Mechanismy koncentrování CO 2. C4 a CAM fotosyntéza

Transkript

1 Mechanismy koncentrování CO 2 C4 a CAM fotosyntéza Mechanismy koncentrování CO 2 (carbon-concentrating mechanisms) Cíl: snížení oxygenázové akt. Rubisco (fotorespirace) Sinice: Karboxyzómy Řasy: Pyrenoid nucleus py flagella chloroplast Rostliny: C4 a CAM metabolismus CA HCO - 2 CO 2 PEPC C 4 acids ME n. PEPCK CO 2 Rubisco CB cycle pyrenoid Sun, Y., Casella, S., Fang, Y., Huang, F., Faulkner, M., Barrett, S. and Liu, L. (2016). Light modulates the biosynthesis and organization of cyanobacterial carbon fixation machinery through photosynthetic electron flow. Plant Physiol. 171: Engel, B.D., Schaffer, M., Kuhn Cuellar, L., Villa, E., Plitzko, J.M. and Baumeister, W. (2015). Native architecture of the Chlamydomonas chloroplast revealed by in situ cryo-electron tomography. elife. 4: e04889.

2 Karboxyzóm sinic koncentruje Rubisco a CO 2 - asi všechny sinice - koncentrování až 1000 x - nutné transportéry - nutná CA v karboxyzómu Rubisco CO 2CA obalové proteiny: - tvoří dvacetistěn - umožňují vstup HCO brání úniku CO 2 - váží Rubisco - vstup a výstup metabolitů CO 2 HCO - 3 HCO - 3 HCO - 3 Carbonic anhydrase (CA) anhydráza kys. uhličité: CO 2 + H 2 O HCO 3- + H + Adapted from Price, G.D., Badger, M.R. and von Caemmerer, S. (2011). The prospect of using cyanobacterial bicarbonate transporters to improve leaf photosynthesis in C 3 crop plants. Plant Physiol. 155: 20-26; Badger, M.R., and Price, G.D. (2003). CO 2 concentrating mechanisms in cyanobacteria: molecular components, their diversity and evolution. J. Exp. Bot. 54: Toyeates Pyrenoidy řas a růžkatců koncentrují Rubisco a CO 2 nucleus chloroplast - škrobovými zrny obklopený kompartment - aglomeráty Rubisco v proteinové matrix (EPYC1 + tubuly tylakoidů) - tvorba často indukována malou [CO 2 ] Tylakoidy py Rubisco Rubisco škrob Engel, B.D., Schaffer, M., Kuhn Cuellar, L., Villa, E., Plitzko, J.M. and Baumeister, W. (2015). Native architecture of the Chlamydomonas chloroplast revealed by in situ cryo-electron tomography. elife. 4: e04889.

3 Koncentrování CO 2 v pyrenoidech - transportéry HCO 3- - špatná prostupnost membránami - nutná přítomnost CA lumen tylakoidního tubulu - CO 2 dobře difunduje z lumen k Rubisco HCO 3 - HCO 3 - Chloroplast HCO 3 - HCO 3 - CA CO 2 Difúzní bariéra ze škrobu Bicarbonate transporter Chloroplast envelope Pyrenoid (Rubisco) Plasma membrane Thylakoids Adapted from Meyer, M. and Griffiths, H. (2013). Origins and diversity of eukaryotic CO 2-concentrating mechanisms: lessons for the future. J. Exp. Bot. 64: Koncentrování CO 2 u rostlin (C4 a CAM) odlišná strategie (x sinicím a řasám) - komplexní stavba těla - příjem CO 2 spjat se ztrátou vody - dráha difúze CO 2 delší (až do plastidu = část cesty ve vodě!) - gradient rel. obsahu vodní páry zpravidla větší (RVV v listu, vně) průměrně mol H 2 O na 1 mol CO 2 TK = ΣH 2 O / ΣCH 2 O transpirační koef. Potřeba omezení ztráty vody zavření průduchů fotorespirace

4 Koncentrování CO 2 u rostlin (C4 a CAM) Cíl: omezit ztráty vody bez současné indukce fotorespirace PEP vacuole Koncentrování CO 2 u rostlin - princip 1) vazba CO 2 (i v nízké koncentraci - karboxylace C3 kys.) PEPc (bez rizika oxygenázové aktivity): PEP + CO 2 OAA (fosfoenolpyruvátkarboxyláza) C3 + CO 2 C4 kyselina (OAA) PEPc: Km = 0,7-0,05 µm (CO 2 ) Rubisco: Km = 15 µm (CO 2 ) 2) místně či časově specifické uvolnění CO 2 (dekarboxylace C4 kys.) ( ) ( ) ME (NADP či NAD dependentní) jablečný enzym: (dekarboxylující malátdehydrogenáza) nebo PEPCK (fosfoenolpyruvátkarboxykináza): 3) fixace v Calvinově cyklu (Rubisco) - omezená oxygenázová aktivita díky vysoké koncentraci CO 2

