http://www.microbehunter.com/2009/01/18/potato-stach-grains/
Fotosyntéza III – faktory ovlivňující fotosyntézu – sacharidy – transport asimilátů – další využití produktů primární fáze fotosyntézy
Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74
Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková
Faktory ovlivňující fotosyntézu
..........?
Faktory ovlivňující fotosyntézu vnitřní – genetická výbava C3, C4, CAM uložení průduchů, velikost a pokryv listů typ a kapacita sinků fotosyntetická kapacita listu = rychlost čisté fotosyntézy při saturační ozářenosti normální koncentraci CO2 a O2 optimální teplotě dostatečném zásobení rostliny vodou a vysoké vzdušné vlhkosti hodnoty jsou až v rozmezí dvou řádů
(0,6 až 40 µmol CO2.m-2.s-1)
vývojové stadium plochy listových čepelí, diferenciace mezofylu aktuální stav
produkty primární fáze fotosyntézy množství vytvořených asimilátů
Faktory ovlivňující fotosyntézu vnitřní – genetická výbava C3, C4, CAM uložení průduchů, velikost a pokryv listů typ a kapacita sinků fotosyntetická kapacita listu = rychlost čisté fotosyntézy při saturační ozářenosti normální koncentraci CO2 a O2 optimální teplotě dostatečném zásobení rostliny vodou a vysoké vzdušné vlhkosti hodnoty jsou až v rozmezí dvou řádů
(0,6 až 40 µmol CO2.m-2.s-1)
vývojové stadium plochy listových čepelí, diferenciace mezofylu aktuální stav
produkty primární fáze fotosyntézy množství vytvořených asimilátů
vnější – světlo teplota dostupnost CO2 vody minerálních látek
dostupnost CO2 množství ve vzduchu: 0,037% (obj.) vzácný plyn zdroje: vulkanická činnost rozklad hornin vodou rozkladem organických látek dýcháním rostlin i živočichů spalováním fosilních i recentních paliv mýcení lesů a živelné požáry
pro fotosyntézu je rozhodující množství CO2 ve stromatu chloroplastů
Difúze CO2 do listů: - závisí na rozdílu v koncentraci CO2 vně a uvnitř listu -skrz průduchy - stejnou cestou i voda! odpor kapalné fáze
Věčné dilema rostlin: CO2 nebo voda?
odpor mezibuněčných prostor
i při vysoké vzdušné vlhkosti je difuzní gradient pro vodu asi 50x větší než pro CO2
průduch průduchová štěrbina
odpor průduchu
hraniční vrstva
odpor hraniční vrstvy
Výdej vody: ochlazování listu, transpirace (xylémový tok – příjem živin)
Taiz and Zeiger
Charakteristická závislost rychlosti čisté fotosyntézy na koncentraci CO2 u rostlin C3 a C4
Nátr 2000
Reakce rostlin na zvýšenou koncentraci CO2
Aktuální koncentrace CO2
http://co2now.org/
Vliv koncentrace CO2 na rostliny - rychlost fotosyntézy - rychlost fotorespirace - rychlost respirace
Denní chod rychlosti asimilace CO2 buku lesního: AC – atmosférická koncentrace CO2 EC – zvýšená koncentrace CO2
- vodivost průduchů - vodní režim, ….
Kniha: L. Nátr, Koncentrace CO2 a rostliny, 2000
Košvancová a kol. 2007
Pokles transpirace lesních dřevin při zvýšené konc. CO2
Převzato z prezentace Prof. M.V. Marka, 2006, ÚSBE AV ČR
Možné důsledky zvýšené koncentrace CO2 na porost s rostlinami C3 a C4
• změna konkurenčních vztahů C3 x C4
změna druhového složení rostlin
• změna „kvality“ biomasy (N/C aj. - C4 méně kvalitní) • změny spektra a množství škůdců a chorob, • změny spektra a množství býložravců (hmyzu), • změny spektra a množství predátorů (ptáci aj.)
