Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Metabolizmus sinku Nobel, 1991 Co se děje v sinkové buňce ?? Jsou zde transportní procesy, které ovlivňují chování sinkové buňky?? Regulace související.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Metabolizmus sinku Nobel, 1991 Co se děje v sinkové buňce ?? Jsou zde transportní procesy, které ovlivňují chování sinkové buňky?? Regulace související."— Transkript prezentace:

1 Metabolizmus sinku Nobel, 1991 Co se děje v sinkové buňce ?? Jsou zde transportní procesy, které ovlivňují chování sinkové buňky?? Regulace související s transportními ději ?? Na čem závisí síla sinku ? Vztah zdroj - sink ?

2 Metabolizmus sinku Charakteristika sinku Síla sinku = aktivita sinku x velikost sinku sacharózasyntázainvertázy U vyšších rostlin jsou sacharózasyntáza (SuSy) a invertázy klíčové enzymy regulace rozdělování sacharidů  určují sílu sinku Aktivita sinku závislá na : využití asimilátů pro potřeby růstu a vývoje  Metabolické sinky: apex, mladé, vyvíjející se listy, kořeny, vytvářející se plody, zásobní orgány Metabolické sinky: převážně invertázy Skladovací sinky: převážně SuSy  Skladovací sinky: semena, hlízy, cibulky, skladovací kořeny, stonky, řapíky … Aktivita sinku závislá na :syntéze skladovacích látek – škrob, lipidy, proteiny

3 Metabolizmus sinku Regulace aktivity sacharózasyntázy (SuSy) V CC/SE komplexu – produkce energie pro dotování transportu ?? Produkce ADPG..Syntéza škrobu ?? Degradace sacharózy Syntéza sacharózy Exprese relativně vysoká Exprese v sinku Exprese ve zdroji Exprese relativně nízká Protein akumulovaný v etiolovaných listech degradován na světle během deetiolizace X fotosyntetické enzymy a SPS Př.: Př.: overexprese SuSy u tabáku pod 35S promotorem --- zvýšení celkové biomasy Několik genů s různou expresí (Arabidopsis 6 genů) – rozdíly v inhibici fruktózou Volná a asociovaná s membránou (účast na syntéze buněčné stěny) Př.: Př.: Transgenní brambor se sníženou expresí SuSy – snížení obsahu škrobu a snížení výnosu hlíz Prudký pokles při tranzici sink- zdroj v listu

4 Metabolizmus sinku Velmi složitý systém regulace …. Důležitá funkce Regulace aktivity invertáz Regulace na transkripční a post-translační úrovni  Regulace kinázami/fosfatázami (jak WI, VI), ale různé kinázy s různým regulačním potenciálem, interagující s ABA a cukernou signalizací a interakcí s patogeny.  Kompartmentace vakuolární invertázy do PPV (Precursor Protease Vesicles) Problém.. Množství individuálních invertázových genů, které jsou různě regulovány. Všechny dosud studované rostliny mají 2 vakuolární invertázy ( VI) a několik stěnových invertáz (WI) (6 u Arabidopsis, 9 rýže).  Proteinové inhibitory – tvorba nefunkčního komplexu Regulace exprese závislá na pletivu  Regulace hormony (ABA, GA  aktivitu)  Regulace cukry : většina indukovatelná sacharidy některé cukry reprimovatelné Posttranslační regulace

5 Metabolizmus sinku WAK2 ovlivňuje aktivitu vakuolární invertázy (nikoli stěnové), senzor turgoru, doména s kinázovou aktivitou v cytosolu. 22 členná WAK rodina u Arabidopsis. Huang et al., 2007 WAK: Wall-Associated Kinase invertáza VPE- proteáza aktivovatelná nízkým pH Kompartmentace vakuolární invertázy do PPV (Precursor Protease Vesicles, ER odvozené), následná fúze s tonoplastem, obsah vstupuje do vakuoly. Akce invertázy, postupná degradace nízkým pH aktivovanou proteázou – puls aktivity invertázy. Buněčná stěna plazmatická membrána jádro WAK 2 PPV Regulace aktivity vakuolární invertázy