5 C4 fotosyntéza Dvojí fixace CO 2 1) Mezofylové buňky (MC) primární fixace PEPc OAA (C4) 2) B. pochev cévních sv. (BSC) dekarboxylace C4 molekuly (Mal, OAA) vlastní (sekundární) fixace CO 2 (Rubisco v Calvinově cyklu) PGA (C3) C4 fotosyntéza místně specifické uvolnění CO 2 z C4 kys. v BSC (v buňkách pochev cévních svazků) Mesophyll cells C3 Vascular bundle R R R R R R Vascular bundle BSC C3: Rubisco ve všech chloroplastech C4: Rubisco jen v chlp BSC R R C4 Vascular bundle R R Vascular bundle R Mesophyll cells R Reprinted from Denton, A. K., Simon, R., and Weber, A.P.M. (2013). C 4 photosynthesis: from evolutionary analyses to strategies for synthetic reconstruction of the trait. Curr. Opin. Plant Biol. 16: with permission from Elsevier.

6 Předpoklady pro funkční C4 fotosyntézu - buněčně specifická exprese genů - PEPc v mesofylu - Rubisco v BSC - častá absence PSII v BSC PROČ? - masivní symplastická spojení mezi zdroji a sinky pro cyklující C3 a C4 molekuly - difusní bariéra pro CO 2 na povrchu pochev (suberinová vrstva) BSC MC hranice pochvy cévního svazku Plasmodesmy Evoluce C4 fotosyntézy - paralelně vznikla min. 62x (19 čeledí), 3 % druhů mil. let - Poaceae, Cyperaceae, Amaranthaceae - u některých C3 rostlin (tabák) je C4 fotosyntéza ve stoncích a v řapících Vývojová centra dvouděložných C4 Sage et al. 2011, JXB Cíl: omezit ztráty vody bez současné indukce fotorespirace

7 C4 fotosyntéza: NADP-ME dráha (3) NADP-Malate dehydrogenase (2) PEPCase (4) NADP- Malic enzyme (1) Carbonic anhydrase (5) Pyruvate orthophosphate dikinase - výhodné dekarboxylace v chloroplastu, redukce NADP - paralelně cykluje 3-PGA a triosa-p - PROČ? Maier A., Zell M.B.and Maurino V.G. (2011). Malate decarboxylases: evolution and roles of NAD(P)-ME isoforms in species performing C4 and C3 photosynthesis. J. Exp. Bot 62: by permission of Oxford University Press. C4 fotosyntéza: NAD-ME dráha (6) Aspartate aminotransferase (6) Aspartate aminotransferase (3) NADP-Malate dehydrogenase (1) Carbonic anhydrase (2) PEPCase (8) Alanine aminotransferase (7) NAD-Malic enzyme (5) Pyruvate orthophosphate dikinase - méně výhodné dekarboxylace v MT (cyklus NAD+/NADH) - zvýšené množství PSII v BSC - PROČ? Maier A., Zell M.B.and Maurino V.G. (2011). Malate decarboxylases: evolution and roles of NAD(P)-ME isoforms in species performing C4 and C3 photosynthesis. J. Exp. Bot 62: by permission of Oxford University Press.

8 C4 fotosyntéza: PEPCK dráha (PEP carboxykinázová) - zde s NAD-ME (6) Aspartate aminotransferase (9) PEPcarboxykinase (1) Carbonic anhydrase (2) PEPCase (3) NADP-Malate dehydrogenase (5) Pyruvate orthophosphate dikinase (6) Aspartate aminotransferas e (8) Alanine aminotransferase (7) NAD-Malic enzyme - méně výhodné dekarboxylace v cytoplasmě, bez red. NADP - asi vždy v kombinaci s NAD-ME či NADP-ME (aminoskupiny) - energetizace transportu výhodnější (PEPCK x PPDK) 1 ATP! Maier A., Zell M.B.and Maurino V.G. (2011). Malate decarboxylases: evolution and roles of NAD(P)-ME isoforms in species performing C4 and C3 photosynthesis. J. Exp. Bot 62: by permission of Oxford University Press. C4 metabolismus je často komplexní Klasický model samostatných cyklů Reálné smíšené cykly Relativní příspěvek PEPCK dráhy Wang, Y., Bräutigam, A., Weber, A.P.M. and Zhu, X.-G. (2014). Three distinct biochemical subtypes of C 4 photosynthesis? A modelling analysis. J. Exp. Bot. 65: by permission of Oxford University Press.