Vliv koncentrace CO2 na rostliny topol (Populus euramericana) -zvýšená [CO2] podporovala zvětšování a dělení buněk v různých částech listů -celkové zvětšení listové čepele, změny ve tvaru listů
Taylor et al., Plant Physiology, January 2003, Vol. 131, pp. 177–185
Zvýšená koncentrace CO2 ovlivňuje vodivost průduchů... ..v dlouhodobém měřítku ovlivňuje i hustotu / frekvenci průduchů
...lze použít pro odhad koncentrace CO2?
jedlovec západní
L. Kouwenberg et al., American Journal of Botany 90(4): 610–619. 2003.
Světlo – základní zdroj energie
relativní hustota toku fotonů vztažená na jednotkový interval vlnové délky
solární konstanta 1368 J.m-2.s-1 záření dopadající na povrch atmosféry
efekt vodní páry a CO2 efekt ozónu záření dopadající na povrch Země 43% solární konstanty
FAR 400 až 700 nm
vlnová délka nm
Světlo – základní zdroj energie
relativní hustota toku fotonů vztažená na jednotkový interval vlnové délky
solární konstanta 1368 J.m-2.s-1 záření dopadající na povrch atmosféry
efekt vodní páry a CO2 efekt ozónu
nad porostem
záření dopadající na povrch Země 43% solární konstanty v podrostu
FAR 400 až 700 nm
vlnová délka nm
Světlo – základní zdroj energie hustota toku fotonů fotosynteticky aktivního záření = PPFD photosyntetic photon flux density vztahuje se na jednotkovou plochu listu a na jednotku času rostlina světelné podmínky na stanovišti monitoruje a přizpůsobuje se jim
fotomorfogeneze fotosenzory pro kvalitu světla - fytochromy, kryptochromy, fototropin jak rostlina vnímá kvantitu světla? přizpůsobení ontogenetické (např. velikost listů, síla kutikuly, uspořádání mezofylu) velikost listové čepele určuje množství záření, které na ni dopadá struktura kutikuly a epidermis určují množství záření, které do listu vstoupí krystaly vosku amorfní vosky kutin buněčná stěna
uspořádáni mezofylu listů z různých podmínek v jedné koruně javoru
list z obvodu koruny z jižní strany stromu na volném prostranství se silnou kutikulou a vysokou vrstvou palisádového parenchymu
list ze střední části koruny téhož stromu
listy uprostřed koruny téhož stromu
Acer saccharum
Hanson H.C.: Leaf structure as related to environment. – Am. J. Botany 4: 533 – 560, 1917
a jak vypadá totéž u smrku......
Světlomilné x stínomilné rosltiny
vnitřní stavba listů z různých světelných podmínek Obrázky: Taiz l., Zieger E.: Plant Physiology. – Sinauer Ass., Inc., Publishsrs, Sunderland, Massachusetts, 2002 (upraveno)
list rostoucí ve stínu
Thermopsis montana
list rostoucí na slunci
jaké jsou vnitřní světelné podmínky v listu?
list jako past na světlo
při průchodu listem se záření kvalitativně i kvantitativně mění klesá modré a červené relativně stoupá zelené a FR absolutně IR
přizpůsobení modulační (aktuální, přechodné) např. postavení listů k dopadajícímu záření – heliotropizmus vadnutí
rozmístění chloroplastů
okřehek
tma
střední ozářenost
vysoká ozářenost
příjem CO2
saturační bod
0 výdej CO2
rychlost čisté fotosyntézy
vliv ozářenosti na rychlost fotosyntézy
fotoinhibice
světelný kompenzační bod stoupající ozářenost (µmol.m-2.s-1)
dýchání
...to už známe z minula ☺
fotoinhibice dynamická chronická
FOTOINHIBICE při vysoké ozářenosti možnost poškození struktur fotosyntetického aparátu Obranné a regulační mechanismy 1) disipace energie teplem (karotenoidy)
