Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Stresová fyziologie sinic a řas v polárních oblastech Jana Kvíderová Centrum polární ekologie, PřF JU, České Budějovice Botanický ústav AV ČR, v.v.i.,

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Stresová fyziologie sinic a řas v polárních oblastech Jana Kvíderová Centrum polární ekologie, PřF JU, České Budějovice Botanický ústav AV ČR, v.v.i.,"— Transkript prezentace:

1 Stresová fyziologie sinic a řas v polárních oblastech Jana Kvíderová Centrum polární ekologie, PřF JU, České Budějovice Botanický ústav AV ČR, v.v.i., Třeboň 2015

2 Sinice a řasy -Jedny z nejstarších organismů na planetě -Mikroskopické (~1 µm, sinice Prochlorococcus) až makroskopické (~ 100 m, chaluha Macrocystis pyrifera ) -Adaptace na různé podmínky -Změny morfologie, fyziologie a biochemie v závislosti na vnějších podmínkách -Modelové organismy pro studování mechanismů aklimatizace/adaptace na různých úrovních Úvod

3 Adaptace, aklimatizace, aklimace… Definice (Elster (1999) Enigmatic microorganisms and life in extreme environments) : Adaptace -Geneticky fixovaná odpověď na vnější podmínky Aklimatizace -Odpověď na sporadické extrémní podmínky, která není geneticky fixována Aklimace -Odpověď na podmínky laboratorní kultivace -Dočasné zvýšení resistence (Procházka et al. (1998) Fyziologie rostlin) Úvod

4 Extrémní podmínky -Extrémní z pohledu lidí (Kristjasson et Hreggvidson (1995) World J Microbiol Biotechnol) teplota 40 °CpH 8.5 salinita > ~ 35 ppt (mořská voda) - Hranice, za kterou se již organismy nemohou úspěšně přizpůsobit (Friedmann (1993) Trends in Microbial Ecology, Boston (1999) Ad Astra) - „Poikiloenvironment“ s náhodnými, opožděnými nebo zřídka se vyskytujícími podmínkami pro optimum daného druhu (Gorbushina et Krumbein (1999) Enigmatic microorganisms and life in extreme environments) - Objektivně extrémní, ale stabilní a „okrajové“ nestabilní podmínky (Elster (1999) Enigmatic microorganisms and life in extreme environments) Úvod

5 Extrémní podmínky Faktory přispívající k extrémizaci prostředí (upraveno dle ESF (2007) Investigating life in extreme environments) FaktorZnámý spodní limit Známý horní limit Sinice a řasy Teplota-18 °C113 °C-18 – 75 °C pHnegativní13.20 – 13 Koncentrace soli0Nasycení0 – 5 mol.l -1 Dostupnost vody0 mm srážekjen ve voděa w = Koncentrace kyslíkuBez kyslíku2 – 3x saturace0 – 3x saturace Koncentrace živinDestilovaná voda proměnný Toxické látky0proměnný UV záření/světloBez UVproměnný Tlak260 hPa117 MPa - Prostředí, kde hodnoty jednoho či více parametrů jsou stále blízko spodního či horního známého limitu života (ESF (2007) Investigating life in extreme environments) Úvod

6

7 Stresové faktory a možnosti obrany Stresové faktory polárních oblastí - Abiotické - fyzikální - Nízká teplota - Zamrzání - Nadměrné záření - Mechanické účinky větru - chemické - Vysychání - Hypoxie/anoxie - Nedostatek živin - Nadbytek iontů - Toxické kovy a organické látky - Biotické - Herbivorie - Patogeny - Parazitismus - Alelopatie Stres a stresová reakce

8 Př. Stresové faktory kryosestonu -Nízká teplota -Cykly zamrzání a tání -Vysoké a variabilní PAR -Vysoké a variabilní UVR -Limitace živinami Průběhy teploty vzduchu a sněhu, PAR a UVR na sněžném poli na Luční hoře. Kvíderová (2010) Arct Antarct Alp Res. Společenstvo sněžných řas, Luční hora, Krkonoše, červen Stres a stresová reakce

9 Stresové faktory a možnosti obrany Možnosti obrany – pasivní odolnost/modulační reakce - Vyhnutí se stresu (stress avoidance) -únik - úkryt -pasivní zabránění vstupu stresu do buňky -morfologické modifikace - načasování životních cyklů a produkce dormantních stádií - Vytváření konsorcií Životní cyklus sněžné řasy Chloromonas polyptera. Modifikováno podle Gamache (1991) M.Sc. Thesis, Institut National de la Recherche Scientifique, Jones (1991) Seasonal snowpacks. Processes of compositionsl change a Hoham et al. (1983) Can J Bot. Stres a stresová reakce

