzeń wewnątrz kontinuum cytoplazmy komórek połączonych plazmodesmami apoplast przestrzeń poza błonami komórkowymi (ściany komórkowe, przestwory międzykomórkowe) transport przez plazmodesmy transport symplastowy transport polegający na wydzielaniu substancji poza błonę lub jej pobieraniu spoza błony transport apoplastowy nie wszystkie komórki rośliny połączone są plazmodesmami! grupa komórek połączonych PD to domena symplastowa często obejmuje ona komórki o wspólnej ontogenezie jeśli pomiędzy dwiema komórkami brak PD, mówimy o izolacji symplastowej

22 Drogi transportu międzykomórkowego

23 Transport aktywny i bierny transport bierny: zgodnie z gradientem stężeń transport aktywny: w kierunku przeciwnym do gradientu stężeń dyfuzja ułatwiona: transport bierny z udziałem przenośników Alberts, 1999

24 Rodzaje transportu za pośrednictwem przenośników transport sprzężony: przeniesieniu cząstki przez błonę towarzyszy ruch innej cząstki pierwotny transport aktywny: przeniesienie przez błonę połączone z hydrolizą ATP lub inna reakcją chemiczną wtórny transport aktywny: przeniesienie cząstki wbrew gradientowi stężeń powiązane z transportem innej cząstki zgodnie z gradientem stężeń (energia jest tu zużywana do stworzenia gradientu stężeń innej cząstki, np. protonów) Alberts, 1999

25 Wstęp Transport krótkodystansowy Transport dalekodystansowy Budowa przenośników pętle pozwalają na regulację aktywności, rozpoznawanie substartów, oddziaływania z innymi cząsteczkami lub białkami przenośniki cukrów są symporterami H+ Williams i in., 2000 J. Szczepanik BiBS, FiRM: System przewodzący

26 Przenośniki cukrów i aminokwasów u roślin występuje wiele przenośników cukrów i aminokwasów (oddzielne dla cukrów, oddzielne dla aminokwasów) jedna cząsteczka może mieć kilka przenośników różniących się powinowactwem lub prędkością transportu niektóre przenośniki moga przenosić kilka różnych cukrów lub aminokwasów poszczególne przenośniki tego samego związku mogą być aktywne w innych tkankach lub na różnych etapach rozwoju lokalizacja trzech przenośników sacharozy w różnych tkankach pomidora wszystkie trzy występują w tych samych organach ale pełnią odmienne funkcje mogą tworzyć heterodimery Reinders i in., 2002

27 Regulacja aktywności przenośników białkowych aktywność pompy protonowej indukcja ekspresji genów kodujących przenośniki oraz ich aktywność przez poziom cukrów indukcja ekspresji genów kodujących przenośniki przez czynniki zewnętrzne: światło, fitohormony, stres mechaniczny i wodny, atak patogenów regulacja post-translacyjna: cykl dobowy, fosforylacja i defosforylacja

28 Budowa plazmodesm

29 Drogi transportu przez PD Czy transport w różnych kierunkach w obrębie jednej PD zachodzi innymi drogami?

30 Powstawanie i modyfikacje PD Ding i in., 1999

31 Pytanie o mechanizm transportu przez PD zakłada się, że związki drobnocząsteczkowe przemieszczają sie przez PD na zasadzie dyfuzji prostej dyfuzja w wąskich kanałach dyfuzja Knudsenowska (wolniejsza) obserwacje ruchu fluoroforów wskazują na prędkość przewidywaną dyfuzją prostą jak pogodzić ruch w dwóch kierunkach? czy nasz obraz budowy PD jest właściwy? komórki mają możliwość regulacji rozwarcia PD jaka jest rola cytoszkieletu w przepływie przez PD?