6 Metabolizmus sinku Syntéza škrobu ve zdroji a sinku zdrojsink chloroplast amyloplast Trióza-P Pi G-1-P ADP-G Škrob Trióza-P Sacharóza G-6-P G-1-P ADP-G Škrob hexózy Pi G-6-P Sacharóza  exprese ADPGázy  špatný růst rostlin (nedostatek sacharózy pro rostoucí b.) Některé rostliny dvě formy ADPGázy (SuSy??) ADP-G G-1-P Sacharóza ADP Cytosolická ADPGaza ??? ADP-G Trióza-P Pi SuSy?? ATP ADP ATP SuSy?? Regulace syntézy : krátkodobá – allosterická inhibice/aktivace dlouhodobá – vývojové změny v expresi enzymů Transgenní rostliny :  exprese v hlízách  snížení výnosu, prorůstání úžlab. pupenů, předčasné kvetení  exprese ADPGázy v hlízách  zvýšení obsahu škrobu v hlízách ATP/ADP translokátor ADP-G/ADP transportér G-6-P/P i translokátor Trióza-P/ P i translokátor ječmen – výjimka ?? Martin  Ludewig, 2007 Bahaji et al., 2011 ADP ! Je SuSy schopná produkovat ADPG, co to znamená ??? 8

7 Lytovchenko et al., 2007 Metabolizmus sinku InvertázaSuSy PGM G-6-P  G-1-P irreverzibilní reakce ?? PGM Poháněč syntézy škrobu ?? ? G-1P + ATP  ADPG + PP i PP i  2P i ? Fetke et al., 2011 PPáza další poháněč syntézy škrobu ?? Arabidopsis typically partitions 30–50% of its photoassimilates into starch

8 Metabolizmus sinku Baroja-Fernandez et al., 2006 Endocytické inhibitory : sníží syntézu škrobu sníží hladinu ADPG, UDPG neovlivní hladinu hexóza-P Žádný efekt inhibitorů při zásobování glukózou Acer pseudoplatanus (buněčné suspenze), disky hlíz bramboru, vyvíjející se endosperm ječmene Žádný konflikt s transportem pomocí transportérů Představa : počáteční fáze transportu (začátek dne) -- transportéry „vrcholná“ fáze transportu --- endocytóza Příjem sacharózy endocytózou

9 Metabolizmus sinku Metabolizmus sacharidů ve skladovacím sinku Účel takto složitých vztahů ?? Efektivní kontrola hladin důležitých meziproduktů G-1-P; G-6-P; F-6-P; F,G, S Tím : regulace syntézy buněčné stěny, respirace, syntézy škrobu, skladování sacharózy, regulace osmotických poměrů ??? Účel takto složitých vztahů ?? Efektivní kontrola hladin důležitých meziproduktů G-1-P; G-6-P; F-6-P; F,G, S Tím : regulace syntézy buněčné stěny, respirace, syntézy škrobu, skladování sacharózy, regulace osmotických poměrů Model čtyř hlavních „futile cycles „ amyloplast vakuola cytosol apoplast Vykládání v plodech rajčete : 1.fáze :rychlý růst, sacharóza vykládána převážně symplastem, SuSy , degradace a resyntéza sacharózy (SuSy, SPS). (Veškerá import. sacharóza rozštěpena během 2 h). Vysoká akumulace škrobu, čistá akumulace škrobu 2.fáze :zpomalení růstu, sacharóza vykládána přes apoplast, degradace apoplastickou invertázou, resyntéza sacharózy v cytosolu, syntéza a degradace škrobu, čistá degradace škrobu Rychlost degradace škrobu konstantní, změna rychlosti syntézy  změna čisté akumulace Kontrolní body: Aktivita ADPGázy Rychlost transportu G-6-P mezi amyloplastem a cytosolem Futile = marný, zbytečný, neplodný, jalový  kontinuální degradace S působením SuSy a resyntéza pomocí SuSy nebo SPS v cytosolu  hydrolýza S ve vakuole invertázou, transport hexóz do cytosolu a resyntéza sacharózy  hydrolýza S v apoplastu, transport hexóz do cytosolu a resyntéza sacharózy  rychlá syntéza a degradace škrobu Nguyen a Foyer, 2001

