Asimiláty a jejich transport v rostlině Malá fyziologie rostlin (KEBR562), ZS 2012 Asimiláty a jejich transport v rostlině aneb „Od zdroje k jímce“ Tomáš Hájek tomas.hajek@prf.jcu.cz Jiří Šantrůček

Zdroj (source) Asimiláty a jejich transport Syntéza škrobu (v chloroplastech a sacharózy (v cytoplasmě) jsou pochody, které soutěží o triózo- fosfáty: když je koncentace ortofosfátu (Pi) v cytoplasmě vysoká, triózofosfáty se transportují ven z chloropla- stů v přísném stechiometri- ckém poměru za Pi, který jde dovnitř. V cytoplasmě se tak může syntetizovat sacharóza. To se děje více v noci. Na světle, kdy je produkce triózo- fosfátů v chloroplastech veliká a Pi translokátor nestačí, sníží se Pi v cytoplasmě, triózy zůstávají v chloroplastech a syntetizuje se škrob. Škrob v chloroplastech se syntetizuje z triózofosfátů cestou přes fruktóza-1,6-bisfosfát (aldolázová kondenzace, následuje fosfatáza, izomeráza, fosfoglukomutáza). Meziprodukt glukóza-1-fosfát se převádí na ADP-glukózu (nutno ATP) z které se syntázou syntetizuje nerozpustný polymer – škrob tvořící zrna. Pyrofosfatáza hydrolyzuje pyrofosfát (PiPi) na dvě molekuly ortofosfátu (Pi), který je nutný pro Calvinův cyklus. Sacharóza se syntetizuje v cytoplasmě. Analogickou cestou jako v chloroplastu se dojde k UDP-glukóze, kterou spolu s fruktózo-6-fosfátem zpracovává enzym sacharózo-fosfát-syntáza na sacharózu (=disacharid složený z glukózy a fruktózy). Sacharóza je hlavní transportní cukr v rostlinách.

Asimiláty a jejich transport Chloroplasty z buněk pochev cévních svazků kukuřice – TEM snímek. (Taiz+Zeiger 8.15.)

Cesta Cesty translokace asimilátů Asimiláty a jejich transport Floém je pletivo sloužící k transportu asimilátů z místa zdroje (většinou listy) k místům spotřeby nebo zásob (angl. sink, kořeny, vegetační vrcholy, hlízy, plody…). Hlavním vodivým elementem floému jsou buňky sítkovice. Vytvářejí se z dělivého pletiva – tzv. kambia na jeho vnější straně. U rostlin, které druhotně tloustnou (např. dřeviny) floém tvoří lýko. Kromě sítkovic tvoří důležitou součást floému tzv. průvodní buňky. Občas jsou jeho součástí i sklereidy (zpevňují) nebo latex obsahující buňky (laticifers) Řez tříletým kmínkem jasanu (Fraxinus excelsior). Zvětš. 27x. Starší části sekundárního floému nejsou vidět – zbortily se v důsledku rozpínání sekundárních xylémů. Funkční je jen nejnovější kruh floému.

3: Kambium (sekundární meristém) Asimiláty a jejich transport 1: Jádrové dřevo (mrtvé) 2: Bělové dřevo = funkční xylém – transport roztoků z kořenů cevami/cévicemi 3: Kambium (sekundární meristém) 4: Lýko = floém – transport produktů fotosyntézy sítkovicemi 5: Druhotná kůra s borkou na vnější straně

Zdroj Cesta Jímka Nabíjení floému Vybíjení floému Asimiláty a jejich transport Zdroj Nabíjení floému Cesta Jímka Vybíjení floému Asimiláty na místě spotřeby uspokojují požadavky energie a stavebních elementů pro růst a udržování nebo se ukládají v polymerní formě (škrob v amyloplastech, zásobní bílkoviny v proteinových tělíscích) nebo jako neredukující cukry (zejm. sacharóza) ve vakuolách. Asimiláty ze zdroje se transportují proti koncentračnímu gradientu do sítkovic = tzv. „nakládání do“ nebo „nabíjení“ floému (phloem loading). Tím se floém zahustí a začně osmoticky nasávat vodu, která vytvoří tlak a tok floému do místa spotřeby, kde se asimiláty transportují ze sítkovic = vykládání (vybíjení) floému.

