Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Fyziologická podstata přezimování hmyzu aneb Jak zajistit přežití při poklesu tělní teploty Vladimír Košťál Oddělení ekofyziologie Entomologický ústav.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Fyziologická podstata přezimování hmyzu aneb Jak zajistit přežití při poklesu tělní teploty Vladimír Košťál Oddělení ekofyziologie Entomologický ústav."— Transkript prezentace:

1 Fyziologická podstata přezimování hmyzu aneb Jak zajistit přežití při poklesu tělní teploty Vladimír Košťál Oddělení ekofyziologie Entomologický ústav Biologické centrum AV ČR České Budějovice

2 Kryobiologie hmyzu 1736 (Reaumur)první zmínky o schopnosti hmyzu přežít za podnulových teplot 1901 (Bachmetjev)podchlazení hmyzího organismu 1930 – 1975 (Salt)zakladatel oboru 1957 (Chino, Salt)hromadění glycerolu 1977, 78 (Duman)"anti-freeze proteins" a"protein ice nucleators" 1991 INSECTS AT LOW TEMPERATURE (1 st edition) Eds. Richard E. Lee, David L. Denlinger Chapman and Hall, New York, 513 p (?)INSECTS AT LOW TEMPERATURE (2 nd edition) Definice oboru: Vědní obor, který se zabývá poškozujícími účinky nízkých teplot na hmyzí organismus a adaptivními a aklimatizačními změnami, které umožňují tomuto poškození předejít, tolerovat jej nebo jej napravit.

3 Rychlost procesu (vývoj, růst,...) 100 % Tělní teplota [°C] optimum spodní teplotní práh teplota krystalizace tělních tekutin bod podchlazení "supercooling point" Definice nízkých teplot: Teploty pod prahem pro vývoj, růst a aktivitu organismu 0°C0°C Oblast nízkých teplot začíná pro různé druhy hmyzu a v různých situacích za různých hodnot teploty: tropické druhy: ca °C neaklimované temperátní druhy: ca °C aklimované temperátní a polární druhy: až -0.6°C podchlazený stav promrzlý stav 20 – 30 °C

4 Strategie přežívání Podchlazení - udržet vodu v kapalném stavu Promrznutí - dovolit regulovanou tvorbu ledových krystalů Dehydratace – předejít mrznutí ztrátou vody Migrace Rychlá chladová aklimace (RCH) Regulace Aktivita - tepelně pufrované prostředí

5 Aktivita Kolonie chvostokoků Ceratophysella sigillata migrují po sněhu v lednu (Švýcarsko, 600 m n.m.), během migrace se rozmnožují, živí se na nárůstech řas na odumřelém dřevě (v létě upadají do dormantního stavu). Larvální vývoj brouka z čeledi Catopidae (západní a střední Evropa), probíhá v zimě, v opadance. Imaga vstupují v létě do aestivace a kladou na podzim. BoreusChionea Imaga srpice Boreus a více druhů much se páří v zimě nad sněhem, někdy jsou imaga bezkřídlá. adaptivní výhodou přesunu aktivní fáze do období nízkých teplot je patrně využití volné niky s nižším tlakem parazitů a predátorů a s dostatkem potravy Catops CeratophysellaTriphleba

6 snížení teploty mimobuněčné tělní tekutiny rozp. látky buňky a "lumeny" vytvoření ledových krystalků v tělních tekutinách vede k osmotickému odsávání vody z buněk a tím k jejich dehydrataci a smršťování Bod tání Bod podchlazení Podchlazení vs. Promrznutí základní předpoklady: mít malé rozměry vodních kompartmentů zabránit heterogenní nukleaci ledu základní předpoklady: zajistit tvorbu ledu v extracelulárních prostorech mít schopnost přežít dehydrataci buněk

7 Podchlazení vs. Promrznutí voda zůstává v kapalném stavu voda v extracelulárních prostorech se mění na led dochází k silné dehydrataci buněk aerobní metabolismus se zpomaluje, nikoli však zastavuje led brání difůzi kyslíku, anaerobní metabolismus buněk je minimální až nulový = kryobióza jsou udržovány transmembránové elektrochemické potenciály transmembránové elektrochemické potenciály zcela disipují hrozí ztráty vody voda je "konzervována" v ledových krystalech relativně aktivní metabolismus: - vyžaduje přísun energie - vyžaduje koordinaci - je náchylný k poškození metabolismus v hluboké supresi: - umožňuje šetřit energií - nevyžaduje koordinaci - je odolný vůči poškození

8 Mechanismy přežití: Komplexnost aklimačních změn ENVIRONMENTAL FACTORS short days decreasing temperature perception gene expression hormonal milieu developmental mode behaviour energy reserves water balance ion homeostasis ice nucleators & AFPs membrane lipids antioxidants metabolism anaerobic pathways chaperonins cryoprotectants protein activities

