Asimiláty a jejich transport v rostlině Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Asimiláty a jejich transport v rostlině Asimilace uhlíku a ostatních minerálních látek a distribuce asimilátů jsou velmi úzce spojené pochody. Rostlina je z tohoto hlediska koordinovaná síť oblastí produkce asimilátů (zdroj = sink) a míst jejich spotřeby a využití (jímka – sink). Tato kapitola bude o síti „zdroj-cesta-jímka“ Jiří Šantrůček Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecká fakulta JU, České Budějovice lab. B353; e-mail: jsan@umbr.cas.cz

Od zdroje k jímce Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Od zdroje k jímce

Zdroj (source) Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Zdroj (source) 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.

Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Chloroplasty z buněk pochev cévních svazků kukuřice – TEM snímek. (Taiz+Zeiger 8.15.)

Cesta Cesty translokace asimilátů Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Cesta Cesty translokace asimilátů 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) Asimiláty ze zdroje se transportují proti gradientu jejich elektrochemického potenciálu do sítkovic = tzv. „plnění“ floému (phloem loading). V místech spotřeby se asimiláty trans -portují ze sítkovic = vykládání vyprazdňování floému. Řez tříletým stonkem jasanu (Fraxinus excelsior). Zvětš. 27x. Starší části sekundárního floému nejsou vidět – zbortily se v důsledku rozpínání sekundárních xylémů. Funkční je jen nejnovější kruh floému.

Jímka (sink) Cesta Zdroj Jímka Vyprazdňováníní floému Plnění floému Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Jímka (sink) Cesta Zdroj Plnění floému Vyprazdňováníní floému Jímka 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 (sacharóza,…) ve vakuólách.

Tok asimilátů floémem – praktické využití Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Tok asimilátů floémem – praktické využití Hogberg et al. 2001, Nature, (girdling)

Nadbytečná transportní kapacita sítkovic? Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Nadbytečná transportní kapacita sítkovic? Kontinuita lýka je nezbytná pro přenos asimilátů. (Mason a Maskell 1928)

Anatomie transportní dráhy Křižovatky cest a asimilátů Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Kudy, kam ? Anatomie transportní dráhy Křižovatky cest a asimilátů

Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Sítkovice jsou živé buňky s redukovanou fukcí. Nemají jádra a vakuóly, cytoskelet, ribosomy. Obsahují nástěnnou cytoplasmu, mitochondrie, redukované plastidy, ER. Děrované příčné stěny – sítka. Důležitou roli hrají tzv. doprovodné buňky (Companion cells).

Sítko (sieve element) mezi dvěmi sítkovicemi, Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Sítko (sieve element) mezi dvěmi sítkovicemi, Průvodní buňka (Companion Cell) Úloha P proteinu = utěsnění po- škozených sítkovic (hmyzem). Velký turgorový tlak v sítkovicích. P-protein ucpe sítko dočasně. Možnost zprovoznění. Kalóza – trvalé ucpání (masivní poranění) Beta1,3,-glukan. Průvodní buňky Mnoho plasmodesmat, mitochondrií – produkce ATP pro aktivní transport sacharózy.

Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Cesty asimilátů ze zdroje k místu spotřeby sledují anatomické a vývojové dráhy. Ne všechny zdroje zásobují všechny spotřebiče. Kritéria: 1/ vzdálenost 2/ cévní spojení (preferována vertikální řada listů nad sebou = tzv. ortostichy). Alternativní cesty při poškození – ustaví se pomocí spojek (anastomóz). Distribuce radioaktivity při značení 14CO2(cukrovka) A: 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.

Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 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 Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Distribuce asimilátů v rostlině – praktické využití Zvýšit výnos neznamená zvětšit rostlinu ale upravit alokaci asimilátů.

Strategie translokace asimilátů při stresu a senescenci Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 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 ? Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Co mají rády mšice ? Co se floémem transportuje ? Čím je transport poháněn ?

Chemické látky translokované floémem: Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Chemické látky translokované floémem: Sacharóza (0,3-0,9 M) (neredukující cukry=bez exponované aldehydické nebo keto skupiny. Tedy ne glukóza, fruktóza! Neredukující jsou méně reaktivní). Alternativně sacharóza vázaná na galaktózu (rafinóza, stachyóza, verbaskóza). Aminokyseliny (hlavně glutamát a aspartát a jejich amidy – glutamin a asparagin) Všechny fytohormóny Floémové proteiny (P-protein, ubiquitin, chaperony) Anorganické soli (ionty K, Mg, P, Cl) (ne Ca2+ , NO3 - ) pH typicky 8-8,5; osmotický potenciál 1,1-1,8 MPa 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

Poslední dva kroky syntézy sacharózy Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Chemické látky transportované floémem: neredukující cukry=bez exponované aldehydické nebo keto skupiny. Tedy ne glukóza, fruktóza! Neredukující jsou méně reaktivní Poslední dva kroky syntézy sacharózy rozkošné chemické vzorce. Láska je prý stejně jen chemie Šeptám ti do ucha horce (Nohavica, Barták 2007) Buchannan et al. 2000

Mechanismus transportu ve floému (OGPF) (Münchova hypotéza, 1930) Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Mechanismus transportu ve floému (OGPF) (Münchova hypotéza, 1930) Plnění floému (loading) OGPF = Osmotically Generated Pressure Flow Vyprazdňování floému (unloading) Tlako-proudá hypotéza: přenos pohání osmoticky generovaný tlakový gradient Jeden z důkazů: transport je obvykle málo citlivý na dodávku energie z tkání na dráze ale hodně citlivý na celkový – systémový - inhibitor (př. kyanid).

Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Jeden z důkazů: transport je obvykle málo citlivý na dodávku energie z tkání na dráze ale hodně citlivý na celkový – systémový - inhibitor (př. kyanid).

F hmotnostní tok asimilátů  rychlost hromadného toku Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 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 jsou dlouhé dráhy? 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

Přenos asimilátů do floému – nabíjení floému (phloem loading) Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Přenos asimilátů do floému – nabíjení floému (phloem loading)

Přenos asimilátů do floému – plnění floému (phloem loading) Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Přenos asimilátů do floému – plnění floému (phloem loading) 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 (pc) a komplexem průvodní buňka-sítkovice (cc-sc) a používají apoplastovou cestu. Vývojově starší 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 (pc) a komplexem průvodní buňka-sítkovice (cc-sc) a používají apoplastovou cestu. (Důkaz pomocí inhibitoru transportu apoplastem PCMBS (= para-chlormercuribenzensulfonic acid)

bsc pc pc v sc sc bsc cc pc pc pc bsc Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 sc sítkovice cc doprovodné buňky pc parenchymatické b. bsc buňky pochev cévních svazků v céva bsc pc pc v sc 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 Řez zakončením svazku cév v listu ?? bsc cc pc pc pc bsc

Autoradiogram (vrchní strana listu Beta vulgaris) Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 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. 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 plnění floému dochází v cévních svazcích nejnižšího řádu, spojkami se asimiláty transportují do svazků vyššího řádu.

a) symplastového plnění Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Nevyřešené problémy: a) symplastového plnění - v sítkovicích je větší koncentrace cukrů než v buňkách mezofylu. Jak je to možné při výlučném transportu přes plasmodesmata? fruktóza glukóza rafinóza stachyóza sacharóza galaktóza b) apoplastového plnění: - Jak se dostane sacharóza do apoplastu? Grusak et al. 1996, Plant in Action Fig. 5.25.

Komplex sítkovice-průvodní buňka Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Komplex sítkovice-průvodní buňka sacharózo-protonový symportér v membráně průvodní buňky

Regulace exportu asimilátů z listu (příklady) Fyziologie rostlin - Asimilaty, transport Regulace exportu asimilátů z listu (příklady) Rychlostí fotosyntézy Regulací aktivity sacharózo- fosfát syntázy (SDS) Fytohormóny: Gibereliny + IAA + ABA - Kapacitou (poptávkou) jímky ozářenost teplota CO2 voda redukce asimilační plochy … Substrát (F6P) Regulace Pi Inhibice produktem teplota CO2 Plants in Action Fig. 5.26-5.28.

Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Jak se krmí semena ? 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 sacha- Rózy. 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. embrio osemení Plants in Action Fig.5.32

Důležité události cukerného metabolismu v jímce Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 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. 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). 31 Plants in Action Fig.5.37

Zachrání nás rostliny před skleníkovým efektem? Tvorba a transport asimilátů Energetický metabolismus _PřF UK_LS 2014 Uhlíková jímka v CO2 bohatším světě Zachrání nás rostliny před skleníkovým efektem? 32

Fyziologie rostlin - Stres Jak se změní uhlíková jímka v CO2 bohatším světě? Zachrání nás před skleníkovým efektem? Ca=700 Ca=350 34 dnů staré rostliny pšenice - bude mít vyšší rychlost fotosyntézy, bude ukládat víc C do listů, do kořenů i exsudovat do půdy. Jímka C v rostlině a půdě nebude o mnoho větší kvůli vyšší respiraci

... natural forest CO2 enrichment  Ch Körner

Annual carbon increment in wood (kg C m-2 ground) Pinus taeda, Duke Forest, North Carolina 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Elevated CO2 Ambient CO2 Annual carbon increment in wood (kg C m-2 ground) pre-treatment 10-year mean 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 + 2002 Year Oren R et al (2001) Nature 411:469; MC Carthy & R Oren, unpubl. data  Ch Körner

Annual tree basal area increment (standardized by pre-treatment mean) Growth of 100 year old trees in elevated CO2, Swiss web-FACE Pretreatment Elevated CO2 Fagus, Quercus, Carpinus, Tilia 0.0 0.5 1.0 1.5 Annual tree basal area increment (standardized by pre-treatment mean) Ambient CO2, n = 29 Elevated CO2, n = 10 Drought 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 Year Ch Körner et al. (2005) Science 309:1360 and new data

(2) Recyklace do atmosféry (3) Půdní humus Uzavřené porosty lesa exponované zvýšenému CO2 nevykazují žádné zvýšení indexu listové plochy (LAI) nebo jeho snížení (ale uzavření porostu může probíhat rychleji ve velmi mladých výsadbách). Vyšší fotosyntetická asimilace CO2 ale malé nebo žádné zvýšení biomasy (ve stacionárním stavu). Kam ten uhlík jde ? (1) C-obohacené tkáně (2) Recyklace do atmosféry (3) Půdní humus  Ch Körner

If there is an increase of the humus pool, it is too small to be detected. Most likely, much of the extra carbon taken up is recycled to the atmosphere. There is a possibility that ecosystem C-emission becomes enhanced through more dynamic forests: Ch Körner (2004) Through enhanced tree dynamics carbon dioxide enrichment may cause tropical forests to lose carbon. Philos Trans R Soc Lond Ser B-Biol Sci 359:493  Ch Körner

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

Sh r nutí 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, která je specifická druhově (vývojově), orgánově (semena-oddělené genotypy) i časově (zrání plodů). Oba procesy vyžadují aktivní membránový protein (protonový symport) a energii (ATP). Praktické aplikace: výživa (cukr, škrob); genetické modifikace velikosti jímky (výnos); globální bilance uhlíku a klima.