Asimiláty a jejich transport Hogberg et al. 2001, Nature: Large-scale forest girdling shows that current photosynthesis drives soil respiration Peter Högberg et al. 2001: Large-scale forest girdling shows that current photosynthesis drives soil respiration. http://www.nature.com/nature/journal/v411/n6839/full/411789a0.html Pro rostliny má tok asilimlátů do kořenů ještě jiný význam. Kořeny vypouštění do půdního prostředí tzv. exudáty, které jednak zlepšují pohyblivost některých živin (zejm. vícemocných kationtů a fosfátu), ale také přiživují půdní mikroorganismy, které pak rychleji rozkládají organickou hmotu v půdě a tím uvolňují v ní vázané živiny, jako N a P.

Javorový sirup – pochází z xylému nebo floému? Biology of Maple Sap Flow: http://employees.csbsju.edu/ssaupe/biol327/lab/maple/maple-sap.htm

Anatomie transportní dráhy Křižovatky cest a asimilátů

Asimiláty a jejich transport: Sítkovice Sítkovice jsou živé buňky s redukovanou funkcí. Nemají jádra a vakuóly, cytoskelet, ribosomy. Obsahují cytoplasmu, mitochondrie, redukované plastidy, ER. Děrované příčné stěny – sítka. Ty propojují nejen buňky, ale i cytoplasmou, čili transportu asimilátů nestojí membrány v cestě. Důležitou roli hrají tzv. doprovodné buňky (Companion cells).

Sítko (sieve element) mezi dvěma sítkovicemi Asimiláty a jejich transport: Sítkovice Sítko (sieve element) mezi dvěma sítkovicemi Doprovodná buňka (Companion cell) Úloha P proteinu = utěsnění (např. hmyzem) poškozených sítkovic. Velký turgorový tlak v sítkovicích. P-protein ucpe sítko dočasně. Možnost znovuzprovoznění. Kalóza – trvalé ucpání (masivní poranění). Beta1,3,-glukan. Doprovodné buňky Mnoho plasmodesmat, mitochondrií (produkce ATP pro aktivní transport sacharózy)

Asimiláty a jejich transport Cesty asimilátů ze zdroje k místu spotřeby sledují anatomické a vývojové dráhy. Distribuce radioaktivity při značení 14CO2 (cukrovka). B: 1 týden po 4 hod značení. Intenzita šedi ukazuje stupeň přítomnosti 14C. C: stejné jako A ale 1 den před značením odstraněny zdrojové listy na opačné straně rostliny. Tentokrát se značka dostane i do mladých listů na opačné straně rostliny. Ne všechny zdroje zásobují všechny spotřebiče. Kritéria: (1) vzdálenost, (2) cévní spojení (preferována vertikální řada listů nad sebou = tzv. ortostichy). Alternativní cesty při poškození – ustanoví se pomocí spojek (anastomóz). .

Asimiláty a jejich transport Cesty asimilátů ze zdroje k místu spotřeby sledují anatomické a vývojové dráhy. Závěry: (1) Horní listy zásobují uhlíkem růstový vrchol, dolní listy transportují asimiláty do kořenů a kořenových hlízek. (2) Existuje propojení mezi floémem a xylémem dopravujícím aminokyseliny (ureidy) transpiračním proudem Vertikální translokace asimilátů v rostlině lupiny jejímž jediným zdrojem dusíku byla symbiotická fixace N2. Je udán poměr obsahu uhlíku k dusíku ve floémové šťávě v daném místě odběru.