9 Mechanismy přežití: Sezónnost, vstup do dormance (diapauzy) molecular model DBT SGGCK2 CRY PDF central pacemaker biological clocks circadian oscillator fly CNS: Drosophila melanogaster :

10 Mechanismy přežití: Prevence ztrát vody (především při podchlazení) Množství a složení kutikulárních lipidů bývá odlišné u nediapauzních a diapauzních stádií kukly Pieris rapae crucivora (bělásek řepový) bílé sloupce: nediapauzní černé sloupce: diapauzní diapauzní kukly P. rapae mají několikrát silnější vrstvu uhlovodíků na povrchu kutikuly: nediapauzní kukly:tloušťka 11 nm diapauzní kukly:tloušťka 195 nm mění se i kvantitativní zastoupení jednotlivých uhlovodíků: diapauzní kukly: 29:0  29:1  31:1  Snižuje se podíl osmoticky aktivní, tzv. "volné" vody akumulací hydrofilních polymerů - glykogen (sval, tukové těleso) - hexamerní proteiny (hemolymfa) - LEA proteiny akumulací osmolytů - volné aminokyseliny (prolin) - cukry (trehalóza, glukóza,...) - polyoly (glycerol, sorbitol,...) Voda v hemolymfě slouží jako pufrační zásoba Může se vytvářet pufrační (?) zásoba vody v zadním střevě (rektum) Metabolická suprese vede k zpomalení frekvence dýchání a tedy i k nižším respiračním ztrátám vody Kaneko and Katagiri, 2004 Naturwissenschaften 91,

11 Mechanismy přežití: Iontová homeostáza hmyz, přezimující v podchlazeném stavu udržuje iontovou homeostázu Kostal et al., 2004 J. Exp. Biol. 207, Kostal et al., 2006 Comp. Biochem. Physiol. B143, chladová aklimace tropického hmyzu vede také ke zvýšení schopnosti udržovat iontovou homeostázu Pyrrhocoris apterus Nauphoeta cinerea hmyz, přezimující v promrzlém stavu rychle ztrácí elektrochemické potenciály, ale je schopen opět je rychle generovat po "roztání" Xylophagus cincta Kristiansen and Zachariassen, 2001 J. Insect Physiol. 47,

12 Mechanismy přežití: Metabolismus (aerobióza v podchlazeném stavu) aerobní metabolismus podchlazeného hmyzu je v hluboké supresi (diapauzou a teplotou), ale stále funkční vytvářená energie se spotřebovává patrně především při generování transmembránových potenciálů, popřípadě při biosyntéze a transportu kryoprotektantů Glycogen Glucose-1-P Glucose-6-P Fructose-6-P Fructose-1,6-bis-P 6-P-Glucono- lactone Glucose Fructose RiboseRibulose TCA cycle GPase (a+b) G 6 P-DH AR NADPH PDH NAD+ ATP PFK-1 NADPHNADP+ NADH NAD+ CO 2 AR NADPH PDH NAD+ nediapauzní (aktivní) jedinci: glykolýza/  -oxidace  TCA  energie diapauzní jedinci za nízkých teplot: aktivizace glykogen fosforylázy za teplot pod 5°C KR NADPH vyšší aktivita glukózo-6P-dehydrogenázy vyšší produkce NADPH vyšší aktivita aldózo reduktázy specifická aktivita ketózo reduktázy inhibice aktivity fosfofruktokinázy zablokování toku uhlíku k TCA aktivizace pentózového cyklu biosyntéza ribitolu a sorbitolu R I B I T O L S O R B I T O L zpomalení katabolické aktivity polyol dehydrogenázy při nedostatku NAD+ Kostal et al., 2004 J. Insect Physiol. 50, Pyrrhocoris apterus akumulace ribitolu a sorbitolu

13 Mechanismy přežití: Biosyntéza a akumulace kryoprotektantů vysoké koncentrace (> 1 mol.L -1 ) - koligativní deprese bodu tání - snížení bodu podchlazení - oddálení promrznutí Ips acuminatus Gehrken, 1985 J. Insect Physiol. 31, mol = -1.86°K nízké koncentrace ( ca. 0.1 mol.L -1 ) - zanedbatelný koligativní efekt - přesto zezónní průběh akumulace dobře koreluje s chladovou odolností 250 ug 500 ug 2 uL diapause adult (pre-acclimated) conc.: 2.5  83.1 mmol.L -1 SCP: constant -18.0°C survival at -14°C/3 d: 13.3  41.5 % Kostal et al., 2001 Comp. Biochem. Physiol. B130, preferenční vytěsnění kryoprotektantů (disacharidy oranžově a prolin černě) z domény proteinu vede k preferenční hydrataci proteinu (N) a stabilizaci jeho funkční konformace hydratačním obalem Gekko and Timasheff, 1981 Biochemistry 20,