2) likvidace reaktivních forem kyslíku – karotenoidy, superoxid dismutasa, askorbát 3) oprava či de-novo syntéza D1 proteinu (Normální životnost proteinu D1 je asi 30 min)
ochrana před nadměrným množstvím dopadající energie: změna pozice listu rozmístění chloroplastů xantofylový cyklus lumen thylakoidu
stroma
deepoxidace
askorbát poskytuje vodík vzniká H2O
anteraxantin
epoxidace
violaxantin kofaktor reakcí je NADPH
zeaxantin zeaxantin uvolňuje energii jako teplo zvýšení transpirace nárok na zásobení vodou
dostupnost CO2 a záření limitují rychlost fotosyntézy
voda výrazný vliv na velikost průduchové štěrbiny vadnutí
vstup CO2
postavení listů
voda je medium pro transport asimilátů voda – přímý účastník primární fáze fotosyntézy asimilace CO2 (hydrolýza nestálého meziproduktu C6) voda – transpirace ovlivňuje teplotu listu
teplota jednotlivé druhy rostlin mají pro fotosyntézu specifická teplotní optima teplota
aktivita enzymů
vysoké teploty jsou často následek vysoké ozářenosti vysoká teplota
vysoká transpirace
nedostatek vody
teplota
rychlost difúze CO2 ve fázi plynné i vodné
teplota
rozpustnost CO2 a O2 ve vodě rozpustnost CO2 klesá rychleji než rozpustnost O2 zvýšení fotorespirace
kyslík negativní vliv O2 - Warburgův efekt – výrazný u rostlin C3 fotorespirace, kyslíkové radikály
minerální látky N, P, Mg, S, Fe Mn, Cu K
množství vytvořených asimilátů
Veličiny charakterizující fotosyntézu fotosyntéza celková = hrubá = PG
(z. angl. gross)
fotosyntéza čistá = PN
(z. angl. net)
PG = PN + PD + PL
D - respirace; L - fotorespirace
rychlost čisté fotosyntézy : hmotnost vzniklých asimilátů (g; kg) množství spotřebovaného CO2 (mol; litr) množství uvolněného O2 (mol; litr) vztažené na jednotkovou plochu listu (m2) na jednotku času (s)
Veličiny charakterizující fotosyntézu fotosyntéza celková = hrubá = PG
(z. angl. gross)
fotosyntéza čistá = PN
(z. angl. net)
PG = PN + PD + PL
D - respirace; L - fotorespirace
rychlost čisté fotosyntézy : hmotnost vzniklých asimilátů (g; kg) množství spotřebovaného CO2 (mol; litr) množství uvolněného O2 (mol; litr) vztažené na jednotkovou plochu listu (m2) na jednotku času (s) rychlost čisté fotosyntézy 0 = kompenzovaný stav kompenzační koncentrace CO2 kompenzační ozářenost = kompenzační světelný bod
rychlost fotosyntézy během dne se mění
množství fixovaného CO2
oblačnost
oblačné ráno 30.8.
6.00 účinnost fotosyntézy
31.8.
18.00
6.00
výkon / příkon
18.00h glukóza = 2,8.106 J.mol-1
Jaká je účinnost fotosyntézy? účinnost fotosyntézy
výkon / příkon
glukóza = 2,8.106 J.mol-1
...záleží, co bereme jako příkon celkové množství energie dopadající na list....i méně než 1% energie fotosynteticky aktivního záření.......kolem 5%
Maximální účinnost záření v modré oblasti PAR se udává kolem 20%, účinnost v oblasti červené kolem 30%, neboť v modré oblasti se více energie mění v teplo. Pavlová 2005
Taiz and Zeiger, 2002
Převzato z přednášky L. Fišera, MB130P14
sacharidy = energie + řetězce uhlíku pro syntézu dalších látek
sacharidy = energie + řetězce uhlíku pro syntézu dalších látek
monosacharidy: monooxopolyhydroxysloučeniny triózy – glyceraldehyd-3-P monosacharidy Calvinova cyklu biosyntéza karotenoidů (IPP) fytolu, plastochinonu
Trióza-fostáty (Glyceraldehyd-3-fosfát, Dihydroxyacenton-fosfát) primární produkty fotosyntézy / Calvinova cyklu vznik v chloroplastu potřeba poslat je dál !!