32 Pytanie o mechanizm transportu przez PD A. Dyfuzja w mikrokanałach (r K promień kanału; r ST promień Stokesa cząsteczki); B. Porównanie wielkości różnych cząsteczek i wielkości mikrokanału cytoplazmatycznego PD

33 Transport RNA przez PD Lokalizacja czynnika transkrypcyjnego KNOTTED 1 (KN1) i KN1 mrna w komórkach tuniki (L1) i korpusu (L2, L3) wierzchołka wzrostu kukurydzy. Lucas, 1995

34 Transport związków wielkocząsteczkowych przez PD McLean i in., 1997

35 Funkcje systemu przewodzącego w odniesieniu do produktów fotosyntezy (asymilatów) Transport pomiędzy pojedynczymi komórkami transport krótkodystansowy Transport za pośrednictwem systemu przewodzącego transport dalekodystansowy van Bel, 2003

36 Strategie załadowania floemu Turgeon, 2010

37 Strategie załadowania floemu Gamalei i Pokhamkova, 2000

38 Budowa komórek towarzyszących u roślin o różnym typie załadowania floemu Dławisz okrągłolistny symplastowy typ załadowania floemu Groch zwyczajny apoplastowy typ załadowania floemu Turgeon i in., 2001; Amiard i in., 2005

39 Ekologiczne znaczenie załadowania floemu A apoplastowe załadowanie floemu; P brak załadowania floemu; S symplastowe załadowanie floemu z pułapką polimerową Davidson i in., 2011

40 Transport symplastowy vs transport apoplastowy Typ transportu Styk komórek, Przepływ Źródło organ, gatunek [10-8 M m 2 s -1 ] przez PD przez błonę BS, liść, pszenica 230 Kuo i in., 1974 CC/SE, korzeń, jęczmień 700 Farrar, 1985 CC/SE, strąk, fasola 194 Offer i Patrick, 1983 CC/SE, ziarniak, pszenica 553 Wang i in., 1995 CC/SE, liść, burak 16 Fondy i Geiger 1977 CC/SE, liść, groch 14 Gunning i in., 1974 CC, nasiono, fasola 12 Offer i Patrick, 1983 CC, ziarniak, pszenica 2 Wang i in., 1995 BS pochwa okołowiązkowa, CC komórki towarzyszące, SE rurki sitowe

41 Przekrój podłużny przez rurkę sitową u fasoli Długość rurki sitowej: µm, średnica 5 30 µm, czas życia 50 lat! Knoblauch i van Bel, 1998

42 Funkcje komórek towarzyszących wzdłuż floemu van Bel, 2003

43 Skład soku floemowego Składnik Zawartość [mg ml -1 ] Cukry 80,00 106,00 Aminokwasy 5,20 Kwasy organiczne 2,00 3,20 Białka 1,45 2,20 Potas 2,30 4,40 Chlorki 0, Fosforany 0,35 0,55 Magnez 0,11 0,12 Buchannan, 2000

44 Sprzężenie floemu i ksylemu przepływ masowy

45 Przepływ przez floem i ksylem porównanie Import przez ksylem Eksport przez floem [µmol liść h] -1 Sacharoza Aminokwasy Azotany Siarczany Chlorki 22 7 Fosforany 17 9 Potas Wapń 95 7 Magnez Dane dla liści rącznika Ricinus communis Schurr, 1998

46 Względna zawartość auksyny i cytokinin we floemie i ksylemie rącznika Auksyna Tryptofan [ng ml -1 ] floem 13,00 96,00 ksylem 0,32 0,38 IP Z IPA RZ [ng ml -1 ] floem 27,7 104,0 nd 5,1 ksylem nd 23,2 14,1 58,7 IP izopentyl adeniny, Z zeatyna, IPA izopentyl adenozyny, RZ rybozyd zeatyny Baker, 2000

47 Prędkość transportu we floemie i ksylemie w łodydze rącznika Rokitta i in., 1999

48 Prędkość transportu u roślin i zwierząt aorta (człowiek) 1200 mm s -1 naczynia włosowate (człowiek) 0,4 mm s -1 ksylem (rącznik) 0,7 mm s -1 floem (rącznik) 0,4 mm s -1 ALE: średnica elementów floemu i ksylemu podobna do średnicy naczyń włosowatych! Aorta ma aż 25 mm średnicy!

49 Transport RNA we floemie Citovsky i Zambryski, 2000

50 Mechanizmy obronne floemu Knoblauch i van Bel, 1998

51 Rozładowanie floemu w korzeniu Giaquinta i in., 1983

52 Przemiany sacharozy w akceptorach

53 Dojrzewanie liści: przejście akceptor-donor na przykładzie dyni Kolejne etapy przejścia ze stanu akceptora (lewo) do donora (prawo). Czarne części liścia to tkanka będąca akceptorem. Buchannan, 2000

54 Anatomia plechy brunatnic

55 Anatomia brunatnic jako przykład konwergencji Katsaros i Galatis, 2007