14 Mechanismy přežití: Syntéza "Antifreeze Proteins" (AFPs) poprvé objeveny u antarktických ryb (DeVries, 1971) později nalezeny rovněž u hmyzu (Duman, 1977) v současnosti prokázány u ca. 50-ti druhů hmyzu, roztočů, pavouků a stonožek funkční podstata spočívá patrně v nevazebné interakci (adsorpci) repetitivních sekvencí proteinu na povrch ledového mikrokrystalu, a tím v zabránění připojování se dalších molekul vody,  oddálení krystalizace  stabilizace metastabilního podchlazeného stavu počítačová simulace funkce AFP I proteinu madura/research/index.html Kristiansen and Zachariassen, 2001

15 Mechanismy přežití: Syntéza "Protein Ice Nucleators" (PINs) LÉTO ZIMA podchlazení zmrznutí intra-celulární a intra-luminární nukleátory sezónně syntetizované nukleátory v hemolymfě poprvé objeveny u epifytických bakterií (Maki et al., 1974) později nalezeny rovněž u hmyzu (Duman, 1978) kooperativní agregace INAs zvyšuje nukleační aktivitu scanning tunneling mikrofoto druhy hmyzu, které spoléhají na strategii promrznutí, je aktivně syntetizují a ukládají v hemolymfě před příchodem chladného období při poklesu teploty nehluboko pod 0°C promrzají Yeung et al., 1991 J. Vac. Sci. Technol. B9, Zachariassen, 1980 J. Comp. Physiol. 140, funkční podstata spočívá patrně ve vytváření "matrice", neboli katalytického povrchu, který je vhodný pro uspořádávání molekul vody do krystalové mřížky ledu

16 Mechanismy přežití: Změny ve složení biologických membrán membrány podchlazeného hmyzu musí zůstat ve funkční, "tekuté" fázi desaturace mastných kyselin "tekutá" fáze "gelová" fáze pokles teploty vložení dvojné vazby (desaturace) do řetězce mastné kyseliny vede ke snížení teploty přechodu z tekuté do gelové fáze membrány, která je z takových molekul složena změny v molekulárním složení membrán jsou velmi komplexní a dosud jen z menší části je umíme adaptivně vysvětlovat Kostal et al., unpublished data Drosophila melanogaster acclimated at:

17 Mechanismy přežití: Změny ve složení biologických membrán membrány promrzajícího hmyzu musí vydržet elastické šoky spojené s dehydratací a musí odolat vzájemnému fůzování při těsném přiblížení po dehydrataci membrány přecházejí do fázového stavu gelu a mohou vzájemně fůzovat disacharidy udržují fázi membrán tekutou a brání jejich fůzi - trehalóza + trehalóza "water replacement" hypothesis Crowe et al., 1987 Biochem. J. 242, 1-10 Chymomyza costata PL composition Kostal et al., 2003 Comp. Biochem. Physiol. B135, Bryant et al., 2001 Seed Sci. Res. 11, 17-25

18 Mechanismy přežití: Integrovaná aktivace ochranných systémů vývojové signály: hormony, mitogeny  environmentální signály: délka dne  přímé faktory prostředí: teplota , (kyslík  ) transkripční faktory: FoxO-P  FoxO aberantní proteiny  teplotní sensory Hik33 (?) sensory kyslíku NADPH oxidáza (?) HSF  trimerizace Rer  Rer-P HIF-1α + 1  dimerizace aktivace přepisu genů: desaturázy MK  erythropoietin  VEGF  enzymy glykolýzy  (anaerobní) p21   proliferace  antioxidanty (SOD, CAT)  šaperony (HSPs)  metallothioneiny  antimikrobiální proteiny  apoptóza  metabolické enzymy  p21   proliferace  šaperony (HSPs)  aktivita: metabolické enzymy  enzymy biosyntézy kryoprotektantů  sinice savci

19 Závěry Chladová odolnost hmyzu: vynikající "výkony" (hluboké podchlazení, přežití promrznutí, přežití při -192°C,...) různé strategie (aktivita, podchlazení, promrznutí,...) minimálně dvoustupňová aklimatizace (změna vývojového programu  chladová aklimace) četné mechanismy fungující jako komplex (kryoprotektanty, AFPs, PINs, membrány,...) integrace na molekulární a buněčné úrovni (evoluční konzervace principů) aplikace (skladování a kryoprezervace, předpovědi mortality nebo změn areálů)

20 Oddělení ekofyziologie Entomologický ústav Biologické centrum AV ČR Branišovská 31, České Budějovice


Stáhnout ppt "Fyziologická podstata přezimování hmyzu aneb Jak zajistit přežití při poklesu tělní teploty Vladimír Košťál Oddělení ekofyziologie Entomologický ústav."

Podobné prezentace


Reklamy Google