intenzita transportu trióza-fosfátů záleží na jejich koncentraci a koncentraci Pi
Transport sacharidů: 1) z chloroplastu,
2) z buňky
Den
Noc
škrob škrob
trioza-fosfáty
trioza-fosfáty
hexozafosfáty
SACHAROZA
SACHAROZA
SACHAROZA
transport do cytosolu
hexozafosfáty
DEN: transport trióza-P z chloroplastu do cytosolu Trioza-fosfát translokátor chloroplastové membrány
ANTIPORT současný transport - proti sobě Pi a trióza-P
Rozdělování sacharidů chloroplast/cytoplasma (škrob/sacharóza)
Priorita: udržení konstantního toku asimilátů po rostlině Hlavní signál: konc. Pi / trióza-P v cytoplasmě → trióza-P translokátor (antiport) ↑ syntéza sacharózy = ↑ potřeba trióza-P
Zabudování trióza-P (GA3P a DHAP) – glukoneogeneze (metabolismus sacharózy a škrobu)
škrob – v plastidech sacharóza – v cytosolu
den
noc
Ve dne: kontinuální syntéza a export sacharózy do nefotosyntetizujících pletiv, nasyntetizovaný škrob se hromadí v chloroplastu (tzv. asimilační škrob)
V noci: zastavena asimilace, degradace škrobu pro zachování exportu sacharózy - z chloroplastu se transportují produkty štěpení škrobu: maltóza a glukóza
Taiz a Zeiger 2006
sacharóza – disacharid – nejrozšířenější transportní forma sacharidů fruktóza-6-P + UDP-glukóza sacharóza-6-P
sacharóza-P-syntáza sacharóza-P-fosfatáza
sacharóza-6-P + UDP sacharóza + Pi
vazba α1→β2 glukóza a fruktóza spojeny svými redukujícími skupinami
funkce – transportní forma sacharidů zásobní
(zdroj → sink)
monosacharidy - hexózy
floém
redukující sacharidy – reaktivní, volná aldehydická nebo ketonická skupina náchylná k redukci - proto nejsou vhodné jako transportní formy
transportní formy sacharidů – neredukující cukry Sacharóza – disacharid = fruktóza + glukóza Sacharidy rafinózové řady: rafinóza, stachyóza, verbaskóza vždy obsahují +1 molekulu galaktózy
sacharóza rafinóza
stachyóza verbaskóza
galaktóza
galaktóza
galaktóza
glukóza fruktóza
škrob asimilační (transientní) - v plastidech fotosyntetizujících orgánů
zásobní - v plastidech nefotosyntetizujících orgánů
zásobní škrob v hlíze bramboru asimilační škrob v jehlici smrku
amyloplasty jako statolity v kořenové čepičce
kukuřice
polysacharidy - zásobní glukóza-1-P + ATP
škrob = polymer α-D-glukózy
APD-glukózapyrofosforyláza
ADP-glukóza + (α-D-glukosyl)n
škrobsyntáza
ADP-glukóza + PPi (α-D-glukosyl)n+1 + ADP
syntéza probíhá v plastidech – chloroplasty amyloplasty
velikost a tvar škrobových zrn jsou druhově specifické zbožíznalství endosperm obilnin – pšenice, ječmen, žito, oves, rýže, kukuřice, proso, čirok hlízy – brambor, maniok, batát, jam dřeň stonku – cykasy, palmy
Canna indica
škrob α(1→6)
α(1→4),
amylóza
amylopektin
vazba α(1→4) molekula tvoří šroubovici
vazba α(1→4) a α(1→6) větvení řetězce
struktura škrobu (poměr amylózy a amylopektinu) ovlivňuje jeho vlastnosti a průmyslové využití
amyloplast v zárodečném vaku soji (Glycine max)
škrobová zrna
Solanum tuberosum
Phaseolus vulgaris
amyloplasty jako statolity v kořenové čepičce Zea mays
odbourávání škrobu hydrolytické - α-amyláza → dextriny
β-amylázy → maltóza α-glukosidáza (maltáza) → glukóza
fosforolytické - škrobfosforyláza štěpí škrob od neredukujícího konce vzniká glukóza-1-P
D-enzymy (debranching enzymes) štěpí vazby 1→6
další důležité d ležité sacharidy - jejich osud v rostlině rostlin sacharidy = energie + řetězce uhlíku pro syntézu dalších látek
3C triózy
glyceraldehyd-3-P monosacharidy Calvinova cyklu biosyntéza karotenoidů (IPP) fytolu, plastochinonu dihydroxyaceton-P 3-P-glycerol lipidy (plastid i cytosol)
tryptofan
4C tetrózy
erytróza-4-P
aminace
kyselina šikimová
kyselina chorizmová
fosfoenolpyruvát
tyrozin fenylalanin (aromatické aminokyseliny)