10 Stresové faktory a možnosti obrany Možnosti obrany - aktivní odolnost/modifikační reakce - Obranné mechanismy (stress tolerance) -stresová reakce na daný faktor -poplachová fáze -restituční fáze -fáze otužování -fáze maximální odolnosti -fáze vyčerpání - fyziologické změny - biochemické změny Syntéza ochranných pigmentů u zygospory (cysty) sněžné řasy Chloromonas brevispina. Stres a stresová reakce

11 Obecný průběh stresové reakce Obecný průběh stresové reakce. Podle Procházka et al. (1998) Fyziologie rostlin. 1. Poplachová fáze - Narušení buněčných struktur a funkcí - Signalizace stresu (receptory, signální dráhy) - Pokles odolnosti - Při intenzivním stresu smrt Stres a stresová reakce

12 2. Restituční fáze -Mobilizace kompenzačních mechanismů -Opravy poškození -Postupné zvyšování odolnosti na normální úroveň Obecný průběh stresové reakce Obecný průběh stresové reakce. Podle Procházka et al. (1998) Fyziologie rostlin. Stres a stresová reakce

13 3. Fáze otužování -Kompenzační mechanismy aktivní -Zvýšení odolnosti nad úroveň běžných podmínek Obecný průběh stresové reakce Obecný průběh stresové reakce. Podle Procházka et al. (1998) Fyziologie rostlin. Stres a stresová reakce

14 4. Fáze maximální odolnosti -Kompenzační mechanismy aktivní -Maximální odolnost, obvykle nad úrovní běžných podmínek -Závislost délky fáze na dávce a době expozice Obecný průběh stresové reakce Obecný průběh stresové reakce. Podle Procházka et al. (1998) Fyziologie rostlin. Stres a stresová reakce

15 5. Fáze vyčerpání -Při dlouhodobém a intenzivním stresu -Vyčerpání zásobních látek -Pokles odolnosti, i pod úroveň běžných podmínek -Někdy smrt, zejména v trvale nepříznivých podmínkách Obecný průběh stresové reakce Obecný průběh stresové reakce. Podle Procházka et al. (1998) Fyziologie rostlin. Stres a stresová reakce

16 -Efekt = dávka × koncentrace -variabilita v intenzitě stresu Průběh stresové reakce Možné průběhy stresových reakcí. Beck et Lüttge (1990) Biologie in unserer Zeit. Stres a stresová reakce

17 Obecné příznaky stresu -Pokles růstové rychlosti až zastavení růstu -Změny rychlosti metabolismu -mírný stres - zvýšení -silný stres - pokles -Aktivace obranných reakcí - procesů adaptace/aklimatizace -obecné reakce - př. syntéza chaperonů (HSPs) -specifické reakce - př. chromatická adaptace sinic Stres a stresová reakce

18 Hlavní stresové faktory polárních oblastí - Nízká teplota - Cykly zamrzání a tání - Záření - Vysychání - Nedostatek živin Hørbybreen, Petuniabukta, Svalbard. Stres a stresová reakce

19 Mikroklima v kopečkové tundře Průměrná teplota -celoroční -1.0 °C -vegetační sezóna +3.7 °C Minimální teplota -celoroční -8.5 °C -vegetační sezóna -1.4 °C Maximální teplota -celoroční 13.3 °C -vegetační sezóna 13.3 °C  Experimentální lokalita v kopečkové tundře, Petuniabukta, Svalbard.  Roční průběh teplot v kopečkové tundře, Petuniabukta, Svalbard. Nízká teplota Teplotní charakteristiky v Petuniabukta

20 Psychrofil -Optimum pro růst 0 – 15 °C -Horní limit růstu < 20 °C -Obvykle řasy Psychrotrof -Spodní limit růstu 0 – 5 °C -Optimum pro růst > 15 °C -Horní limit růstu > 20 °C -Obvykle sinice × Mezofil -Spodní limit růstu > 5-10 °C -Optimum pro růst °C -Horní limit růstu > 20 °C Typy organismů Rozdělení organismů dle nároků na teplotu. Schéma: McGraw Companies, Inc., modifikováno a doplněno. Nízká teplota

21 CCA diagram závislosti růstu polárních půdních druhů podobných rodu Chlorella na teplotě a ozářenosti. Shukla et al., in prep. Teplotní nároky polárních půdních řas Nízká teplota