Distribuce asimilátů v rostlině – praktické využití Asimiláty a jejich transport Distribuce asimilátů v rostlině – praktické využití Stručné vysvětlení: člověk zvýšil šlechtěním pšenice výnos zrn v klasu asi 30×. Jak se ale ukázalo, množství asimilátů, které jde na tvorbu obilek rovněž velmi vzrostlo, zde asi 13×. Čili šlechtění vedlo ke změně alokace asimilátů, teď jich jde mnohem více do semen než u divokého genotypu (lze určitě předpokládat, že rychlost fotosyntézy je mezi genotypy více méně podobná, možná se trochu zlepšilo hospodaření rostliny s vodou, určitě se zmenšila velikost stébla – sláma se dnes nevyužívá, a hlavně vyšší vzrůst není v monokultuře konkurenční výhodou jako v zapojené travním porostu…). Poučení: zvýšit výnos neznamená zvětšit rostlinu ale upravit alokaci asimilátů.

Strategie translokace asimilátů při stresu a senescenci Asimiláty a jejich transport Strategie translokace asimilátů při stresu a senescenci PP25040.jpg Další děje v rostlině při deficitu vody: Omezení fotosyntézy suchem je pomalejší než expanse listu (obr. 26.4.) a translokace asimilátů je ještě méně citlivá na postupné snižování vodního potenciálu rostliny (obr. 26.5.). To dovoluje rostlinám redistribuovat zdroje při akutním stresu suchem (př. před opadem listů). Transpirace při zavírání průduchů klesá relativně rychleji než fotosyntéza, proto se i zvyšuje účinnost využití vody rostlinou (WUE). V konečné fázi stresu naopak klesá rychleji fotosyntéza. Translokace asimilátů je méně citlivá na postupné snižování vodního potenciálu listu než produkce (rychlost fotosyntézy).

Co se floémem transportuje ? Čím je transport poháněn ? aneb „Co mají rády mšice?“ floém xylém medovice Aphids (= mšice; Hemiptera: Aphididae) are phloem sapfeeding insects that are important pests of plants. Also, several aphids vector plant viral diseases. Aphids utilize their slender stylets, which are modified mouthparts, to consume phloem sap from sieve elements. As depicted in this illustration, the flexible stylet follows an intercellular path to the sieve elements, thereby minimizing wounding damage to plant tissues.

Chemické látky translokované floémem: Asimiláty a jejich transport: Floém Chemické látky translokované floémem: Uhlík: Sacharóza (0,3–0,9 M) a jiné neredukující=málo reaktivní cukry (bez exponované aldehydické nebo keto skupiny). Tedy nikoli glukóza, fruktóza, galaktóza, ale některé oligosacharidy složené z těchto monosacharidů (např. rafinóza=galaktóza+sacharóza) Dusík: aminokyseliny (hlavně glutamát a aspartát) + jejich amidy – glutamin a asparagin Všechny fytohormóny Floémové proteiny (chaperony – stresové proteiny, např. ubiquitin; P-protein: „ošetření“ při poranění vodivého elementu) Anorganické soli (ionty K, Mg, P, Cl) (ne Ca2+ , NO3– ) pH typicky 8–8,5; osmotický potenciál –1,1 až –1,8 MPa Sacharóza sestává z molekuly glukózy a fruktózy (obojí 6 C), které jsou spojeny glykosidickou vazbou. Je důležitým metabolickým produktem všech zelených rostlin, kde slouží jako transportní rozpustný sacharid. Rafinóza je trisacharid, galaktóza spojená se sacharózou. Hojně je obsažena v některé zelenině (luštěniny, zelí, brokolice, kapusta…). Rostliny si s použitím alfa-galaktozidázy rafinózu zase rozloží, ale člověk tento enzym nemá. Zato jej mají bakterie v jeho tlustém střevě, které tak rafinózu metabolizují za vzniku CO2, vodíku, methanu… a dál už to znáte… Kvantita: Rychlost transportu : 30–200 cm/h (přesahuje difusi, stejná pro různě velké látky) Množství transportované látky: 3–10 g m–2 (floému) s–1

