Minerální výživa rostlin. příjem, asimilace a funkce minerálních prvků

Transkript

1 Minerální výživa rostlin příjem, asimilace a funkce minerálních prvků

2 Minerální výživa rostlin příjem, asimilace a funkce minerálních prvků Kriteria nezbytnosti prvků pro rostliny Klasifikace minerálních živin Příjem minerálních živin a transport rostlinou Vlastnosti půdy, iontová výměnná kapacita Příjem kořenem Transport přes membránu transportéry (přenašeče) makrobiogenní minerální prvky N metabolismus dusíku S, P, K, Ca, Mg, mikrobiogenní minerální prvky Cl, Fe, B, Mn, Na, Zn, Cu, Ni, Mo Benefiční prvky

3 Minerální výživa rostlin Rostliny jsou: Autotrofní tvorba organických sloučenin z anorganických Plně dostupné C, H, O2 - CO2, H2O Ostatní prvky (převážně) z půdy soil miners - půdní výživa (kořeny, mykorhizní symbióza)

4 Historie studia minerální výživy rostlin Jan Baptista van Helmont ( ) Člověk když jí, tak roste. Ale z čeho roste strom? Z vody. Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74 Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

5 Historie studia minerální výživy rostlin Justus von Liebig ( ) r spis Organická chemie a její použití v zemědělství a fyziologii minerální teorie Živinami všech rostlin jsou látky nerostné. Chlévský hnůj, lidské a zvířecí výkaly nepůsobí svými součástkami ústrojnými na život rostlin, nýbrž nepřímo zplodinami svého rozkladu, tedy přeměnou svého uhlíku v kysličník uhličitý a dusíku v amoniak nebo kyselinu dusičnou. Ústrojný hnůj složený z částí nebo zbytků rostlin a zvířat dá se nahradit neústrojnými sloučeninami, v něž se v půdě rozpadá. Ctirad Růžička, Úroda 10/2003 Převzato: dr. E. Tylová

6 Historie studia minerální výživy rostlin Justus von Liebig ( ) Liebigův zákon minima: Rostliny jsou životně závislé na tom prvku, který je v jejich životním prostředí obsažen nejméně Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74 Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

7 Historie studia minerální výživy rostlin A. Mitscherlich ( ) Studoval vztahy mezi výnosy rostlin a množstvím živin přidávaných do půdy a vyjádřil je matematickými rovnicemi 8-1 Yield (y, t ha ) 7 A (A-y) y y=a-(a-a).e a Fertilizers (x, t ha ) -k.x 0.30

8 Závislost růstu (produkce biomasy, výnosu, rychlosti procesu apod.) na obsahu živin v pletivu deficience dostupnost toxicita 95%

9 Nástup aplikace minerálních hnojiv - superfosfát (poč. 19. st) kosti, koprolity a fosfátové horniny - draselná hnojiva dusíkatá hnojiva Ca(NO3) NH (Haber a Bosch syntéza amoniaku: N2+H2 při 200 C a zvýšeném tlaku)

10 Minerální prvky v rostlinách Stanovení obsahu v rostlinách Sušina: sušení čerstvé biomasy (1-2 dny) při C. Spálení sušiny při teplotě nad 600 C Analýza popele (popeloviny) a plynných zplodin zplodiny. Takto v rostlinách zjištěno více než 60 prvků včetně zlata, olova, rtuti, arsenu a uranu. Které z nalezených prvků jsou však pro rostliny nezbytné? Nutno zjistit exprimentálně!

11 Minerální prvky v rostlinách Hydroponie 1. Obecný význam: 2. Požadavky: fyziologie rostlin, zahradnictví koncentrace živin, vyrovnanost poměru, dostupnost O2, ph Živné roztoky: Knop Hoagland Taiz a Zeiger 2002

12 Minerální prvky v rostlinách Kriteria nezbytnosti prvků pro rostliny (1) Bez daného prvku rostlina neukončí svůj životní cyklus. Justus von Liebig: zákon minima (2) Prvek nemůže být nahrazen jiným prvkem (deficit vyvolaný nepřítomností jednoho prvku nemůže být odstraněn dodáním jiného prvku) (3) Daný prvek má svou funkci v metabolismu rostliny (nezávisle na chemických, biologických či jiných podmínkách v půdě). (Arnon, Stout, 1939)