další důležité d ležité sacharidy - jejich osud v rostlině rostlin 5C pentózy – vznik - Calvinův cyklus - pentózový cyklus v plastidu i cytosolu – dekarboxylace hexóz ribulóza-1,5-P2 ribóza – nukleotidy a RNA deoxyribóza – DNA xylóza – hemicelulózy arabinóza – pektiny
6C hexózy – vznik z trióz, štěpením škrobu nebo sacharózy fruktóza – fruktany glukóza – celulóza, škrob, kalóza hemicelulózy galaktóza – transportní oligosacharidy glykolipidy (membrány thylakoidu)
schéma metabolizmu sacharidů
Pavlová 2005, skriptum
polysacharidy strukturní – buněčná stěna celulóza – polymer β-D-glukózy vazba β1 4 mikrofibrily (20 až 60 molekul celulózy; prům. 36; 2000 až 20000 molekul β-D-glukózy)
celulózasyntáza, syn. terminální komplex (geny CelS)
Taiz l., Zieger E.: Plant Physiology. – Sinauer Ass., Inc., Publishsrs, Sunderland, Massachusetts, 2002 (upraveno)
celulóza
vazba β1
4
opakující se jednotka
vodíková vazba mezi molekulami celulózy
vodíková vazba uvnitř molekuly celulózy
TRANSPORT ASIMILÁTŮ FLOÉMEM
transport asimilátů zdroj
sink
transportují se neredukující osmoticky aktivní sacharidy
sacharóza rafinóza, verbaskóza, stachyóza manitol, sorbitol (cukerné alkoholy) floém rychlost 0,3 až 1,5 m.h-1
Co je zdroj a co je sink? sink?
rostlina ve vegetativní fázi
status ZDROJ / SINK se může dynamicky měnit např. v závislosti na ontogenezi rostliny (vegetativní / generativní fáze) Změna zdroj – sink během vývoje bramboru sink
sink zdroj
sink zdroj sink
zdroj
sink
žádné morfologické změny, ale změny v genové expresi, proteinovém spektru, enzymatických aktivitách převzato od doc. Lipavské
floém – sítkové elementy s póry, buňky průvodní, floémový parenchym
sítková deska
buňka floémového parenchymu P protein
sítkové buňky – r. nahosemenné sítkové články – r. krytosemenné tvoří řadu – sítkovici
póry mají fylogenetický i ontogenetický původ v plazmodezmech
článek sítkovice
póry se sdružují v sítkovém políčku buňka floémového parenchymu buňka průvodní buňka průvodní
pór sítkové desky
buňky průvodní
sítkové elementy jsou s buňkami průvodními propojeny četnými plazmodezmy sítkové články s buňkami průvodními tvoří funkční komplex
Raven P.H., Everet R.F., Eichhorn S.E.: Biology of Plants. – W.H.Freeman and company Worth Publishers, New York 2003
POHYB LÁTEK FLOÉMEM Určující faktor - přísun a odbyt cukru
ve floému - hromadný tok Mechanismus – hnací silou je tlakový gradient daný rozdílem vodních potenciálů ve zdroji a v sinku (Münchova teorie)
!nezávislost na energii (energ. nároky – transport do a z floému (phloem (un)loading) !závislost na transpiračním toku xylémem – nedostatek vody – zastavení transportu sacharidů
POHYB LÁTEK FLOÉMEM – hromadný tok
průvodní buňka cévní elementy xylému
H2O
sítkové elementy floému
zdrojová buňka
Aktivní vkládání asimilátů do sítkových elementů floému snižuje vodní potenciál, vstupuje voda = vysoký turgorový tlak
transpirační proud
Sacharidy jsou ve zdroji aktivně vkládány do komplexu průvodní – sítková buňka
sacharóza
Tlakovým gradientem poháněný hromadný tok vody a v ní rozpuštěných asimilátů ze zdroje do sinku
Aktivní vykládání asimilátů do zvyšuje vodní potenciál, voda vystupuje z buněk = nízký turgorový tlak
sinková buňka V sinku jsou sacharidy z foému aktivně odebírány
sacharóza
Převzato Nobel 1991 v Taiz and Zeiger
VKLÁDÁNÍ LÁTEK DO FLOÉMU (PHLOEM LOADING)
http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectf03am/phloem.jpg
VKLÁDÁNÍ LÁTEK DO FLOÉMU (PHLOEM LOADING) transport na krátkou vzdálenost (vždy přes „pár buněk“ k nejbližší žilce v listu transport sacharidů z mezofylových buněk do komplexu průvodní – sítková buňka
koncentrace sacharidů! vstup sacharidů do floému 1) APOPLASTEM 2) SYMPLASTEM co to je symplast a apoplast ?