10 Smith et al., 2005 Metabolizmus sinku Srovnání degradace škrobu v listech, v dělohách klíčních rostlin a endospermu klíčících obilnin. a)Listy : Degradace v chloroplastu, maltóza jako hlavní transportovaný sacharid do cytosolu. b)Dělohy klíčních rostlin: Amyloplastová membrána je rozrušena, škrob je degradován cytosolickými enzymy. Glukanfosforyláza je důležitá při degradaci rozpustných glukanů. Sacharóza je syntetizována z degradovaného škrobu a transportována do kořenů a nadzemních částí semenáčků c)Endosperm obilnin: Jak plastidová membrána, tak plazmalema jsou rozrušeny, škrob je degradován v neživých pletivech. Škrobová zrna jsou atakována  -amylázou přeměněna na maltózu a glukózu. Glukóza a maltóza jsou exportovány z endospermu do štítku, a pak konvertovány na sacharózu, která podporuje růst embrya. Když se sink stane zdrojem …

11 Definovat pomocí: nabídka X poptávka Situace se stává složitější s růstem a vývojem rostliny V čase dochází ke změnám Zdroj  Sink…….. zakládání nových sinků, vyhasínání zdrojů….. Zdroj: udává intenzitu transportu Sink: udává směr transportu X Koncepce zdroje a sinku Obecně: tok asimilátů od zdroje k sinku Zdroj: místo syntézy asimilátů Sink: místo utilizace Jednoduchý vztah – klíční rostlina zdroj: dělohy sink: zejména kořen Neustálé znovuustavování rovnováhy zejména mezi syntézou asimilátů, spotřebou ve zdrojové buňce, transportem a utilizací v sincích Změna zdroj sink v rámci jednoho listu Zdroj X sink Kombinace :fotoautotrofního, mixotrofního a heterotrofního způsobu výživy

12 Zdroj X sink Př. : Př. : Změna zdroj – sink během vývoje bramboru O morfologické změny, ale změny v genové expresi, proteinovém spektru, enzymatických aktivitách zdroj sink zdroj sink zdroj sink Př.: Př.: Změny sink - zdroj během vývoje listu cukrovka – změny listu sink-zdroj asi při % listové expanze exportující list SPS importující list 0 SPS Př.: Př.: Panašované listy – oblasti „zdrojové“ X oblasti „sinkové“ v jedné listové čepeli markery tranzice zdroj X sink

13 Ovlivnění fytohormony Přímé ovlivnění : např. nakládání do floému: stimulace exogenním auxinem, inhibice exogenní ABA; opačný vliv exogenní aplikace na příjem v sinku Nepřímé ovlivnění : ovlivnění zakládání a růstu nových sinků. ovlivnění senescence, vývoje. Ovlivnění vztahů zdroj – sink  vývojové signály (kvetení, tvorba zásobních orgánů.. )  signály o změnách prostředí (zastínění, nedostatek živin, abiotický i biotický stres) …… prostřednictvím hormonů (auxin, cytokininy, ABA, GA), signálních molekul, změn turgoru Řízení síly sinku – komplexní záležitost Př.: Ovlivnění síly sinku u cytokinin-deficientních rostlin Nadzemní část :  obsahu chlorofylu, Ne - ovlivnění fotosyntetické kapacity a účinnosti, obsahu sacharidů  síla zdroje nebyla ovlivněna. ALE sinková pletiva   snížení obsahu NS sacharidů  aktivity vakuolární invertázy  obsahu ATP  silné ovlivnění síly sinku Kořeny: mírné  NS sacharidů, ALE :  ovlivnění glykolýzy, obsahu ATP, a vývoje kořenů  Regulace síly sinku cytokininem se liší v nadzemní části a kořenech