13 Minerální prvky v rostlinách - klasifikace prvky biogenní obecně všechny prvky, které tvoří živé organismy prvky organických látek C, H, O prvky minerální výživy rostlin 1. esenciální = nezbytné = nenahraditelné = funkčně nezastupitelné makrobiogenní minerální prvky 1000 mg (1 g) v 1 kg sušiny N, K, Ca, Mg,P,S, mikrobiogenní minerální prvky 100 mg (0,1 g) v 1 kg sušiny 2. prvky benefiční prospěšné Stimulují růst, požadované některými druhy, např.: Na, Si, Se

14 Minerální prvky v rostlinách - klasifikace Prvek chemická značka koncentrace v sušině (%, ppm) získané z vody nebo CO2 získané z půdy Makroprvky (%) získané z půdy Mikroprvky (ppm) relativní počet atomů vztaženo k počtu atomů molybdenu

15 Minerální prvky v rostlinách - klasifikace prvky biogenní makrobiogenní minerální prvky prvky organických látek C, H, O 1000 mg (1 g) v 1 kg sušiny 1, % sušiny 1,4 % sušiny Uhlík 45 Kyslík 45 Vodík 6 1,2 1 0,8 0,6 0,4 N..1,5 K 1,0 Ca.0,5 Mg.0,2 P.0,2 S..0,1 Si 0,1 0,2 0 N Uhlík Kyslík Vodík mikrobiogenní minerální prvky 100 mg (0,1 g) v 1 kg sušiny Epstein 1972, K Ca Mg P S Si ppm sušiny Cl 100 Fe 100 B.60 Mn.50 Na Zn Cu.. 6 Ni...0,1 Mo....0,1 Cl Fe B Mn Na Zn Cu Ni Mo

16 Minerální prvky v rostlinách - klasifikace podle biochemické funkce 4 skupiny: Skupina 11- části organických uhlíkatých sloučenin N- aminokyseliny, amidy, proteiny, nukleové kyseliny, nukleotidy, koenzymy, hexosaminy atd. S cystein, cystin, methionin-proteiny, mastné kyseliny,koenyzm A, thiamin, glutathion, biotin atd. Skupina 2- významné při ukládání energie nebo ve strukturální integritě P- fosfáty cukrů, aminokyseliny, nukleotidy, koenzymy, fosfolipidy. Klíčová úloha v reakcích zahrnujících ATP. Si- amorfní křemík v buněčné stěně-pevnost a elastiicta buněčných stěn. B- manitol, manan-buněčná stěna- prodlužování buněk, metabolismus nukleových kyselin Skupina 33- zůstávající v podobě iontů (volných nebo vázaných K- kofaktor více než 40 enzymů, základní kation udržující buněčný turgor a buněčnou elektroneutralitu. Ca- střední lamela buněčné stěny, kofaktor enzymů hydrolýzy ATP a fosfolipidů, druhý posel v metabolické regulaci. Mg-chlorofyl, přenos fosfátů Cl- fotosyntetické reakce vývoj kyslíku Mn-aktivita dehydrogenáz, dekarboxyláz, kináz, oxidáz a peroxidáz, vývoj kyslíku Na- regenerace fosfoenol pyruvátu u C4 a CAM rostlin Skupina 44- účastnící se redoxredox- reakcí reakcí-- přenosu elektronů Fe-cytochromy a nehemové proteiny pro fotosyntézu, dýchání a fixaci N 2 Zn-alkohol dehydrogenáza, karbon anhydráza atd Cu- kofaktor dalších enzymů, plastocyanin Ni- ureáza Mo- nitrogenáza, nitrát reduktáza atd. Podle Taiz and Zeiger 2002

17 Příjem minerálních látek rostlinou = vstup prvků do biosféry

18 Příjem minerálních živin a transport rostlinou Vlastnosti půdy, iontová výměnná kapacita příjem možný celým povrchem těla nejvíce kořeny z půdy

19 Příjem minerálních živin a transport rostlinou Vlastnosti půdy, iontová výměnná kapacita Půda: 4 složky: minerální částice: kameny a štěrk písek (částice o velikosti 2-0,05mm) prachové částice (0,05-0,002mm) jílové částice (méně než 0,002mm) organické částice voda vzduch Brady a Weil 2002