22 -Zpomalení rychlostí chemických reakcí  zpomalení růstu, metabolických reakcí i opravných mechanismů -Delší doba existence škodlivin, př. kyslíkových radikálů -Narušení struktury buněčných membrán -Narušení stability proteinů Účinky nízkých teplot Nízká teplota

23 -Membrány -Zachování fluidity membrány zvýšením podílu polynenasycených mastných kyselin, cis-dvojných vazeb a methylového větvení, zkrácení řetěyců mastných kyselin -Proteiny -Modifikace struktury -Enzymy -Vyšší aktivita enzymu v nižších teplotách -Větší množství enzymu (RUBISCO) -Syntéza specifických proteinů -Heat shock proteins (HSPs) -Cold shock proteins (CSPs) -Cold adaptation proteins (CAPs) MK% 14: : : : : : : : : : : : : :65.5 Složení mastných kyselin Chlamydomonas nivalis. Řezanka et al. (2008) Phytochemistry. Obranné mechanismy Nízká teplota

24 - Ribosomy - nízká teplota: nízká rychlost translace, více volných AA-tRNA, A-místo blokováno -vysoká teplota: vysoká rychlost translace, méně volných AA-tRNAs, A-místo prázdné - Membrány -koncentrace (p)ppGpp -syntéza proteinu, fosforylace a defosforylace -fosforylace lipopolysacharidů -Ca-kanály -Nukleové kyseliny -nízká teplota: zvýšení negativního nadšroubovicového vinutí (supercoiling) -DnaK (molekulární chaperon) -nízká teplota: vyšší množství volného DnaK -vysoká teplota: nižší množství volného DnaK Buněčné teploměry Nízká teplota

25 -Udržení procesů vázaných na membránu (fotosyntéza a respirace) -Zachování fluidity membrány -Zvýšení podílu nenasycených mastných kyselin -Zvýšení podílu of cis-dvojných vazeb -Zvýšený podíl methylového větvení -Zkracování řetězců mastných kyselin MK% 14: : : : : : : : : : : : : :65.5 Složení mastných kyselin Chlamydomonas nivalis. Řezanka et al. (2008) Phytochemistry. Membrány Nízká teplota

26 -Rozklad struktury proteinu v nízkých teplotách -hydrofobní interakce pro stabilizaci struktury lokalizovány uvnitř proteinu -polární a iontové interakce na povrchu -v nízkých teplotách iontové a polaní interakce silnější než hydrofobní  rozpad struktury -Zachování enzymatické aktivity psychrofilů a psychrotrofů -Vyšší aktivita enzymu v nižších teplotách -Větší množství enzymu (RUBISCO) Struktura a funkce proteinů Nízká teplota

27 -Molekulární chaperony -Vysoce konzervovaný mechanismus podobný u všech mikroorganismů -Rovněž indukovány jinými stresy -Syntéza indukována tepelným šokem -U organizmů adaptovaných na chlad syntéza při nižší teplotě Heat shock proteins (HSPs) Nízká teplota

28 -Vyšší počet u organismů adaptovaných na chlad -Transkripce and translace -Cold acclimation proteins (CAPs) spolu s CSPs nezbytné pro růst -2 třídy CSPs -Třída I CSPs -Přítomny v nízkých koncentracích při běžné teplotě -Více než 10-násobné zvýšení koncentrace pro chladovém šoku -Třída II CSPs -Přítomny v určitých koncentracích při běžné teplotě -méně než 10-násobné zvýšení koncentrace pro chladovém šoku Cold Shock Proteins (CSPs) Nízká teplota

29 Cykly zamrzání a tání - Začátek a konec vegetační sezóny -Denní teploty >0°C, noční <0°C, obvykle spojené s cykly světlo-tma -Pomalý proces: jednotky °C h -1 -Mnoho stresových faktorů -Změny teploty -Změny obsahu vody a jejích fází -Změny koncentrací látek, srážení, změny pH -Mechanické poškození Zamrzání a tání

30 Procesy během zamrzání. Podle Tanghe et al. (2003) Adv Appl Microbiol. Zamrzání Zamrzání a tání

31 Tání Procesy během tání. Podle Tanghe et al. (2003) Adv Appl Microbiol. Zamrzání a tání

32 -Mechanické poškození buněčných struktur a membrán ledovými krystaly -Poškození buňky osmotickým odtokem/přítokem vody -Produkce reaktivních druhů kyslíku -Cíle poškození -Proteiny -Lipidy -Nukleové kyseliny Hlavní poškození buněk Zamrzání a tání