14 Zdroj X sink Př.: Př.: odstranění plodů - změna alokace – často snížení rychlosti transportu – snížení rychlosti fotosyntézy Př.: Př.: zastínění listů, cukrovka, fazole Dlouhodobé změny Krátkodobé změnyZastavení růstu kořenů, přednostní zásobení mladých listů  rychlosti fotosyntézy,  aktivity RUBISCO,  snížení obsahu škrobu,  zvýšení obsahu sacharózy,  transportu z listu, obnovení růstu kořenů. Př.: Př.: Celer: primární produkty fotosyntézy: sacharóza a manitol utilizace sacharóza sacharóza, manitol velmi mladý list rostoucí list dospělý list syntéza sacharóza 0 sacharóza sacharóza sacharóza manitol manitol 16

15 Metabolizmus sinku  osmotický stres Metabolizmus manitolu – ovlivnění stresem manitol + NAD  manóza + NADH +H + manóza + ATP  manóza-6-P + ADP manóza-6-P  fruktóza-6-P manitoldehydrogenáza (MTD) hexokináza (HXK) fosfomanózaizomeráza - Salinita, osmotický stres, nízká konc. Pi, vysoký obsah cukrů + Napadení patogenem, vysoký obsah Pi, nízký obsah cukrů MTD

16 sink X zdroj X Př.: Př.: Rozdělování asimilátů mezi sinky – ovlivnění výnosu - šlechtění bramboru : divoký typ: hlízy 7 % z celkové sušiny rostliny kulturní : 80% -„- O alokaci rozhoduje relativní síla sinku zdroje sink 1 sink 2 sink 3 ……… Rozdělování mezi sinky výnosové parametry vykládání z floému kompartmentaci metabolické aktivitě Závisí na účinnosti : apoplast: symplast metabolizmus v apoplastu spolupráce zdrojů X kompetice sinků Př.: Př.: Jabloň (ale i jiné dřeviny) jarolétopodzim růst listů Zakládání pupenů opylení růst kořenů oplození růst výhonů Růst plodů kompetice růst kořenů  Bujný růst plodů vede k omezení vývoje plodů následující rok Fitnes rostliny

17 Mechanismy podobné kompetici mezi geneticky totožnými částmi rostliny Solidago canadensis (Zlatobýl kanadský) Př.:  Zastíněná část exportuje živiny (např. N) do části, která je může lépe využít

18 Betula pubescens Př.:  Mechanismy, které v celku zvyšují životaschopnost (fitness) rostliny !!! Propojení dvou rostlin houbovými hyfami při mykorhize………..živiny ze zastíněné rostliny osvětlená rostlina stejného (nebo jiného) druhu nezískává Prýt X reprodukční struktury Růst prýtu… kompetice s ostatními rostlinami o světlo Krátkostébalné obilniny, + herbicidy potlačující konkurenční plevele Investice do reprodukčních struktur ….. množitelský potenciál Komporomis

19 Fotosyntéza Pool asimilátů Voda, teplota, světlo, živiny CO 2, Náklady na růst semen Náklady na růst kořenů Náklady na růst prýtu Náklady na růst rhizobií Náklady na růst AM Schema vlivu rhizobialní a AM symbiózy na fotosyntézu Koncentrace P Koncentrace N Stimulace sinkem Stimulace živinami  Rychlost fotosyntézy luskovin inokulovaných rhizobiálními a/nebo AM symbionty vzrostla oproti neinokulovaným rostlinám o 28% (rhizobiální), 14% (AM) a 51 % (kombinovananá inokulace)