jedle
VKLÁDÁNÍ LÁTEK DO FLOÉMU listová žilka
APOPLASTICKÁ CESTA plasmodesma
AKTIVNÍ VKLÁDÁNÍ
články sítkovic průvodní buňky
SYMPLASTICKÁ CESTA
buňka floémového parenchymu buňka pochvy cévního svazku mezofyová buňka
plazmatická membrána
☺ buňky pochev cévních svazků jsou i u rostlin C3...třeba parenchymatické
komplex uzavřený – apoplastická cesta
SYMPORT – sacharóza + proton!!!
ATPáza Sacharózový transportér
je-li transportní protein sacharózy lokalizován v membráně průvodní buňky sítkového článku, má tato buňka charakter buňky transferové
buněčná stěna a přiléhající plazmalema transferových buněk tvoří četné výrůstky (vychlípeniny, invaginace; angl. ingrowths), tím se zvětšuje kontaktní plocha apoplastu a protoplastu a zvyšuje se kapacita transportu látek mezi apoplastem a symplastem
transferové buňky lze nalézt i v jiných pletivech, např. v zárodečném vaku (filiformní aparát, endosperm) nebo v orgánech se sekreční funkcí (nektariích, trichomech)
vychlípeniny zvětšující transportní plochu transferová buňka ve floému mléče (Sonchus) Raven P.H., Everet R.F., Eichhorn S.E.: Biology of Plants. – W.H.Freeman and company Worth Publishers, New York 2003
komplex uzavřený – apoplastická cesta
ATPáza Sacharózový transportér
transportér SUC2 Arabidopsis
komplex uzavřený – apoplastická cesta
transportér SUT1 ATPáza Sacharózový transportér
Solanum, Nicotiana
komplex uzavřený – apoplastická cesta
ATPáza Sacharózový transportér
komplex otevřený – symplastická cesta
„polymerová past“ častější u stromů, keřů a lián
smíšený typ obsahuje oba typy komplexů – asi u 10% čeledí např. Rhododendron, Gossypium, Ricinus
asimiláty vystupují z floému symplastem nebo apoplastem dle typu sinku symplast – transport do meristémů a zásobních pletiv s tvorbou polymerů
1/ Apoplastické vkládání: (možnost regulace (sacharózové a hexózové transportéry, enzymy štěpící sacharózu – sacharóza syntáza, invertáza, převážně skladovací sinky) 2/ Symplastické vkládání: (malá možnost řízení, rychlý růst sinkových pletiv – udržení gradientu osmotického potenciálu (přestup přes tonoplast), převážně metabolické sinky)
VYKLÁDÁNÍ LÁTEK Z FLOÉMU
Symplastickou cestou
Apoplastickou cestou
Další využití produktů primární fáze fotosyntézy syntéza mastných kyselin a membránových lipidů asimilace síry z SO42asimilace dusíku – redukce NO2- na NH4+
