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

Úvod 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

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

Úvod Extrémní podmínky Extrémní z pohledu lidí (Kristjasson et Hreggvidson (1995) World J Microbiol Biotechnol) teplota < 4 °C a > 40 °C pH <5 a >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

Úvod Extrémní podmínky Prostředí, kde hodnoty jednoho či více parametrů jsou stále blízko spodního či horního známého limitu života (ESF (2007) Investigating life in extreme environments) Faktory přispívající k extrémizaci prostředí (upraveno dle ESF (2007) Investigating life in extreme environments) Faktor Známý spodní limit Známý horní limit Sinice a řasy Teplota -18 °C 113 °C -18 – 75 °C pH negativní 13.2 0 – 13 Koncentrace soli Nasycení 0 – 5 mol.l-1 Dostupnost vody 0 mm srážek jen ve vodě aw = 0.8 - 1 Koncentrace kyslíku Bez kyslíku 2 – 3x saturace 0 – 3x saturace Koncentrace živin Destilovaná voda proměnný Toxické látky UV záření/světlo Bez UV Tlak 260 hPa 117 MPa Úvod

Úvod

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

Př. Stresové faktory kryosestonu Nízká teplota Cykly zamrzání a tání Vysoké a variabilní PAR Vysoké a variabilní UVR Limitace živinami Společenstvo sněžných řas, Luční hora, Krkonoše, červen 2007. Stres a stresová reakce Průběhy teploty vzduchu a sněhu, PAR a UVR na sněžném poli na Luční hoře. Kvíderová (2010) Arct Antarct Alp Res.

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 Stres a stresová reakce 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.

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 Stres a stresová reakce Syntéza ochranných pigmentů u zygospory (cysty) sněžné řasy Chloromonas brevispina.

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

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

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

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

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

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

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

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

Teplotní charakteristiky v Petuniabukta 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 Nízká teplota  Experimentální lokalita v kopečkové tundře, Petuniabukta, Svalbard.  Roční průběh teplot v kopečkové tundře, Petuniabukta, Svalbard.

Nízká teplota × Typy organismů Psychrofil Psychrotrof Mezofil 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 20 - 30 °C Nízká teplota Rozdělení organismů dle nároků na teplotu. Schéma: McGraw Companies, Inc., modifikováno a doplněno.

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

Nízká teplota Účinky nízkých teplot 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 Nízká teplota

Nízká teplota Obranné mechanismy Membrány Proteiny Enzymy Složení mastných kyselin Chlamydomonas nivalis. Řezanka et al. (2008) Phytochemistry. 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 % 14:0 1.1 16:0 5.2 16:1 6.6 16:2 5.3 16:3 16.9 16:4 12.7 18:0 1.3 18:1 13.4 18:2 4.7 18:3 6.8 18:4 7.6 18:5 9.0 20:4 6.3 22:6 5.5 Nízká teplota

Nízká teplota Buněčné teploměry Ribosomy Membrány Nukleové kyseliny 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 Nízká teplota

Nízká teplota Membrány Složení mastných kyselin Chlamydomonas nivalis. Řezanka et al. (2008) Phytochemistry. 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 % 14:0 1.1 16:0 5.2 16:1 6.6 16:2 5.3 16:3 16.9 16:4 12.7 18:0 1.3 18:1 13.4 18:2 4.7 18:3 6.8 18:4 7.6 18:5 9.0 20:4 6.3 22:6 5.5 Nízká teplota

Nízká teplota Struktura a funkce proteinů 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) Nízká teplota

Nízká teplota Heat shock proteins (HSPs) 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 Nízká teplota

Nízká teplota Cold Shock Proteins (CSPs) 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 Nízká teplota

Zamrzání a tání 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

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

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

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

Zamrzání a tání Obranné mechanismy Obecné Plasmatická membrána 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 Zamrzání a tání

Zamrzání a tání Zabránění tvorby ledových krystalů 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 Zamrzání a tání Spektra nukleace ledu sněžných řas. Kvíderová et al., Cryoletters, posláno.

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

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

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

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

Záření (VIS a UV) Fotoenergetické účinky 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 Záření (VIS a UV)

Záření (VIS a UV) Fotosyntéza Fotosyntéza = zdroj energie pro všechny povrchové ekosystémy Země Světelné reakce transport elektronů v membráně thylakoidu Temnotní reakce fixace CO2 v chloroplastu Záření (VIS a UV)

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

Záření (VIS a UV) Temnotní reakce fotosyntézy Calvinův cyclus Na 1 CO2: 2 NADPH+H+ 3 ATP RUBISCO Záření (VIS a UV) Struktura RUBISCO. Voet et Voetová (1995) Biochemie. Calvinův cyklus. Falkowski et Raven (2007) Aquatic photosynthesis.