20 Koordinace zásobování sacharidem a růstu rostliny Rovnováha mezi: asimilací C  skladováním  růstem Jak toho dosáhnout Pravděpodobná centrální role cukerné signalizace Asimilace C jen na světle dostupnost zdroje C a energie během celého cyklu den-noc (mobilizace škrobu nebo jiných zásobních látek) X ???  Utilizace C se neřídí jednoduše momentálním přísunem asimilovaného C - „předvídání spotřeby během noci“  nutnost existence mechanismů řídících rychlost syntézy škrobu  Degradace škrobu během noci se děje lineárně, rychlostí „předvídající délku noci“  nutnost „měřit“ množství škrobu na konci dne  Změny podmínek prostředí vedou k „vyladění“ asimilace, skladování a spotřeby  nutnost vnímání změn a přizpůsobení metabolizmu Koordinace růstu

21 Arabidopsis thaliana 6 h18 h den noc den 12 h den noc Syntéza a mobilizace škrobu Změna délky dne   změna rozdělování mezi škrob a rozpustné sacharidy ve dne  změna rychlosti mobilizace během noci  Rychle rostoucí genotypy Arabidopsis thaliana „více riskují“ – méně skladují a více získaného C investují do růstu Př.: Př.: sója : 14 h fotoperioda … 60 % asimilátů  škrob 7h -“- 90 % -“- schopnost regulace až do 4 h fotoperiody Smith & Stitt, 2007; Stitt and Zeman, 2012 Koordinace růstu Rostliny při režimu 12/12  malé změny v obsahu cukrů i růstu během denního cyklu

22 Co se stane, když experimentálně náhle prodloužíme délku noci ?  Dojde ke kompletnímu zastavení růstu, zejména kořenů  Zastavení růstu trvá několik hodin po opětném vystavení světlu  Pokud tento režim trvá déle, dojde k ustavení nového rytmu syntézy škrobu a jeho utilizace v noci. Podobné přizpůsobení - reakce na sezónních změny, změny ozářenosti, teploty, dostupnosti vody… Akutní odpověď:Náhlá změna; zastavení růstu Aklimační odpověď: Trvání změny ; vyladění rovnováhy mezi  investicí do škrobu a mobilizací škrobu; obnovení růstu (s nižší rychlostí) Syntéza škrobu a mobilizace škrobu 12h den noc 12h 4h Koordinace růstu 324

23 Stitt and Zeeman, 2012 Důsledky rozdílného podílu investice do růstu rostliny RGR - relativní růstová rychlost – zvýšení biomasy/ jednotku existující biomasy za den Dlouhodobější perspektiva  mírně větší investice do růstu  výrazně vyšší celková biomasa rostliny

24 Většina těchto genů vykazuje denní rytmus transkripce --- jakási příprava na nebezpečí nedostatku cukrů. !!! Tato změna v trankriptech nevede ke změně hladiny enzymů Prodloužení noci vede ke změně transkripce během 4-6 hod, změny v aktivitě enzymů vyžadují několik dní. Vztahy mezi hladinami transkriptů a proteinů. Famine genes Feast genes 12 h/12h6 h/18h Koordinace růstu 4 Jaké signály řídí denní změny v transkriptomu, a jak jsou spojeny s mechanismy koordinujícími C-stav a růst Kandidáti : cirkadienní rytmus, světlo a cukry Jaké signály řídí denní změny v transkriptomu, a jak jsou spojeny s mechanismy koordinujícími C-stav a růst ?? Kandidáti : cirkadienní rytmus, světlo a cukry 30% genů vykazuje denní rytmus transkripce v růžici Arabidopsis. Genová exprese při nedostatku C

