All is flux, nothing stays still … 1 All is flux, nothing stays still … Kruger N.J. and Ratcliffe R.G .: Pathways and fluxes: exploring the plant metabolic network. J. Exp. Bot. 63, 2243–2246, 2012 Herakleitos z Efesu

Transport a distribuce látek v rostlinách 2 Transport a distribuce látek v rostlinách O čem bude přednáška ? Proč převážně o transportu a distribuci sacharidů ? Integrační role sacharidů ? Jak vytvořit ze „sítě“ „lineární posloupnost“ ? Podaří se nám nezabřednout do podrobností a udržet celistvý obraz ? … Módní tendence považovat výzkum na nižší úrovni složitosti za vědečtější vede snadno k atomizmu, tj. k dílčímu zkoumání podřízených systémů, aniž bychom se zajímali o to, jak jsou tyto systémy zabudovány do jednoho celku. Metodická chyba nespočívá tedy ve snaze redukovat biologické jevy – ta je vlastní všem badatelům. Metodický omyl spočívá v tom, že při pokusu o výklad nebereme v úvahu nesmírně složitou strukturu, v níž se tyto subsystémy sjednocují a jejíž zkoumání nás jediné může dovést k porozumění systémovým vlastnostem celku….. Konrad Lorenz: 8 smrtelných hříchů, 1973

Struktura přednášky Transport látek a jeho význam pro rostlinu 3 Struktura přednášky Transport látek a jeho význam pro rostlinu Jaké látky jsou transportovány na dlouhou vzdálenost xylémem? Jaké látky jsou transportovány na dlouhou vzdálenost floémem? Sacharidy - role sacharidů v rostlině Chemické a fyzikální principy transportu vlastnosti vody, kapilarita, difúze, osmóza, hromadný tok, usnadněná difúze, aktivní transport Pohyb látek v rostlině Stavba struktur podílejících se na transportu - membrány, plazmodezmy, vodivá pletiva Transport xylémem - vodní potenciál, transpirace, osmóza, aktivní příjem min. látek, kořenový vztlak Transport floémem - Münchova teorie, pohyb hromadným tokem, význam nakládání a vykládání floému Způsoby nakládání do floému, nakládání floému u dvouděložných, způsob nakládání do floému a tok vody, K+ kanály Vykládání sacharidů v sinku – apoplastem, symplastem, endocytózou, Enzymy štěpící sacharózu - SuSy, invertázy

Sacharózové transportéry Arabidopsis 4 Struktura přednášky Sacharózové transportéry Arabidopsis Hexózové transportéry Arabidopsis Protonové pumpy: H+-ATPázy plazmatické membrány Transport sacharidů v produkční mezofylové buňce chloroplast – cytosol - vakuola Syntéza sacharózy a její regulace Syntéza a regulace syntézy dalších sacharidů: manitolu a RFO Mobilizace škrobu v chloroplastu Transport do vakuoly - Vakuolární H+-ATPázy a H+-PPázy Koncept zdroje a sinku – kompetice sinků, síla sinku Metabolismus sacharidů v sinku Koordinace zásobování sacharidy a růstu rostliny sacharóza hexokinázový systém systém nezávislý na hexokináze trehalóza-6-P SnRK1 Cukerná signalizace Interakce a koordinace C a N metabolismu

Transport látek a jeho význam pro rostlinu 5 Transport látek a jeho význam pro rostlinu Udržení stability vnitřního prostředí otevřený systém  problém každého organizmu: „konstantní“ vnitřní prostředí X výkyvy ve vnějším prostředí, komunikace s prostředím – výměna látek – příjem živin, eliminace metabolických produktů Regulace na vstupu i výstupu Výměna látek mezi částmi rostliny/buňkami rostlina je mnohobuněčný organizmus  specializace orgánů /pletiv/ buněk v rámci organizmu při zajištění jednotlivých funkcí (např. fotosyntéza, příjem min. živin) části rostliny - kořeny, nadz. část-žijí v odlišných podmínkách Nutnost vzájemného zásobování látkami