33 - Obecné -trehalosa – strabilizace membrán a proteinů -molekulární chaperony (př. HSPs) – stabilizace a oprava makromolekul -Plasmatická membrána -fluidita - PUFAs + steroly a fosfolipidy -permeabilita - akvaporiny - Oxidační poškození -SODs, peroxidázy, katalázy -Osmotický stres -kompatibilní roztoky – stabilizace osmotického prostředí -aminokyseliny: prolin, glycin-betain -sacharidy: trehalosa, fruktany, polyoly -Hydrophiliny - ochrana enzymů během ztráty vody -LEA proteiny – vysoce hydrofilní Obranné mechanismy Zamrzání a tání

34 -Antifreeze proteiny -Antifreeze glykoproteiny -Snížení bodu zamrznutí -Ochrana membrán -Proteiny pro nukleaci ledu -Indukce nukleace při relativně vysokých teplotách -Ochrana před teplem uvolněným během zamrzání -Indukce nukleace extracelulárního ledu -Sinice a řasy – šparná nukleační aktivita Spektra nukleace ledu sněžných řas. Kvíderová et al., Cryoletters, posláno. Zabránění tvorby ledových krystalů Zamrzání a tání

35 - Velmi variabilní - Vyšší podíl UV záření → Cheopsfjellet v Petuniabukta – různé světelné podmínky. Záření v polárních oblastech ↑ Změny ozářenosti během sledování L/D cyklů mikrobiálních biofilmů. Ikona nad vrcholem označuje převládající počasí.    Záření (VIS a UV)

36 Vliv záření na organismy -Stimulátor vývoje = fotokybernetické účinky -Zdroj energie = fotoenergetické účinky -Poškození = fotodestrukční účinky Sluneční spektrum a absorpční spektra fotosyntetických pigmentů. Kiang et al. (2007) Astrobiology. Záření (VIS a UV)

37 -Stimulátor vývoje -2 oblasti -UV  modrá – blue light receptors -Červená  IR – fytochromy (F r, F fr ) -Fototropismus – stimulace biosyntéz -Fotoindukce – např. kvetení -Fotomorfogeneze – struktura buněk -Synchronizace vývoje -Fotoperiodismus Fytokybernetické účinky Záření (VIS a UV)

38 -Zdroj energie pro život na povrchu -Fotosynteticky aktivní záření (FAR (cz), PAR (en) ) -Rozsah 400 – 700 nm Fotoenergetické účinky - FAR Sluneční spektrum a absorpční spektra fotosyntetických pigmentů. Kiang et al. (2007) Astrobiology. Záření (VIS a UV)

39 -Využito (téměř) celé spektrum -Ubránění (téměř) všem výkyvům -Kolísaní ve vodním sloupci -povrch/horní vrstvy – poškození buněk -hloubka – limitace světlem -Spektrální složení záření kolísá na základě optických vlastností vody -Změna intenzity a spektrálního složení záření ve vodním profilu  pásy o specifickém druhovém složení -Při extrémně nízké ozářenosti (> 1 W m -2 ) plynulý přechod k heterotrofii Fotoenergetické účinky Záření (VIS a UV)

40 -Fotosyntéza = zdroj energie pro všechny povrchové ekosystémy Země -Světelné reakce -transport elektronů v membráně thylakoidu -Temnotní reakce -fixace CO 2 v chloroplastu Fotosyntéza Záření (VIS a UV)

41 Světelné reakce fotosyntézy Schéma přenosu elektronů v membráně thylakoidu. Záření (VIS a UV)

42 Calvinův cyklus. Falkowski et Raven (2007) Aquatic photosynthesis. Struktura RUBISCO. Voet et Voetová (1995) Biochemie. -Calvinův cyclus -Na 1 CO 2 : -2 NADPH + H + -3 ATP -RUBISCO Temnotní reakce fotosyntézy Záření (VIS a UV)

43 Parametry: P max = maximální rychlost fotosyntézy  = počáteční sklon R d = temnotní respirace I K = kompenzační ozářenost I S = saturační ozářenost PE křivka 0  I S » rychlost fotosyntézy závisí na ozářenosti (limitovaná světlem; light- limited) > I S » rychlost fotosyntézy je saturována a není ovlivněna ozářeností (světlem saturovaná;light-saturated) > > I S (obvykle nad 1000 µmol.m -2.s -1 ) » možný pokles rychlosti fotosyntézy (fotoinhibice; photoinhobition) Záření (VIS a UV) -Závislost rychlosti fotosyntézy na ozářenosti

44 Změny parametrů PE křivky rozsivky Skeletonema costatum v různých režimech ozářenosti. Anning et al. (2000) Limnol Oceanogr. Příklady PE-křivek Záření (VIS a UV)