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

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

Záření (VIS a UV) Fotoinhibice Limitace fotosyntézy Rychlost reakcí enzymů Calvinova cyklu Rychlost přenesu elektronů v membránovém řetězci přenosu elektronů akceptorová strana PS 2: QA  QB donorová strana PS 2: S3S0 Rychlost turn-overu membránových proteinů a enzymů Záření (VIS a UV)

Fotosyntéza za nízkých teplot 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 Záření (VIS a UV)

Možnosti obrany – pasivní odolnost 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. Záření (VIS a UV) Hloubka, ve které bylo pozorováno společenstvo sněžných řas na Luční hoře. Kvíderová (2010) Arct Antarct Alp Res.

Možnosti obrany – aktivní odolnost 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 Záření (VIS a UV)

Možnosti obrany – aktivní odolnost Vysoká ozářenost 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 Opravný cyklus fotosystému 2 při silném světle Xanthofylový cyklus Záření (VIS a UV) Nízká ozářenost Změny ve složení a koncentraci pigmentů u sněžné řasy Chloromonas sp. pěstované v různých ozářenostech.

Aklimatizace ke kvalitě světla 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 Záření (VIS a UV)

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

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

Záření (VIS a UV) Aklimatizace ke kvalitě světla 3. Stoichiometrie fotosystémů Úroveň přeměny energie Dlouhodobá aklimatizace Světlo absorbované anténami  více PS2 Červené světlo  více PS1 Regulace syntézy PS1 pomocí PQ pool – cyt b6/f cyklu Záření (VIS a UV)

Záření (VIS a UV) Aklimatizace ke kvantitě světla 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 - cytb6/f cyklu Záření (VIS a UV)

Aklimatizace ke kvantitě světla 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 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 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 b6/f a systému ferredoxin-thioredoxin Záření (VIS a UV)

Aklimatizace ke kvantitě světla 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 Záření (VIS a UV) Xanthofylový cyklus zelených řas. Falkowski et Raven (2007) Aquatic photosynthesis.

Záření (VIS a UV) 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) Fotodestrukční účinky – UV záření Elektromagnetické záření vlnových délek 180 – 400 nm UV-A: 320 - 400 nm UV-B: 280 - 320 nm UV-C: 180 - 280 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 Záření (VIS a UV)

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

Záření (VIS a UV) Vliv UV záření na sinice a řasy 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)

Záření (VIS a UV) Vliv UV záření na sinice a řasy 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)

Záření (VIS a UV) Vliv UV záření na sinice a řasy 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)

Záření (VIS a UV) Vliv UV záření na sinice a řasy 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)

Záření (VIS a UV) Strategie obrany k nadměrnému UV záření 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 Záření (VIS a UV)

Záření (VIS a UV) Strategie obrany k nadměrnému UV záření Migrace a výběr stanoviště Vertikální migrace bičíkovci, sinice, rozsivky migrace do více stíněných mikroprostředí Záření (VIS a UV) 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 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)

Záření (VIS a UV) Strategie obrany k nadměrnému UV záření 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)

Záření (VIS a UV) Strategie obrany k nadměrnému UV záření 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 Záření (VIS a UV) Chemická struktura MAAs. Häder (2001) Algal adaptation to environmental stresses

Záření (VIS a UV) Strategie obrany k nadměrnému UV záření Zhášení kyslíkových radikálů Karotenoidy absorpce UV záření zhášení singletního kyslíku nebo hydroxylových radikálů Xanthofylový cyklus deaktivace singletního chlorofylu a Enzymy superoxid dismutázy O2-  O2 and H2O2 peroxidázy H2O2  H2O katalázy 2 H2O2  2 H2O + O2 Záření (VIS a UV)

Záření (VIS a UV) Strategie obrany k nadměrnému UV záření 4. Zhášení kyslíkových radikálů Záření (VIS a UV) Schéma konverze kyslíkových radikálů, které se mohou vyskytovat v buňce. Schéma reakcí, při kterých dochází ke zhášení kyslíkových radikálů. O2- superoxid, H2O2 peroxid, OH• hydroxylový radikál, HO2 • hydroperoxidový radikál. Převzato z Šantrůček (2008), Hronková (2008)

Záření (VIS a UV) Strategie obrany k nadměrnému UV záření 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)

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

Sinice, řasy a vysychání 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 Vysychání

Vliv vysychání na sinice a řasy 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) Fixace dusíku Fotosyntéza Respirace T0d Vysychání T+6d T+10d 9 cm T+14d

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

Obrana proti vysychání 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 Vysychání

Živiny v polárních oblastech 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

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

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

Živiny v polárních oblastech 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

Adaptace na nedostatek živin 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 Živiny

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

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

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

Děkuji za pozornost!