20 Příjem minerálních živin a transport rostlinou Vlastnosti půdy, iontová výměnná kapacita Fyzikální a chemické vlastnosti půdy: ph ph a- aktivita růstu kořenů, mikrobiální Růst kořene optimum ph Kyselé podmínky zvětrávání K, Ca, Mg, Mn

21 Příjem minerálních živin a transport rostlinou Vlastnosti půdy, iontová výměnná kapacita Půda: Minerální živiny v půdě ve třech stavech: a) Vázané. V tomto stavu nemohou být rostlinami přímo využity. Jsou součástí hornin, zvětrávání, působením samotné rostliny (vylučováním vodíkových iontů kořeny). b) Výměnné. Jsou to hlavně kationty iontově vázané na povrchu půdních koloidů, tj. jílových a humusových částic. Snadno uvolněny výměnou za jiné kationty, např. za kationt vodíkový produkovaný při dýchání kořenů c) Rozpuštěné. Živiny přítomné v půdním roztoku, které rostlina může přímo využít.

22 Příjem minerálních živin a transport rostlinou Vlastnosti půdy půdy,, iontová výměnná kapacita adsorpce kationtů na negativně nabitý povrch půdních částic dýchání kořenů CO2 H2CO3 HCO3- + H+ HCO3- výměna za anionty v půdním roztoku na povrchu kořene H+ výměna za kationty na povrchu půdních částic, koloidů

23 Příjem minerálních živin a transport rostlinou Vlastnosti půdy půdy,, iontová výměnná kapacita Koloidy disperzní soustavy obsahující částice, které: jsou dostatečně malé aby zůstaly v suspenzi příliš velké na to, aby byly rozpuštěny a tvořily pravý roztok mají velký specifický povrch schopnost povrchově vázat kationty

24 příjem minerálních látek rostlinami příjem možný celým povrchem těla nejvíce kořeny z půdy zóna s kořenovými vlásky (mykorhiza) Základní mechanismy příjmu živin přijímány převážně jako ionty anionty, kationty z půdního roztoku

25 příjem minerálních látek Příjem listy -minerální látky v plynné formě: prostřednictvím průduchů -(NH3, SO2, NO2), -možný je i opačný proces únik plynných forem z listu do atmosféry (NH3, H2S a další těkavé sirné sloučeniny) -minerální látky v kapalné formě: difuzí přes kutikulu (prostřednictvím hydrofilních pórů)...hnojení na list (železo, měď, Mn, dusík)

26 příjem minerálních látek kořeny Faktory kořenového systému, které ovlivňují příjem iontů kořenem: - velikost a architektura kořenového systému - morfologie kořene (průměr, kořenové vlásky) - kapacita pro příjem živin na jednotku délky nebo plochy kořene - schopnost uvolňování látek, které ovlivňují chemické vlastnosti rhizosféry - mykorrhiza - aktuální požadavek rostliny - transport živin přes plazmatickou membránu

27 příjem minerálních látek rostlinami Morfologie kořenového systému: různé typy kořen hlavní a kořeny postranní Allorhizie (nahosemenné a dvouděložné) kořeny Svazčité Homorhizie (jednoděložné) Převzato od Dr. Votrubové

28 příjem minerálních látek rostlinami kořenové vlásky vznikají apikálním růstem buněk rhizodermis hustota kolem 100 na mm2 délka um (někdy až 1000 um) životnost několik dní

29 příjem minerálních látek buněčná stěna je pro minerální látky propustná cesty : apoplast symplast bariéra plazmatická membrána (Casparyho proužky) suberin hydrofobní síťovitý polymer mastných kyselin, alkoholů s dlouhým řetězcem a fenolických látek

30 příjem minerálních látek rostlinami Kořen absorbuje různé ionty v různých oblastech Vápník - Ca Apical region Železo Apical region (barley) Or entire root (corn) Draslík, nitrát, iont amonný, fosfát All locations of root surface - In corn, elongation zone has max K accumulation and nitrate absorption In corn and rice, root apex absorbs ammonium faster than the elongation zone does In several species, root hairs are the most active phosphate absorbers