9 Fylogeneze typů C4 u lipnicovitých (Rao and Dixon, FiPS 2016) - všechny enzymy přítomné i u C3 umožnilo nezávislou evoluci Rod Flaveria škála druhů od C 3 po C 4 metabolismus - výborný model studia evoluce C4 metabolismu C2 metabolismus Flaveria trinervia Substituce Met-309-Ile ve velké podjednotce Rubisco - switch mezi pomalým s vyšší afinitou a rychlým s nižší afinitou Mallmann, J., Heckmann, D., Bräutigam, A., Lercher, M.J., Weber, A.P.M., Westhoff, P. and Gowik, U. (2014). The role of photorespiration during the evolution of C4 photosynthesis in the genus Flaveria. elife. 3: e02478; Forest & Kim Starr. Whitneyet al. PNAS 2011.

10 C 2 fotosyntéza koncentruje CO 2 uvolněný fotorespirací v BSC C 3 C 2 C 4 - C2 pumpa (glycinová pumpa) dekarboxylace jen v BSC Sage R.F., Khoshravesh R., and Sage T.L. (2014). From proto-kranzto C4 Kranz: building the bridge to C4 photosynthesis. J. Exp. Bot. 65: by permission of Oxford University Press. Opakovaná evoluce C4 fotosyntézy Model evoluce klíčové kroky zvyšující fitness: 1) genové duplikace 2) zvýšení poměru BSC:MC 3) glycinová pumpa Edwards E.J. (2014). The inevitability of C4 photosynthesis. elife 3: e03702

11 C4 metabolismus dávná strukturně regulační predispozice? v kódující sekvenci NAD-ME je úsek navozující expresi v pochvách cévních svazků (i u ortologů z C3!) Independent and Parallel Recruitment of Preexisting Mechanisms Underlying C4 Photosynthesis Brown et al. 2011, Science C4 fotosyntéza v jedné buňce - dva typy chloroplastů (periferní bez Rubisco, central compartment: s Rubisco) Bienertia sinuspersici Lung, S.-C., Yanagisawa, M. and Chuong, S.D. (2012). Isolation of dimorphic chloroplasts from the single-cell C 4 species Bienertia sinuspersici. Plant Methods. 8: 1-13; Rosnow, J., Yerramsetty, P., Berry, J.O., Okita, T.W. and Edwards, G.E. (2014). Exploring mechanisms linked to differentiation and function of dimorphic chloroplasts in the single cell C 4 species Bienertia sinuspersici. BMC Plant Biology. 14: 1-18.

12 C4 metabolismus v jedné buňce PEPc periferně, NAD-ME centrálně (Bc) či u cévních sv. v mitochondriích obklopených plastidy s Rubisco (Ba) Borszczowia aralocaspica Bienertia cycloptera C4 fotosyntéza - 3 % druhů, 5 % rostlinné biomasy - až 20 % celkové rostlinné fixace CO 2! (travní porosty) Hospodářsky významné C4 rostliny: - plodiny: kukuřice, cukr. třtina, proso, merlík - plevely: lebeda, merlík C4 se vyplatí v sušších a teplejších podmínkách: - šetří vodu (!!!) přivřené průduchy (stačí méně CO 2 ) - ale energeticky náročnější: PPDK/PEPCK ATP/CO 2 - málo účinná při nižší teplotě (PPDK, Rubisco)

13 Photosynthesis Photosynthesis C 4 fotosyntéza je výhodná při vyšší teplotě 10 C 35 C C 3 plant Irradiance Irradiance C 4 plant Full sunlight C 4 plant C 3 plant Full sunlight - u C4 limitace aktivitou enzymů (ATP???) - fotosyntéza není u C4 limitovaná CO 2 - C4 není saturovaná ani při plné ozářenosti - při zvýšené [CO 2 ] rozdíly mizí Net photosynthesis (µmol/m 2 -sec) ppm CO ppm CO 2 C 4 C 3 C Leaf temperature (ºC) C 3 50 Adapted from C 4 photosynthesis, Plants in Action Porovnání C3 a C4 rostlin Odlišná citlivost ke změnám koncentrace O 2 a CO 2 snížení [O 2 ] - zvyšuje rychlost fotosyntézy jen u C3 (až o cca 50 %) zvýšení [CO 2 ] - výhodné především pro C3 C4 rostliny jsou schopny fotosyntézy i při nízkých koncentracích CO 2 CO 2 Mossův test Pokles [CO 2 ] v uzavřeném prostoru C3 C4 Fotosyntéza, (fotorespirace) a respirace v rovnováze