45 Limitace fotosyntézy -Rychlost reakcí enzymů Calvinova cyklu -Rychlost přenesu elektronů v membránovém řetězci přenosu elektronů -akceptorová strana PS 2: Q A  Q B -donorová strana PS 2: S 3  S 0 -Rychlost turn-overu membránových proteinů a enzymů Fotoinhibice Záření (VIS a UV)

46 -Méně citlivá na teplotu než respirace -Pokles rychlostí difúze -Pokles rychlosti přenosu elektronů a rychlosti enzymatických reakcí -Pokles stability proteinů → Nižší saturační ozářenost → Fotoinhibice při nízkých ozářenostech Fotosyntéza za nízkých teplot Záření (VIS a UV)

47 -Dočasné reakce -Adaptace na aktuální podmínky -Pohyb buněk a chloroplastů -Shlukování buněk -Migrace -Bičíkovci -Planktonní sinice – plynové měchýřky -Rozsivky - oleje -Diurnální změny -Sezónní změny -Roční cykly – geneticky fixované -Střídání populací Pohyb buňky Micrasterias rotata při nízké/vysoké ozářenosti. Trojánková et Přibyl (2006) Czech Phycol. Hloubka, ve které bylo pozorováno společenstvo sněžných řas na Luční hoře. Kvíderová (2010) Arct Antarct Alp Res. Možnosti obrany – pasivní odolnost Záření (VIS a UV)

48 -Změny ve struktuře fotosyntetického aparátu -Dlouhodobé, výjimečně krátkodobé reakce -Adaptace na průměrné podmínky -Různé mechnismy aklimatizace/adaptace -Kvalita světla (spektrální složení) -Kvantita světla (intenzita) -Závislost na fázi životního cyklu -Bičíkovci – malý rozsah modifikačních reakcí, preferována migrace -Cysty – výhradně modifikační reakce, dynamická reakce na světelné podmínky Možnosti obrany – aktivní odolnost Záření (VIS a UV)

49 -Aklimatizace ke kvalitě světla -Komplementární chromatická adaptace (sinice) -State transitions -Stoichiometrie fotosystémů -Aklimatizace ke kvantitě světla -Systém Chl a/Chl b (světlo - stín) -Systém fykobilisomů -Stoichiometrie fotosystémů -Opravný cyklus fotosystému 2 při silném světle -Xanthofylový cyklus Možnosti obrany – aktivní odolnost Záření (VIS a UV) Změny ve složení a koncentraci pigmentů u sněžné řasy Chloromonas sp. pěstované v různých ozářenostech. Vysoká ozářenost Nízká ozářenost

50 1. Komplementární chromatická adaptace -Úroveň světlosběrných pigmentů -Sinice, možná ruduchy -Červené světlo  zelené buňky (více fykocyaninu) -Zelené světlo  červené buňky (více fykoerytrinu) -3 skupiny sinic - de Marsac (1977) -Skupina 1: bez chromatické adaptace -Skupina 2: modifikace syntézy fykoerytrinu -Skupina 3: modifikace syntézy fykoerytrinu a fykocyaninu -Systém chl a/b u fytoplanktonu -Systém siphonaxanthin- siphonein u siphonálních mořských řas Aklimatizace ke kvalitě světla Záření (VIS a UV)

51 Model přenosu signálu v kompementární chromatické adaptaci u sinic. Fujita et al. (2001) The molecular biology of cyanobacteria. Aklimatizace ke kvalitě světla 1. Komplementární chromatická adaptace Záření (VIS a UV)

52 2. State transitions -Úroveň světlosběrných pigmentů -Rychlá regulace distribuce energie -Přesun anténních komplexů mezi fotosystémy podle spektrálního složení světla -Řízeno redoxním stavem plastochinonu Mechanismus state transitions. Allen (2003) Science. Aklimatizace ke kvalitě světla Záření (VIS a UV)

53 3. Stoichiometrie fotosystémů -Úroveň přeměny energie -Dlouhodobá aklimatizace -Světlo absorbované anténami  více PS2 -Červené světlo  více PS1 -Regulace syntézy PS1 pomocí PQ pool – cyt b 6 /f cyklu Záření (VIS a UV) Aklimatizace ke kvalitě světla

54 1.Systém Chl a/b -Úroveň světlosběrných pigmentů -Adaptace “slunce-stín” -Silné světlo  malý světlosběrný systém  nízký obsah pigmentů -Slabé světlo  velký světlosběrný systém  vysoký obsah pigmentů -Potlačení exprese genů Lhc v silném světle díky redoxnímu stavu PQ pool - cytb 6 /f cyklu Záření (VIS a UV) Aklimatizace ke kvantitě světla