Asimiláty a jejich transport: Floém Důsledek syntézy sacharózy ve Zdroji (Souce cell) a její spotřebovávání v„Jímce“ (Sink cell) V listovém parenchymu (Source cell) se syntetizuje Sacharóza, čímž se cytoplazma zahušťuje a klesá její osmotický potenciál (Ψs), což vede k nasávání vody do buňky (ze xylému, po spádu osmotického potenciálu, neboť voda v xylému obsahuje jen minerální látky, proto má vysoký (= nule blízký) Ψs. Tím vzroste i turgor, čili tlak v buňkách. Protože se v meristémech spotřebuje hodně uhlíku (tedy sacharózy) na růst (nebo např. v hlízách na uskladnění škrobu), její sacharózy je zde nízká, čili osmotický potenciál je vyšší (nule bližší). To vede se snížení turgoru, čili roztok sacharózy sem může dále přítékat po spádu tlaků. Fungovala by i difuze po spádu koncentrace samotné sacharózy, ale difuze v kapalině je však mnohem, mnohem pomalejší, cca metr za 30 let, takže klíčový je rozdíl v tlaku buněk a jím hnaný hromadný transport).

F hmotnostní tok asimilátů  rychlost hromadného toku Asimiláty a jejich transport: Floém Hagen-Poiseuillův zákon, rychlost toku v trubici, hydraulický odpor toku, tok asimilátů F hmotnostní tok asimilátů  rychlost hromadného toku A plocha otvorů v sítku C koncentrace asimilátů [m3 s-1] Ekologicko-fyziologické důsledky: hydraulická vodivost L vzrůstá se čtvrtou mocninou poloměru r otvoru v sítku, „vyplatí“ se rostlině mít při nezměněné celkové ploše funkčních sítkovic menší počet širších otvorů v sítku než hodně úzkých ALE: - Současně existuje silný selekční tlak podporující nadbytečnou transportní kapacitu sítkovic protože hrozí velké nebezpečí jejich poškození hmyzem, poraněním apod. (zvlášť u jednoděložných rostlin, které neobnovují kambiální aktivitu, druhotně netloustnou). Poraněná sítka je nutno rychle „ucpat“ P proteiny, kalózou. TEDY: Průměr otvorů v sítku je výsledek fyziologického kompromisu („trade-off“) mezi rychlostí transportu asimilátů (ta roste se zvětšujícím se r a klesá s rostoucí délkou dráhy x) a pravděpodobností poškození např. útokem savého hmyzu. Není atraktivita některých rostlin pro mšice dána také tím, že mají široké sítkovice a sítka protože dráhy jsou dlouhé? Např. zimolez (Lonicera) jako liána. [m s-1] [kg m-3] [m3 s-1Pa-1] [kg s-1] = dynamická viskozita (pro vodu =1·10-3 Pa s= kg m-1 s-1

Apoplastová cesta (vývojově mladší) Asimiláty a jejich transport: Plnění floému Přenos asimilátů do floému – plnění floému (Phloem loading) Apoplastová cesta (vývojově mladší) Sítkovice Průvodní buňky Zde je znázorněn příklad nabíjení v asimilujícím listu. Podobně se ale děje např. v kořenech, oddéncích, semenech při mobilizaci rezerv. Existují dvě rozdílné cesty jak se dostávají asimiláty z parenchymatických buněk do komplexu průvodní buňka-sitkovice: apoplastová a symplastová. Pozoruhodné je, že vývojově starší rostliny používají převážně symplastovou, vývojově mladší (trávy, většina polních plodin) mají málo plasmodesmat mezi parenchymatickými buňkami a komplexem průvodní buňka-sítkovice a používají apoplastovou cestu. Symplatová cesta (vývojově starší) Vývojově mladší rostliny (trávy, většina polních plodin) mají málo plasmodesmat mezi parenchy-matickými buňkami a komplexem průvodní buňka-sítkovice a používají apoplastovou cestu.