31 příjem minerálních látek kořeny Růst kořenů do živinami bohatých oblastí půdy Vliv selektivní přítomnosti živin na tvorbu kořenového systému

32 Základní způsoby (resp. mechanismy) transportu těchto i dalších iontů a molekul v rostlinách jsou: -Hromadný tok roztoku -Prostá difuze - Transport prostřednictvím membránových bílkovin

33 Základní způsoby (resp. mechanismy) transportu těchto i dalších iontů a molekul v rostlinách jsou: -Hromadný tok roztoku transport na dlouhé vzdálenosti (viz Rostlina a voda). vázán na vodivá pletiva. Do nadzemních částí převážně transpiračním proudem nebo kořenovým vztlakem v xylemu, dálkový transport proti směru transpiračního proudu probíhá ve floemu, Mnohé minerální ionty tak v rostlinách cirkulují. Např. fosfát

34 Základní způsoby (resp. mechanismy) transportu těchto i dalších iontů a molekul v rostlinách jsou: - Hromadný tok roztoku - Prostá difuze - Transport prostřednictvím membránových bílkovin

35 Základní způsoby (resp. mechanismy) transportu těchto i dalších iontů a molekul v rostlinách jsou: - Prostá difuze 1. Fickův zákon (viz Rostlina a voda). flux permeability areas of cell membrane coefficient (cm/s) Spontánně, směr je určen gradientem chemického potenciálu (viz dále) Rostlinné membrány jsou pro velkou většinu biologicky významných molekul a iontů prakticky neprostupné. Čím jsou difundující částice větší a polárnější, tím je jejich membránová permeabilita menší. Jen několik biologicky významných solutů je však nepolárních a jen tři (02 CO2 a NH4+) pronikají lipidní dvouvrstvou difuzí.

36 Základní způsoby (resp. mechanismy) transportu těchto i dalších iontů a molekul v rostlinách jsou: -Hromadný tok roztoku -Prostá difuze - Transport prostřednictvím membránových bílkovin

37 Transport látek přes membránu prostřednictvím membránových bílkovin

38 Transport minerálních látek přes membrány membrány selektivně propustné bariéry množství volné energie schopné konat práci = transportovat látku přes membránu je dáno: koncentrací dané látky tlakem nábojem hodnota i (chemický potenciál) integruje působení těchto faktorů Gibbsova volná energie a chemický potenciál

39 Transport minerálních látek přes membrány Gibbsova volná energie a chemický potenciál 1. hlavní věta termodynamiky o zachování energie (energie vesmíru je konstantní 2. Hlavní věta termodynamiky o produkci entropie (entropie vesmíru vzrůstá Pro biologické procesy, kdy stejný tlak změnu vnitřní energie du možno nahradit H (enthalpie) Reační enthalpie dh vyjadřuje přeměnu energie v reakci Část enthalpie schopná konat práci = Gibbsova volná energie dg = dh TdS kde dh - změna enthalpie, T - absolutní teplota, ds změna entropie Změna Gibbsovy volné energie je ta část reakční enthalpie, která ve spontánně probíhajícím procesu může být maximálně přeměněna v práci

40 Transport minerálních látek přes membrány množství volné energie schopné konat práci = transportovat látku přes membránu je dáno: koncentrací dané látky tlakem nábojem hodnota i (chemický potenciál) integruje působení těchto faktorů = Gibbsova volná energie na mol určitého druhu látky (i) u iontů hraje důležitou roli náboj potenciál elektrochemický i vyjadřuje se jako napětí v mv nebo jako energie v kj. mol-1

41 Transport minerálních látek přes membrány množství volné energie schopné konat práci = transportovat látku přes membránu je dáno: koncentrací dané látky tlakem nábojem hodnota i (chemický potenciál) integruje působení těchto faktorů Pohyb látek přes membránu: hnací silou je jµrozdíl chemického potenciálu dané látky na opačných stranách membrány u iontů hraje důležitou roli náboj potenciál elektrochemický i vyjadřuje se jako napětí v mv nebo jako energie v kj. mol-1