Př: Šlechtění na zvýšení výnosu Transport látek a jeho význam pro rostlinu 6 Harmonizace růstu a vývoje jednotlivých částí rostliny Postembryonální vývoj - komunikace mezi jednotlivými částmi rostliny Pohyb signálů i živin Reakce rostliny na vnější prostředí Schopnost přijmout signál o změně prostředí omezena na určitý orgán, potřebná reakce může probíhat v jiné části rostliny Pohyb signálů i látek schopných zajistit metabolickou odpověď Pro zajištění  nutnost řízeného transportu látek Rychlost fotosyntézy Př: Šlechtění na zvýšení výnosu Zvětšení síly sinku Zvýšení rychlosti transportu

Jaké látky jsou transportovány na dlouhou vzdálenost xylémem? 7 Jaké látky jsou transportovány na dlouhou vzdálenost xylémem? xylém: převážně minerální látky ? Relativní množství jednotlivých sloučenin N v xylému různých rostlinných druhů voda minerální živiny Podrobnější analýza xylémových exudátů: aminokyseliny organické kyseliny hormony: cytokininy, ABA, polyaminy proteiny sacharidy (myo-inositol, fruktóza, pinitol…) Otázka ? Jaká je funkce jednotlivých organických složek xylémové šťávy a jak je řízena jejich syntéza v kořenovém parenchymu a pericyklu. lektiny (obrana) chitinázy (obrana) komponenty buněčné stěny (proteiny bohaté na glycin-vysprávka buněčných stěn xylému ?) polysacharidy (hlavně arabinogalaktany ? řízení buněčné proliferace a expanze) oligosacharidy (oligoarabinogalaktany, oligoglukany, oligogalakturonidy ? Signál. Oligosachariny?) Satoh, 2006, Ligat et al., 2011

Jaké látky jsou transportovány na dlouhou vzdálenost floémem? 8 Jaké látky jsou transportovány na dlouhou vzdálenost floémem? Floém: převážně asimiláty ? Sledování pohybu látek v rostlině 17 stol. M. Malpighi Stopování radioaktivních látek Analýza floémového exudátu – naříznutý floém - mšice Rostliny obsahují velké množství sacharidů  nízký poměr N:C a S:C (živočichové vysoký poměr N:C a S:C) Floém obsahuje: 15-25 % sušiny z toho 90 % sacharidy sacharidy Sacharóza – až 98 % všech cukrů ve floému (koncentrace až 20% w/v) Sacharidy rafinózové řady – rafinóza, stachyóza, verbaskóza Cukerné alkoholy – manitol, sorbitol, volemitol Hexózy - glukóza, fruktóza -jen ve velmi malé míře u některých druhů Ranunculaceae a Papaveraceae  80 % translokovaných sacharidů

aminokyseliny- nejvíce glutamová, asparagová, glutamin, asparagin 9 aminokyseliny- nejvíce glutamová, asparagová, glutamin, asparagin organické kyseliny – jablečná, citronová, šťavelová, jantarová ATP – relativně vysoké koncentrace hormony – auxiny, cytokininy, gibereliny, kys. abscisová vitaminy enzymy mRNA siRNA, miRNA proteiny (FT), peptidy

10 aminokyseliny- nejvíce glutamová, asparagová, glutamin, asparagin organické kyseliny – jablečná, citronová, šťavelová, jantarová ATP – relativně vysoké koncentrace hormony – auxiny, cytokininy, gibereliny, kys. abscisová vitaminy enzymy mRNA siRNA, miRNA Florigen = FT proteiny (FT), peptidy

Kvetení Florigen = FT FT protein 11 Kvetení Florigen = FT FD FT protein Protein FT-mobilní proteinový signál transportovaný floémem Corbesier et al. 2007 FT-FD FT protein FT protein miRNA399-mobilní signál transportovaný floémem… signalizace deficience P v listu do kořene Pant et al. (2008)

12 Jaké látky jsou transportovány na dlouhou vzdálenost floémem? sacharidy aminokyseliny- nejvíce glutamová, asparagová, glutamin, asparagin organické kyseliny – jablečná, citronová, šťavelová, jantarová ATP – relativně vysoké koncentrace ATP – relativně vysoké koncentrace hormony – auxiny, cytokininy, gibereliny, kys. abscisová vitaminy enzymy mRNA siRNA, miRNA proteiny (FT), peptidy Jejich hladiny přísně regulovány K+, Mg+, Na +, Ca2+ PO43-, SO42-, nitráty nezjištěny (NiT ve floemu kořene, redistribuce nitrátů v kořeni) anorganické látky Viry, herbicidy