14 Rozdíly mezi rostlinami typu C3 a C4 Parametry fotosyntézy rubisco PEPc CO 2 :ATP:NADPH (teoreticky netěsnosti!) 1 : 3 :2 1 :5 :2 teplotní optimum C (rubisco, PPDK) kompenzační koncentrace CO 2 (ppm) důsledky poklesu koncentrace O 2 P N se zvýší P N se nemění max. rychlost čisté fotos. P N (mol dm -2 h -1 ) produkce sušiny (t ha -1 rok -1 ) transpirační koeficient Tk (g H 2 O/g CH 2 O) účinnost využití N (produkce sušiny na množství vázaného dusíku) C3 Nízká C4 Primární karboxylace Vysoká isotopová diskriminace δ 13 CO 2 (promile) -22 až až -19 Účinnost využití vody a dusíku u C3 a C4 rostlin Rýže (C3) Kukuřice (C4) Vody (g DM / kg vody) 1,4 2,6 (1,9x) Dusíku (µmol CO 2 s -1 / mmol N) 0,26 0,74 (2,8x) Záření (g DM / MJ pohlcené FAR) 2,2 3,3 (1,5x) (orientační hodnoty: velký vliv stanoviště, klimatu, genotypu apod.!) Účinnost využití vody (produkce biomasy na jednotku vytranspirované vody) převrácená hodnota TK (transpiračního koeficientu) - menší otevřenost průduchů (C4 fotosyntéze stačí nižší [CO 2 ]) Účinnost využití dusíku = rychlost asimilace CO 2 vztažená na obsah dusíku v listu - většina dusíku je vázaná v proteinech, - u C3 rostlin tvoří až polovinu všech proteinů enzym rubisco - u C4 je méně rubisco, tedy dusík je efektivněji využit

15 Diskriminace 13 CO 2 ve fotosyntéze je vyšší u C3 - Rubisco přednostně fixuje 12 CO 2, pokud má na výběr (u C4 má rubisco v uzavřeném prostoru méně na výběr) C4 C3 δ 13 C = (( 13 C/ 12 C) vzorek - ( 13 C/ 12 C) atm. )) / ( 13 C/ 12 C) atm. diskriminuje rubisco, PEPc nerozlišuje 13 C a 12 C Isotopová diskriminace nejen Rubisco - projevuje se i v mnoha dalších procesech a reakcích Isotope discrimination during diffusion into mesophyll cell Isotope discrimination by Rubisco Respiration (mesophyll) Isotope discrimination by carbonic anhydrase and PEPC Respiration (bundle sheath) Von Caemmerer, S., Ghannoum, O., Pengelly, J.J.L. and Cousins, A.B. (2014). Carbon isotope discrimination as a tool to explore C 4 photosynthesis. J. Exp. Bot. 65: by permission of Oxford University Press.

16 CAM fotosyntéza = sukulentní (Crassulacean acid metabolism) - speciální typ C4 fotosyntézy (= C4 meziprodukt) - adaptace na kritický nedostatek vody - první výskyt už před 200 mil let (Proteaceae), - recentní sukulenty především v třetihorách (40 mil let, hlavní radiace 15 mil let) % druhů (33 čeledí) Problém: - E pro fixaci CO 2 lze získat jen za dne - otevření průduchů = obrovské ztráty vody HYPOTETICKÁ ŘEŠENÍ? Frerea indica - CAM ve stoncích, C3 v opadavých listech CAM fotosyntéza = C4 oddělená časově! Noc - otevřené průduchy ( ztráta vody) - primární fixace CO 2 (PEPc) - štěpení škrobu (zdroj PEP, NADH) - skladování MA ve vakuole Den - zavřené průduchy - fotochemické reakce - dekarboxylace malátu (ME) - fixace CO 2 Calvinovým cyklem Plastická regulace: je-li dost vody, pak fixace i přes den (sezónní změny), je-li extrémní sucho, průduchy zavřené i v noci (CAM idling)

17 CAM cyklické změny hladin škrobu a kys. jablečné NIGHT DAY NIGHT DAY CO 2 CO 2 Karboxyláza PEPC Rubisco PEPC Rubisco ph škrob org. kyselina, (MA) Adapted from Plants in Action Typický průběh CAM metabolismu nemá 2 ale 4 fáze Fáze I: otevřené průduchy, CO 2 asimilace jen PEPc Malate Fáze III: zavřené průduchy, CO 2 asimilace jen Rubisco rychlost Time of day (hours) Fáze II a IV, přechodné stavy (pootevřené průduchy, asimilace oběma E) - efektivní modulace dle vnějších podmínek - CAM idling (extrémní sucho nečinnost) - sezónní změny Adapted from Osmond, C.B. (1978). Crassulaceanacid metabolism: a curiosity in context. Annu. Rev. Plant Physiol. 29: ; Yikrazuul.