42 Transport minerálních látek přes membrány složka: i chemický potenciál iontu i = koncentrační tlaková i0 + R. T. ln Ci + PVi + chemický potenciál iontu i za standardních podmínek koncentrační složka iontu i tlaková složka iontu i elektrická zi. F. E složka elektrického potenciálu iontu i (vliv náboje) R = univerzální plynová konstanta (8,314 J.mol -1.K-1) T = teplota v kelvinech ln Ci = přirozený logaritmus koncentrace iontu i P = tlak (rozdíl tlaku na iont v soustavě a tlakem atmosférickým = hydrostatický tlak v buňce) Vi = parciální molální objem iontu i zi = elektrostatický náboj (K+ = +1; Cl - = -1) F = Faradayova konstanta (96484 C. mol-1; C = coulomb, J/ V.mol) E = celkový elektrický potenciál (napětí) prostředí (V = volt)

43 Transport minerálních látek přes membrány chemický potenciál v kompartmentu A chemický potenciál v kompartmentu A Popis situace Pasivní transport (difuse) probíhá samovolně po spádu gradientu chemického potenciálu Rovnováha pokud neprobíhá aktivní transport stabilní stav Aktivní transport probíhá proti spádu gradientu chemického potenciálu G nutný k přesunu 1 molu látky z kompartmentu A do B = rozdílu Reakce musí být spřažena s procesem jehož G je negativnější než ( )

44 Transport minerálních látek přes membrány hybná síla transportu iontu do buňky je dána rozdílem elektrochemického potenciálu iontu v apoplastu a v cytosolu K+ = K+A - K+C < 0 možný pasivní transport 0 nutno dodat energii = 0 stejný počet iontů se přenáší oběma směry rozdíl elektrických potenciálů na opačných stranách membrány může udržet transport určitého iontu v dynamické rovnováze i při značném rozdílu koncentrace iontu tento potenciál se nazývá potenciál Nernstův (EN) CiA RT ENi = EA EC = zif ln CiC

45 Transport minerálních látek přes membrány rozdíl elektrických potenciálů na opačných stranách membrány může udržet transport určitého iontu v dynamické rovnováze i při značném rozdílu koncentrace iontu tento potenciál se nazývá potenciál Nernstův (EN) CiA RT ENi = EA EC = zif Po nahrazení konstant číselnými hodnotami můžeme Nernstovu rovnici pro jednomocný kationt a 25 C dále zjednodušena takto Z rovnice vyplývá, že desetinásobný rozdíl v koncentraci iontu (mezi oběma kompartmenty) odpovídá Nernstovu potenciálu 59 mv, v případě dvojmocného iontu 29,5 mv. Tj. membránový potenciál 59 mv udrží (resp. vyváží) desetinásobný koncentrační gradient jednomocného iontu transportovaného difuzí. ln CiC

46 Transport minerálních látek přes membrány rozdíl elektrických potenciálů na opačných stranách membrány může udržet transport určitého iontu v dynamické rovnováze i při značném rozdílu koncentrace iontu tento potenciál se nazývá potenciál Nernstův (EN) CiA RT ENi = EA EC = zif ln CiC

47 Transport minerálních látek přes membrány biologické membrány oddělují prostředí s velmi rozdílnými elektrickými potenciály = potenciál membránový (Vm) Taiz and Zeiger 2002

48 Transport minerálních látek přes membrány biologické membrány oddělují prostředí s velmi rozdílnými elektrickými potenciály = potenciál membránový (Vm) vzniká komplexním působením komponent membrány i obou prostředí negativní náboj je na straně cytosolu vzniká aktivním transportem protonů z cytosolu protonovými pumpami rozdílná koncentrace protonů na membráně = protonmotorická síla (pmf -proton motive force) v jednotkách elektrického napětí (dělěno F) -200 až -300 mv obvykle se udává -268 mv Taiz and Zeiger 2002