25 Většina těchto genů vykazuje denní rytmus transkripce --- jakási příprava na nebezpečí nedostatku cukrů. !!! Tato změna v trankriptech nevede ke změně hladiny enzymů Prodloužení noci vede ke změně transkripce během 4-6 hod, změny v aktivitě enzymů vyžadují několik dní. Vztahy mezi hladinami transkriptů a proteinů. Famine genes Feast genes 12 h/12h6 h/18h Koordinace růstu 4 Jaké signály řídí denní změny v transkriptomu, a jak jsou spojeny s mechanismy koordinujícími C-stav a růst Kandidáti : cirkadienní rytmus, světlo a cukry Jaké signály řídí denní změny v transkriptomu, a jak jsou spojeny s mechanismy koordinujícími C-stav a růst ?? Kandidáti : cirkadienní rytmus, světlo a cukry 30% genů vykazuje denní rytmus transkripce v růžici Arabidopsis. Genová exprese při nedostatku C

26 Většina těchto genů vykazuje denní rytmus transkripce --- jakási příprava na nebezpečí nedostatku cukrů. !!! Tato změna v trankriptech nevede ke změně hladiny enzymů Prodloužení noci vede ke změně transkripce během 4-6 hod, změny v aktivitě enzymů vyžadují několik dní. Vztahy mezi hladinami transkriptů a proteinů. Famine genes Feast genes 12 h/12h6 h/18h Koordinace růstu 4 Jaké signály řídí denní změny v transkriptomu, a jak jsou spojeny s mechanismy koordinujícími C-stav a růst Kandidáti : cirkadienní rytmus, světlo a cukry Jaké signály řídí denní změny v transkriptomu, a jak jsou spojeny s mechanismy koordinujícími C-stav a růst ?? Kandidáti : cirkadienní rytmus, světlo a cukry 30% genů vykazuje denní rytmus transkripce v růžici Arabidopsis.

27 chloroplast cytosol TRX Škrob Trióza-P Pi ADPGáza Fruktóza 6-P Fruktóza 1,6 bis-P Glukóza 1-P ATP PP i ADP-Glukóza Ru-1,5 P 2 Sacharóza 6-P Sacharóza Glukóza 1-P UDP-Glukóza Fruktóza 6-P Glukóza 6-P SPS low SPS high SnRK1 fosfatáza SnRK1 T-6-P T-6-P SnRk1 Nedostatek G-6 -P   SnRk1  dočasné zastavení růstu Přizpůsobení syntézy škrobu po epizodě vyčerpání C SH HS Světlem indukovaná aktivace zprostředkovaná thioredoxinem Cukrem indukovaná aktivace zprostředkovaná thioredoxinem (přes T-6-P) Zvýšení obsahu cukrů, když je obnovena dostupnost C T-6-P  syntéza T-6-P

28 Regulace redox stavem Aktivita transportérů Aktivita  Oxidace Lokalizace transportérů soustředěná do lipidických „raft-like„ domén. Zvýšení interakce protein-protein Aktivita ADPGazy SH HS Aktivita  Redukce Oxidace

29 Regulace při nástupu reproduktivní fáze Náhlá epizoda sucha nebo teplotního stresu  aborce semen v časném stadiu vývoje ! reakce na C hladovění, nikoli přímá reakce na stres samotný- předcházení nesplnitelným nárokům na přísun C při dalším vývoji semene Zahrnuje signalizaci mezi jednotlivými částmi rostliny, a tedy možnost vzájemného vyladění jejich rekce na změnu podmínek prostředí Síť interakcí je v reálu složitější: zahrnuje reakce na další podněty, jako je např. dostupnost živin nebo různá odpověď částí rostliny např. na signály o kvalitě světla Předpoklad : cukry jsou významnou komponentou této signalizační sítě semena založená „před stresem“ a „po stresu“ normálně pokračují ve vývoji Integrace dalších podnětů Koordinace růstu 1 den tmy


Stáhnout ppt "Metabolizmus sinku Nobel, 1991 Co se děje v sinkové buňce ?? Jsou zde transportní procesy, které ovlivňují chování sinkové buňky?? Regulace související."

Podobné prezentace


Reklamy Google