Sacharidy Př: zaškrcení kmene  indukce kvetení 13 Sacharidy zdroj energie a uhlíku kompatibilní solut; osmotikum, osmoprotektant (osmotický stres, sucho, zasolení, nízké teploty) signál (ovlivnění metabolizmu, ovlivnění morfogenních procesů) Př: zaškrcení kmene  indukce kvetení Ovlivnění přímé : ovlivnění genové exprese Enzymy sacharidového metabolizmu: UDPG- a ADPG pyrofosforylázy, SuSy, invertázy; Rubisco… Enzymy nesouvisející přímo se sacharidovým metabolismem, např. syntéza patatinu, proteinázový inhibitor ll, glutaminsyntáza… Ovlivnění nepřímé: ovlivnění aktivity jiné signální molekuly Př: sacharóza  UDPG  GA –konjugát  snížení koncentrace volné GA SuSy GA

Př: tuberizace bramboru 14 Př: tuberizace bramboru Podporuje krátký den/tma nízká teplota cytokinin etylén kys. jasmonová ABA Inhibuje dlouhý den vysoká teplota GA etylén Přísun N  přísun N cukr (sacharóza) růstové retardanty org. kyseliny Př: květní indukce Lolium temulentum (LD rostlina) Indukce pod fotoperiodickou kontrolou – odpověď značně zesílena vysokým přísunem cukrů (změny v obsahu cukrů v apexu po indukci) Sinapis alba (LD rostlina) Indukce pod fotoperiodickou kontrolou ale !! Vysoký přísun cukrů ( ozářenost,  CO2,  aplikace cukrů)  kvetení na krátkém dni (akumulace cukrů v apexu po indukci  změny v alokaci cukrů po indukci)

Př: Model indukce kvetení u Sinapis alba. 15 Př: Model indukce kvetení u Sinapis alba. sacharóza v listech   transport sacharózy do kořene   syntéza cytokininů   transport cytokininů do nadzemní části  indukce kvetení cytokinin cukr Kudo et al., 2010 Bernier et al., 1993

Př: Model indukce kvetení u Sinapis alba. 15 Př: Model indukce kvetení u Sinapis alba. sacharóza v listech   transport sacharózy do kořene   syntéza cytokininů   transport cytokininů do nadzemní části  indukce kvetení Cytokinin aplikace cukr Bernier et al., 1993

Př: Model indukce kvetení u Sinapis alba. 15 Př: Model indukce kvetení u Sinapis alba. sacharóza v listech   transport sacharózy do kořene   syntéza cytokininů   transport cytokininů do nadzemní části  indukce kvetení Cytokinin aplikace cukr Bernier et al., 1993

Př: Model indukce kvetení u Sinapis alba. 15 Př: Model indukce kvetení u Sinapis alba. sacharóza v listech   transport sacharózy do kořene   syntéza cytokininů   transport cytokininů do nadzemní části  indukce kvetení cukr Bernier et al., 1993

Př: Model indukce kvetení u Sinapis alba. 16 Př: Model indukce kvetení u Sinapis alba. sacharóza v listech   transport sacharózy do kořene   syntéza cytokininů   transport cytokininů do nadzemní části  indukce kvetení cukr Bernier et al., 1993

Př: Model indukce kvetení u Sinapis alba. 17 Př: Model indukce kvetení u Sinapis alba. sacharóza v listech   transport sacharózy do kořene   syntéza cytokininů   transport cytokininů do nadzemní části  indukce kvetení cytokinin cukr Bernier et al., 1993

Př: Vytváření odnoží (Cynodon dactylon, Troskut prstnatý) 18 Př: Vytváření odnoží (Cynodon dactylon, Troskut prstnatý)  Obsah cukrů  Obsah cukrů  Obsah cukrů FR R cukr cukr Transport minerálních látek a organických látek – těsný vztah Př: Omezení příjmu fosfátů jako důsledek omezení transportu asimilátů do kořene Příjem fosfátů mg/hod noc den Př: Deficience Mg2+ omezení transportu asimilátů Mg2+ ionty potřebné k fungováním plnění floému