49 Transport minerálních látek přes membrány Membránové potenciály vznikají třemi způsoby: 1. Difúze: anionty a kationty určitého elektrolytu membránou rozdílnými rychlostmi (v důsledku rozdílných koeficientů permeability). 2. Donnanova rovnováha - působení fixovaných iontů: Většina cytosolických bílkovin nese při fyziologickém ph 7,5 záporné náboje (na karboxylech RCOO- aminokyselinových zbytků), které jsou vyvažovány hlavně ionty K+. Vnitrobuněčná koncentrace K+ je ve srovnání s koncentrací vnější vysoká. Draselné ionty budou tedy volně difundovat prostřednictvím draslíkových kanálů z buňky, ale současně budou přitahovány zpět do buňky nedifuzibilními, v buňce fixovanými anionty. Ve výsledné rovnováze bude síla koncentračního gradientu ženoucího K+ z buňky vyvažována silou elektrického gradientu táhnoucího draslíkové ionty zpět do buňky. Anionty budou odpuzovány převahou vnitřních fixovaných záporných nábojů a přitahovány vnějšími kladnými náboji. Takovéto rozdělení imobilních (záporných) a mobilních (kladných a záporných) nábojů vede ke vzniku tzv. Donnanova potenciálu. 3. Vm vzniká hlavně aktivním vylučováním (pumpováním) vodíkových iontů z vnitřního cytoplasmatického do vnějšího buněčného prostoru (zde jako vnějšek platí také obsah vakuoly). K tomu dochází činností membránových enzymů - protonové pumpy. V dynamické rovnováze je kontinuální činnost protonových pump kompenzována tokem pozitivních nábojů do cytosolu nebo negativních z cytosolu. Rovnováha mezi vysokou permeabilitou K+ a činností protonových pump v membránách je obvykle hlavním faktorem, který stabilizuje V m rostlinných membrán (viz dále Kanály pro K+). Za určitých podmínek může přechodně nastat značné zvýšení permeability membrány pro anionty nebo pro Ca2+. To obvykle vyvolá přechodné vychýlení V m k pozitivním hodnotám neboli depolarisaci membrány: anionty vytékají z cytosolu nebo ionty Ca2+ do něho vtékají. Skripta Luštinec a Žárský

50 membránový potenciál plazmalemy asi -150 mv tonoplastu -20 mv až -90 mv činností pump (H+ a Ca2+ATPáz) se membrána hyperpolarizuje importem kationtů do cytosolu a exportem aniontů do apoplastu se membrána depolarizuje rychlost transportu dané látky ovlivněna propustností = permeabilitou membránytaiz and Zeiger 2002

51 transportu látek přes membránu slouží pumpy přenašeče kanály

52 transportu látek přes membránu slouží pumpy přenašeče kanály Kanál Přenašeč Pumpa prostá difúze Pasivní transport (ve směru gradientu elktrochemického potenciálu) Primární aktivní transport (proti směru gradientu elektrochemického potenciálu) Taiz and Zeiger 2002

53 transportu látek přes membránu slouží pumpy přenašeče kanály Pumpy: membránové bílkoviny enzymového charakteru, hydrolysují ATP nebo pyrofosfát a pomocí uvolněné chemické energie transportují ionty vodíkové (H+), vápenaté (Ca2+) a sodné (Na+) jakož i některé látky organické z jedné strany membrány na druhou. Charakterizovány jsou jako elektrogenní a elektroneutrální. Činností elektrogenních pump dochází k čistému pohybu náboje přes membránu, elektroneutrální pumpy takovýto pohyb náboje nezpůsobují. Elektrogenním transportem kationtů z vnitřního do vnějšího buněčného prostoru se vytváří negativní membránový potenciál - vnitřní prostor se stává elektronegativní Pumpy pohánějí aktivní membránový transport klasifikovaný jako primární. Skripta Luštinec a Žárský

54 transportu látek přes membránu slouží pumpy pumpy přenášejí iont nebo molekulu do míst s jeho vyšší koncentrací nutno dodat energii získává se z ATP nebo PPi primární aktivní transport H+ pumpy lokalizovány na celé řadě membrán (plazmalema, tonoplast, ER) H+ATPázy typ P v plazmatické membráně (10 transmembránových domén, u Arabidopsis 10 genů) 1 ATP 1 H+ typ V v tonoplastu (část V0 v tonoplastu, V1 v cytosolu, 1 ATP 2H+ do vakuoly) typ F v chloroplastech. mitochondriích H+PPázy štěpí PPi (pyrofosfát) mladá vyvíjející se pletiva, 16 transmembránových domén Ca2+ATPázy udržují nízkou hladinu Ca2+ v cytosolu, k transportu je třeba ATP a protonmotorická síla Vakuolární H+-pyrofosfatasa - Protony uvolněné při hydrolyse anorganického pyrofosfátu (PP) pumpuje do vakuoly a do Golgiho cisteren. Je specifická pro rostliny. ABC-transportéry (ATP-binding casette) v tonoplastu, přenos látek do vakuoly transportují různé sekundární metabolity, např. flavonoidy, produkty rozkladu chlorofylu a některá xenobiotika