Komplex sítkovice-průvodní buňka Asimiláty a jejich transport: Plnění floému apoplastem Komplex sítkovice-průvodní buňka sacharózo-protonový symportér v membráně průvodní buňky

Asimiláty a jejich transport: Plnění floému Řez zakončením svazku cév v listu čeho? (nápověda: jde o u nás dnes nehojnější rostlinu ve své kategorii (co do způsobu fixace C)) v sc cc pc bsc Řez zakončením svazku cév v listu kukuřice (Zea mays): dvě sítkovice, jedna céva, pět cévních parenchymatických buněk (z Plants in Action Fig. 5.22.) sc sítkovice cc doprovodné buňky pc parenchymatické b. bsc buňky pochev cévních svazků v céva

Autoradiogram (vrchní strana listu Beta vulgaris) Asimiláty a jejich transport: Plnění floému Cukrová řepa má na 1cm2 listu asi 70 cm malých cévních svazků (minor veins) a jen asi 5 cm větších (Geiger 1975). K nabíjení v listech dochází hlavně ve svazcích nejnižšího řádu. Tento mechanismus příjmu látek je využíván např. při hnojení na list – minerální i jednoduché organické látky se tak mohou účinně využít, beze ztrát v půdě. To samé u herbicidů. Autoradiogram (vrchní strana listu Beta vulgaris) ukazující, že značená sacharóza se může transportovat z apoplastu do floému. 14C značená sacharóza se aplikovala na vrchní stranu listu řepy, která byla 3 hodiny ve tmě (kutikula odstraněna). Snímek po 30 min. Paralelní cévní svazky dvou řádů a spojovací anastomózy (list pšenice) K nabíjení floému dochází v cévních svazcích nejnižšího řádu, spojkami se asimiláty transportují do svazků vyššího řádu.

Důležité události cukerného metabolismu v jímce Asimiláty a jejich transport: Vyprazdňování floému Důležité události cukerného metabolismu v jímce Sacharóza je nejdůležitější forma cukru, který přichází do jímky přes plasmodesmata nebo apoplast. V apoplastu se může už hydrolyzovat kyselou invertázou na hexózy. Podle druhu rostliny a orgánu se sacharóza metabolizuje přes uridin difosfát glukózu (UDPG) na glukózo-1-fosfát (G-1-P), který se transportuje do amyloplastů a vytváří se z něho škrob. Některé rostliny však nehromadí škrob, ale inulíny. Případně se přenáší protonovým antiportem do vakuól, kde v této formě vytvářejí zásobu energie (kořen cukrovky) nebo se hydrolyzuje na hexózy a ty zůstávají jako zásoba energie (hrozny vína) nebo přecházejí do cytoplasmy a fosforylují se kinázami. V takové podobě jsou metabolizovatelné v glykolýze (respiraci) nebo využitelné pro tvorbu celulózy (růst). Škrob – je směsí amylózy a amylopektinu, oba tyto polysacharidy jsou glukany (tvořeny glukózovými jednotkami). Inulíny – polysacharidy tvořené (převážně) frukózovými jednotkami (fruktany). Na rozdíl od škrobu jsou pro člověka nestravitelné, zato je tráví mikrobiální mikroflora v tlustém střevě, což má podobný efekt jako konzumace zeleniny bohaté na fafinózu (zmíněno o pár snímků dříve). Inulíny ukládají např. rostliny čeledi hvězdnicovitých (Asteraceae) – viz např. hlízy topinamburu (slunečnice hlíznaté), ale hojné jsou také např. v česneku, cibuli, banánech. 24 Plants in Action Fig.5.37