55 2. Systém fykobilisomů (PBS) -Úroveň světlosběrných pigmentů -Sinice a ruduchy -Silné světlo  malé PBS -Slabé světlo  velké PBS -Zvýšená redukce velikosti PBS při nedostatku dusíku na silném světle -Komplexní regulační mechanismus Záření (VIS a UV) Aklimatizace ke kvantitě světla

56 3. Stoichiometrie fotosystémů -Úroveň fotosystému -Silné světlo  více PS2 -Slabé světlo  více PS1 -Regulace množství PS1 redoxním statem PQ Záření (VIS a UV) Aklimatizace ke kvantitě světla

57 4. Opravný cyklus fotosystému 2 při silném světle -Úroveň fotosystému -Rychlý obrat molekuly D1 při silném světle (u nás 600 µmol.m -2.s -1 ) -Poločas 30 minut za normálních podmínek -Regulace exprese genu PsbA (pro D1 protein) redoxním stavem cyt b 6 /f a systému ferredoxin-thioredoxin Záření (VIS a UV) Aklimatizace ke kvantitě světla

58 5. Xanthofylový cyklus -Úroveň fotosystému -Sinice, ruduchy, zelené řasy -Neradiační disipitace nadbytku energie absorbované světlosběrným komplexem LHC2 -Řízen nárůstem pH v lumenu při silném světle -Diadinoxanthin a diatoxanthin u Chromofyt a Dinofyt Xanthofylový cyklus zelených řas. Falkowski et Raven (2007) Aquatic photosynthesis. Záření (VIS a UV) Aklimatizace ke kvantitě světla

59 Fotochemie in situ Změny fotochemických parametrů v čase měřené in situ v seepage s nárostem vláknité řasy Zygnema sp za různých světelných podmínek. Záření (VIS a UV)

60 -Elektromagnetické záření vlnových délek 180 – 400 nm -UV-A: nm -UV-B: nm -UV-C: nm -Nutné pro syntézu organických látek v mezihvězdných mračnech -Mutagen a selekční agens v časných stádiích evoluce -Evolučně konzervovaná odpověď -Proniká do hloubky několika metrů Fotodestrukční účinky – UV záření Záření (VIS a UV)

61 Komplexí účinek UV záření na sinice a řasy.Podle Caldwell et al. (1998) J Photochem Photobiol. Vliv UV záření na sinice a řasy Záření (VIS a UV)

62 -Absorbce biomolekulami a využití energie fotochemickými reakcemi -DNA -Lipidy -Proteiny -Inhibice fotosyntetických procesů -Poškození forosyntetických proteinů a enzymů -Oxidace fotosyntetických pigmentů -Narušení metabolismu dusíku -Inhibice asimilace anorganického dusíku -Inhibice nitrogenázové aktivity -Inhibice tvorby heterocytů Záření (VIS a UV) Vliv UV záření na sinice a řasy

63 1. Absorbce biomolekulami a využití energie fotochemickými reakcemi -DNA -produkce dimerů bází (cyklobutan-pyrimidin dimerů a 6-4 pyrimidin-pyrimidol) -hydroxylace cytosinu a uracylu -propojení DNA a proteinu -roztržení řetězce DNA -denaturace DNA -Lipidy -peroxidace lipidů -Proteiny -Porušení disulfidové vazby -Poškození reaktivními druhy kyslíku Záření (VIS a UV) Vliv UV záření na sinice a řasy

64 2.Inhibice fotosyntetických procesů -Inaktivace RC PSII (D1/D2 protein) -Poškození fotosyntetických enzymů (RUBISCO) -Inhibice biosyntézy pigmentů -Oxidace fotosyntetických pigmentů (bleaching), zejména fykobiliproteinů Záření (VIS a UV) Vliv UV záření na sinice a řasy

65 3. Narušení metabolismu dusíku -Pokles obsahu bílkovin -Zvýšení obsahu volných AMK -Inhibice asimilace anorganického dusíku -Inhibice nitrogenázové aktivity -Inhibice tvorby heterocytů -Při nedostatku dusíku menší alokace N do syntézy MAAs u obrněnek Záření (VIS a UV) Vliv UV záření na sinice a řasy

66 -Migrace a výběr stanoviště -Vertikální migrace -Výběr stanoviště -Stavba buňky/kolonie -Velké buňky -Pevné buněčné stěny -Tvorba kolonií -Syntéza ochranných látek -Stínící pigmenty – MAAs, scytonemin, flavonoidy -Zhášení kyslíkových radikálů -Karotenoidy a xanthofylový cyklus -Enzymy – SODs, katalázy, peroxidázy -Opravy poškození DNA a proteinů Strategie obrany k nadměrnému UV záření Záření (VIS a UV)