55 transportu látek přes membránu slouží pumpy H+ATPase-proton pumps are the major factor in the membrane potential of most plant cells antiport symport Uncharged solute (ex. sugars) H+ATPase - plasma membrane-type protonpumping ATPase (Ptype ATPase) H+ATPase - tonoplasttype proton-pumping ATPase (V-type ATPase) Převzato Žárský a Kulich

56 transportu látek přes membránu slouží pumpy H+ATPázy typ P v plazmatické membráně (10 transmembránových domén, u Arabidopsis 10 genů) 1 ATP 1 H+ Plasma membrane type proton-pumping ATPase P-type ATPase) Hydrolysis of ATP at the binding site is thought to change the conformation of the enzyme, thereby exposing the H+-binding site to the outside of the membrane where the H+ is released. vnitřní straně plasmalemy hydrolyzuje ATP a H+ přenáší (pumpuje) na vnější stranu membrány. Vzniklá protonmotorická síla pohání různé přenašeče a prostřednictvím V m podporuje transport iontů přes kanály. The ATP-binding site of P-type ATPase is an aspartic acid residue (D). Převzato Žárský a Kulich

57 transportu látek přes membránu slouží pumpy H+ATPázy typ P v plazmatické membráně Plasma membrane-type proton-pumping ATPase (P-type ATPase) inhibited by VO3-, stimulated by K+, insensitive to NO3-. VO3- is competing with phosphate for phosphate binding site, so there is phosphoryl transfer between ATP and P-type ATPase. Převzato Žárský a Kulich

58 transportu látek přes membránu slouží pumpy H+ATPázy typ P v plazmatické membráně P-H+-ATPasy mají další funkce: a) Vlivem auxinu se více exprimují a okyselují buněčnou stěnu (na ph 5,5 až 5,0) a tím umožňují expansní růst buněk (viz Fytohormony). b) Odčerpávají přebytečné vodíkové ionty z cytosolu a přispívají ke stabilitě cytosolického ph, jeho obvyklá hodnota je 7,0-7,5. c) Podílejí se na schopnosti kořenů okyselovat půdu. (K tomu dochází i respirací kořenů.) Převzato Žárský a Kulich

59 transportu látek přes membránu slouží pumpy H+ATPázy typ V v tonoplastu tonoplast-type proton-pumping ATPase (V-type ATPase) vakuolární H+ ATPáza protonová pumpa V-ATPaza v tonoplastu V1 katalytická část pro štěpení ATP V0 trasmembránový komplex pro přenos protonů Převzato Žárský a Kulich

60 transportu látek přes membránu slouží pumpy H+ATPázy typ V v tonoplastu tonoplast-type proton-pumping ATPase (V-type ATPase) - Pumpuje protony do vakuloy, udržuje vakuolu více pozitivní než cytosol, takže anionty (Cl-) mohou do vakuoly. - strukturálně se více podobá F-typu ATPases (chloroplast and mitochondria) - inhibited by NO3-, it is insensitive to VO3-, oligomycin, azide. The insensitivity of vanadate (VO3-) indicate that it does not form complex with phosphate. Převzato Žárský a Kulich

61 transportu látek přes membránu slouží pumpy Ca2+-ATPases Plasma membranes, chloroplast envelope, ER, and vacuolar membrane also contain calcium-pumping ATPases (Ca2+ATPase). Ca2+-ATPase couple the hydrolysis of ATP with the translocation of Ca2+ across the membrane. In the case of plasma membrane, the calcium is pumped out of the cytosol to keep [Ca2+] low so phosphate won t precipitate and the Ca2+-dependent signaling pathways operating properly. [Ca2+]i signal attenuation Převzato Žárský a Kulich