Přenos asimilátů z floému do jímky (Phloem unloading) Asimiláty a jejich transport: Vyprazdňování floému Přenos asimilátů z floému do jímky (Phloem unloading) sc-cc symplast  apoplast  pc symplast Spojení dvou genotypů (symbióza, hlízkové bakterie) Semena – obilniny, bobovité přechod osemení (=mateřské tkáně) v embrio a endosperm (=dceřiná tkáň) vylučuje přítomnost plasmodesmat (2 ATP-ázy pumpují H+ do apoplastu rozhraní; spojeno s antiportem a symportem sacharózy. Osmotické apoplastové rozhraní u zrajících plodů Apoplast osmoticky izoluje sítkovice od stoupající koncentrace cukrů v plodech. Tím zachová tok floémem. Extracelulární invertáza u zrajících plodů hydrolyzuje sacharózu na glukózu a fruktózu, které se pak nemohou vracet zpět do floému. embryo osemení Plants in Action Fig.5.32

Uhlíková jímka v CO2-bohatším světě aneb Zachrání nás rostliny před skleníkovým efektem? nebo naopak: Zachrání nás CO2 před hladem 26

FACE: Free-Air CO2 Enrichment

Uhlíková jímka v CO2-bohatším světě A(sat) – max. rychlost fotosyntézy (světlem saturované) g(s) – stomatální vodivost při A(sat) What have we learned from 15 years of free-air CO2 enrichment (FACE)? A meta-analytic review of the responses of photosynthesis, canopy properties and plant production to rising CO2: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1469-8137.2004.01224.x/full Summary Free-air CO2 enrichment (FACE) experiments allow study of the effects of elevated [CO2] on plants and ecosystems grown under natural conditions without enclosure. Data from 120 primary, peer-reviewed articles describing physiology and production in the 12 large-scale FACE experiments (475–600 ppm) were collected and summarized using meta-analytic techniques. The results confirm some results from previous chamber experiments: light-saturated carbon uptake, diurnal C assimilation, growth and above-ground production increased, while specific leaf area and stomatal conductance decreased in elevated [CO2]. There were differences in FACE. Trees were more responsive than herbaceous species to elevated [CO2]. Grain crop yields increased far less than anticipated from prior enclosure studies. The broad direction of change in photosynthesis and production in elevated [CO2] may be similar in FACE and enclosure studies, but there are major quantitative differences: trees were more responsive than other functional types; C4 species showed little response; and the reduction in plant nitrogen was small and largely accounted for by decreased Rubisco. The results from this review may provide the most plausible estimates of how plants in their native environments and field-grown crops will respond to rising atmospheric [CO2]; but even with FACE there are limitations, which are also discussed. New Phytologist Volume 165, Issue 2, pages 351-372, 18 NOV 2004 DOI: 10.1111/j.1469-8137.2004.01224.x http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1469-8137.2004.01224.x/full#f4

Uhlíková jímka v CO2-bohatším světě DMP – produkce sušiny nadzemní biomasy New Phytologist Volume 165, Issue 2, pages 351-372, 18 NOV 2004 DOI: 10.1111/j.1469-8137.2004.01224.x http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1469-8137.2004.01224.x/full#f8

I tehdy, když zvýšené CO2 stimuluje růst, neznamená to že se trvale ukládá uhlík (větší sink, jímka pro uhlík) (C-pool).

A proč je v podstatě nesmysl nazývat tropické deštné lesy „plícemi planety“?

Shrnutí Triózy se zpracovávají v chloroplastech na škrob nebo v cytoplasmě na sacharózu (neredukující disacharid), který je nejčastější transportní formou cukrů Zdroj (source) v chloroplastech a jímku (sink) v kořenech, růstových zónách, plodech, semenech… spojuje floém tvořený komplexem sítkovice–průvodní buňka a parenchymem. Floém má napojení na xylém a sleduje vývojové dráhy Hybnou silou toku asimilátů ve floému je osmoticky generovaný tlakový rozdíl mezi zdrojem a jímkou Sacharóza se „nakládá“ do floému a „vykládá“ z něj apoplastovou, symplastovou i kombinovanou cestou, specifickou druhově (vývojově), orgánově (semena-oddělené genotypy) i časově (zrání plodů). Oba procesy vyžadují aktivní membránový transport (protonový symport) = energii = ATP Praktické aplikace: výživa (cukr, škrob); genetické modifikace velikosti jímky (výnos); globální bilance uhlíku a klima