18 CAM cyklování ( C3) a nečinnost Stomatal features CAM cycling: - kombinace C3 a CAM - fixace během dne Rubisco - v noci PEPc Atmospheric CO 2 uptake CAM idling: - extrémní sucho - reasimilace vydýchaného CO 2 Organic acid accumulation Carbohydrate fluctuation Adapted from Kerbauy, G.B., Takahashi, C.A., Lopez, A.M., Matsumura, A.T., Hamachi, L., Félix, L.M., a Pereira, P.N., Freschi, L., and Mercier, H. (2012) Crassulacean acid metabolism in epiphytic orchids: Current knowledge, future perspectives. In Applied Photosynthesis. Pp Rozšíření CAM je spojené s poklesem CO 2 a desertifikací [CO 2 ] Relativní globální teplota CAM [CO 2 ] Reprinted with permission from Arakaki, M., Christin, P.-A., Nyffeler, R., Lendel, A., Eggli, U., Ogburn, R.M., Spriggs, E., Moore, M.J. and Edwards, E.J. (2011). Contemporaneous and recent radiations of the world's major succulent plant lineages. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 108:

19 Výskyt CAM druhů KDE? - především xerofyty a epifyty Počet druhů ~9500 ~300 ~1250 ~400 ~1500 Reprinted from Borland, A.M., Hartwell J., Weston D.J., Schlauch K.A., Tschaplinski T.J., Tuskan G.A., Yang X., and Cushman J.C. (2014). Engineering crassulacean acid metabolism to improve water-use efficiency. Trends Plant Sci. 19: with permission from Elsevier; Adapted from Lüttge U Ability of crassulacean acid metabolism plants to overcome interacting stresses in tropical environments. AoB PLANTS 2010: plq005. Fakultativní CAM při stresu suchem Daytime gas exchange Nighttime gas exchange Daytime gas exchange Water withheld Water provided Talinum triangulare Suchem indukovaná noční akumulace org. kyselin Winter K., and Holtum, J.A.M. (2014). Facultative crassulacean acid metabolism (CAM) plants: powerful tools for unravelling the functional elements of CAM photosynthesis. J. Exp.Bot. 65: by permission of Oxford University Press; Brilhaus, D., Bräutigam, A., Mettler-Altmann, T., Winter, K. and Weber, A.P.M. (2016). Reversible burst of transcriptional changes during induction of crassulacean acid metabolism in Talinum triangulare. Plant Physiol. 170:

20 Charakteristiky významné pro fungování CAM CAM: Yucca aloifolia - zásoba vody a malátu (vakuoly) - brání ztrátám uvolněného CO 2 C 3 : Yucca filamentosa Heyduk, K., Burrell, N., Lalani, F. and Leebens-Mack, J. (2016). Gas exchange and leaf anatomy of a C 3 CAM hybrid, Yucca gloriosa (Asparagaceae). J. Exp. Bot. 67: ; Nelson, E.A., and Sage, R.F. (2008). Functional constraints of CAM leaf anatomy: tight cell packing is associated with increased CAM function across a gradient of CAM expression. J. Exp. Bot. 59: by permission of Oxford University Press. Přechodové stavy mezi C 3 a CAM jsou zřejmě nevýhodné C 3 CAM Winter, K. and Holtum, J.A.M. (2002). How closely do the δ 13 C values of crassulacean acid metabolism plants reflect the proportion of CO 2 fixed during day and night? Plant Physiol. 129: See also Winter, K., Holtum, J.A.M. and Smith, J.A.C. (2015). Crassulacean acid metabolism: a continuous or discrete trait? New Phytol. 208:

21 Další osud Asimilátů Uložit či odeslat? - TriosaP/Pi Co se děje s Pi v Clp? Kde se bere Pi v cytopl.? Sacharóza (popř. jiné transportní sacharidy RFO) - symplastické či aploplastické nakládání do floému - využití, určení směru toku? škrob transport

22 Škrob - transientní (chloroplasty v listech) účel? - zásobní (amyloplasty) účel? Diurnální změny metabolismu škrobu a sacharózy