67 1. Migrace a výběr stanoviště -Vertikální migrace -bičíkovci, sinice, rozsivky -migrace do více stíněných mikroprostředí Hloubka, ve které bylo pozorováno společenstvo sněžných řas na Luční hoře. Kvíderová (2010) Arct Antarct Alp Res. Záření (VIS a UV) Strategie obrany k nadměrnému UV záření

68 1.Migrace a výběr stanoviště -Výběr stanoviště -Pod materiálem absorbujícím UV záření -Pod mrtvými buňkami v biofilmech -Půdní řasy citlivější než řasy ze slunných lokalit -Vysokohorské řasy odolnější Záření (VIS a UV) Strategie obrany k nadměrnému UV záření

69 2. Stavba buňky/kolonie -Chlorofyta méně citlivé než Chromofyta -Pevné buněčné stěny (obvykle obsahující sporopollenin) -Velké buňky (> 20 µm) či kolonie odolnější -Přítomnost zoospor zvyšuje senzitivitu Záření (VIS a UV) Strategie obrany k nadměrnému UV záření

70 3. Syntéza ochranných látek -mycosporinu-podobné aminokyseliny (MAAs) -extra- and intra-celulární -monosubstituované MAAs -310 nm -bisubstituované MAAs -320 – 360 nm -scytonemin -extracelulární -390 nm -sporopollenin -Flavonoidy a k. hydroxy- skořicová Chemická struktura MAAs. Häder (2001) Algal adaptation to environmental stresses Záření (VIS a UV) Strategie obrany k nadměrnému UV záření

71 4. Zhášení kyslíkových radikálů -Karotenoidy -absorpce UV záření -zhášení singletního kyslíku nebo hydroxylových radikálů -Xanthofylový cyklus -deaktivace singletního chlorofylu a -Enzymy -superoxid dismutázy O 2 -  O 2 and H 2 O 2 -peroxidázy H 2 O 2  H 2 O -katalázy 2 H 2 O 2  2 H 2 O + O 2 Záření (VIS a UV) Strategie obrany k nadměrnému UV záření

72 Schéma reakcí, při kterých dochází ke zhášení kyslíkových radikálů. O 2 - superoxid, H 2 O 2 peroxid, OH hydroxylový radikál, HO 2 hydroperoxidový radikál. Převzato z Šantrůček (2008), Hronková (2008) 4. Zhášení kyslíkových radikálů Záření (VIS a UV) Strategie obrany k nadměrnému UV záření

73 5. Opravy poškození DNA a proteinů -DNA -fotoreaktivace – štěpení thyminových dimerů -excision repair – vystřižení poškozené báze -rekombinační oprava – oprava poškozeného řetězce DNA -proteiny -zvýšená rychlost degradace -zvýšená rychlost resyntézy, např. proteiny RC PSII Záření (VIS a UV) Strategie obrany k nadměrnému UV záření

74 -Poměrně časté v mělkých vodních biotopech -Sezonalita -jaro/podzim –vlhko -léto - sucho -Vliv mikroprostředí -př. thufury -vrcholek – suchý po většinu sezóny -báze – vlhká po většinu sezóny Vysychání Vysychání v polárních oblastech

75 Vysychání v kopečkové tundře Dostupnost vody na experimentální lokalitě Roční průběh obsahu vody v půdě v kopečkové tundře, Petuniabukta, Svalbard. Vysychání

76 -Poikilohydrické organismy -tolerantní k vyschnutí -nemají v buňkách vakuolu -také lišejníky, mechy, semena -Ekologicky specifická tolerance -citlivé – planktonní a perifytické druhy -tolerantní – terestrické druhy, klidová stádia -Dlouhodobá tolerance úplného vyschnutí -Př. sinice Nostoc – 100 let -Lišejníky se zelenými řasami mohou využívat i vodní páru ze vzduchu -Lišejníky se sinicemi vyžadují pro růst kapalnou vodu Sinice, řasy a vysychání Vysychání

77 -Obdobné účinky na buňky jako vymrzání či hyperosmotické prostředí -Osmotický stres -Oxidační stres -Smršťování buněk a pokles turgoru -Daná sekvence ustávání metabolických procesů (pro sinici Nostoc) 1.Fixace dusíku 2.Fotosyntéza 3.Respirace Vliv vysychání na sinice a řasy 9 cm T0d T+6d T+10d T+14d Vysychání

78 Vliv vysychání na sinici Nostoc Průběh vysychání u sinice Nostoc. Upraveno z Kvíderová et al. (2011) Fottea. Vysychání

79 -Vytváření extracelulárních struktur -Slizové obaly -Silné buněčné stěny  zásoby vody a zároveň zpomalení ztráty vody -Rychlé obnovení metabolických procesů po rehydrataci -Minuty: respirace -Hodiny: fotosyntéza -Dny: fixace dusíku -Vysoká růstová rychlost po dehydrataci -Vytváření klidových stádií během životního cyklu -Iontová regulace -Akumulace K + -Osmotická regulace -osmoticky aktivní látky (klasifikace dle Reed et al. (1984) J Gen Microbiol) -polyhalinní-euhalinní: sacharosa, trehalosa -metahalinní: glukosylglycerol -hypersalinní: glycin-betain, glutamát-betain -Speciální typy mastných kyselin -Specifické hydrofobní proteiny Obrana proti vysychání Vysychání

80 -Zdroje živin -Atmosférické depozity -Dekompozice organického materiálu -Gradienty: (ultra)oligotrofní až eutrofní vody -(ultra)oligotrofní - nově odledněná moréna -eutrofní - ptačí hnízdiště -Obvyklá limitace N -Při nadbytku N (př. hnízdiště) možná i limitace P -C limitující hlavně ve velmi bazickém prostředí -Druhově specifické požadavky Živiny v polárních oblastech Živiny

81 Koncentrace živin v oligotrofním potoce Petrified Forest Creek (PF), oligotrofní části Ornithologist Creek (OO), v mesotrofní části Ornithologist Creek (MO) a v Z- médiu (M). Číslo u bodů týkajících se média označuje ředění. Kvíderová et Elster, Polar Research, submitted. Živiny Živiny v polárních oblastech

82 -Jezera, mělké biotopy = vsádková kultivace -Nízké průtoky, dlouhá doba zdržení = nulová či velmi nízká rychlost zředění -Zdroj živin ± jednorázový na jaře Živiny v polárních oblastech Živiny

83 -Tekoucí vody = kontinuální kultivace -Vysoké průtoky, krátká doba zdržení = vysoká rychlost zředění -Kontinuální zdroj živin -Chemostat Živiny v polárních oblastech Živiny

84 -Přechody mezi oběma typy -Vliv na druhové složení -Počáteční koncentrace buněk -Rychlost zředění -Kompetice o živiny -Růstová rychlost druhu za daných podmínek -Druhově specifická rychlost příjmu živin Živiny v polárních oblastech Živiny

85 -Saturace růstu při nižších koncentracích -Velký poměr povrch:objem -Aktivní transport živin -Využívání i méně obvyklých metabolických drah -Enzymy: nízká afinita/vysoká rychlost nebo vysoká afinita/nízká rychlost  vysoký obrat -Koncetrování živin - př. CCM -Akumulace živin - př. polyfosfátová zrna -Sinice: fixace atmosférického dusíku Adaptace na nedostatek živin Živiny

86 Živinové nároky polárních řas Porovnání živinových nároků polárního a temperátního kmene zelené řasy Stichococcus bacillaris. Upraveno z Kvíderová et Elster, Polar Research, submitted. Živiny

87 Inhibice růstu polárních kmenů podobných zelené řase Chlorella zvýšenými koncentracemi dusíku. Shukla et al. (2011) Czech Polar Rep. Živiny Živinové nároky polárních řas

88 Odborná literatura zabývající se adaptacemi sinic a řas k extrémním podmínkám -Amils R, Ellis-Evans C, Hinghofer-Szalkay H (eds) Life in extreme environments. Springer, 440 p. -Elster J, Seckbach J, Vincent WF, Lhotský O (eds) (2001) Algae and extreme environments. Nova Hedwigia Beiheft 123, Cramer, 602 p. -Rai LC, Gaur JP (eds) (2001) Algal adaptations to environmental stresses. Springer, 421 p. -Série Cellular origin, life in extreme habitats and astrobiology, Springer: -Seckbach J (1999) Enigmatic microorganisms and life in extreme environments. -Seckbach J (ed) (2007) Algae and cyanobacteria in extreme environmments. Literatura

89 Děkuji za pozornost!


Stáhnout ppt "Stresová fyziologie sinic a řas v polárních oblastech Jana Kvíderová Centrum polární ekologie, PřF JU, České Budějovice Botanický ústav AV ČR, v.v.i.,"

Podobné prezentace


Reklamy Google