62 transportu látek přes membránu slouží přenašeče přenašeče při přenosu mění konformaci přenos aktivní nebo pasivní membránové transportní bílkoviny katalysující pohyb anorganických iontů a jednoduchých organických molekul přes membránu. Spřažení sestupného (exergonického) toku protonů se vzestupným (endergonickým) tokem solutů. Tok solutu katalysovaný přenašečem ve stejném směru jako tok H+ se nazývá symport. Tok solutu katalysovaný přenašečem proti toku H+ se nazývá antiport. Při něm dochází k výměně solutů za protony. Při symportu i antiportu se protonmotorická síla převádí v elektrochemický potenciál transportovaných solutů. Membránový transport katalysovaný symportovými a antiportovými přenašeči (symportery a antiportery) probíhá díky cirkulaci protonů membránou: sekundární aktivní transport. Některé přenašeče katalyzují i pasivní membránový transport, který bývá označován jako usnadněná difuze (faciliated diffusion), ačkoliv se difuzi podobá jen v tom, že transport látek probíhá po spádu elektrochemického potenciálu bez spotřeby další energie. Luštinec a Žárský

63 transportu látek přes membránu slouží přenašeče přenašeče při přenosu mění konformaci přenos aktivní nebo pasivní schéma sekundárního aktivního transportu přenašečem (symport) Taiz and Zeiger 2002

64 transportu látek přes membránu slouží přenašeče přenašeče při přenosu mění konformaci přenos aktivní nebo pasivní Charakteristické znaky: Sekundární aktivní transport membránovými přenašeči má tyto charakteristické znaky: (1) Je poháněn metabolickou energií v podobě protonmotorické síly. (2) Je selektivní -substrátově vysoce specifický. (3) Může probíhat proti koncentračnímu spádu. (4) Vyznačuje se saturační kinetikou, tj. hyperbolickým vztahem mezi rychlostí transportu a koncentrací transportovaného solutu (obr. 33). Tento vztah může být v mnoha případech vyjádřen rovnicí Michaelise a Mentenové. Obr. 33. Aktivní transport a difuze solutu v závislosti na jeho koncentraci. Při velmi nízkých koncentracích se rychlost aktivního transportu zvyšuje proporcionálně se stoupající koncentrací, zatímco při vysokých koncentracích se postupně zpomaluje, až dosáhne maximální rychlosti (Vmax ). Luštinec a Žárský Koncentrace solutu

65 transportu látek přes membránu slouží přenašeče přenašeče Kinetika transportu : difuze vs. přenašeče Taiz and Zeiger 2002

66 transportu látek přes membránu slouží přenašeče sekundární aktivní transport A např. cukr B např. Na+ Taiz and Zeiger 2002

67 transportu látek přes membránu slouží kanály kanály usnadňují pasivní spontánní přenos látek přes membránu zůstávají otevřeny různě dlouhou dobu, spontánně se zavírají různá míra selektivity vlastní přenos látky není spojen se změnou konformace transportního proteinu (otvírání a zavírání ano) Hnací silou pohybu iontů kanálem je gradient jejich elektrochemického potenciálu. Průchodnost kanálů je regulována mechanismem fungujícím jako molekulární branka, která se na podnět určitých signálů otvírá a zavírá. podněty: změna membránového potenciálu, vápenaté ionty, ph, světlo nebo fytohormon Čtvereční mikrometr membrány obsahuje několik set až několik tisíc pump, ale jen I až 10 kanálů. Tok iontů kanálem je tak silný, že lze měřit jeho elektrickou vodivost a stanovit jeho transportní kapacitu. Takové měření lze provést metodou "patch clamp". Kanály se střídavě otvírají a zavírají

68 transportu látek přes membránu slouží kanály kanály - Low affinity K+ channels Kanály pro K + Vnitrobuněčná koncentrace draselných iontů, ovlivňující mnohé životně důležité funkce rostlinné buňky, je regulována především prostřednictvím zvláštních draslíkových tzv. rektifikačních kanálů, které jsou aktivovány určitými membránovými potenciály. (Za nedostatku draslíku v půdě se zvyšuje také aktivita přenašečů draslíku.) V plasmalemě existují kanály pro pohyb draselných iontů směrem do cytoplasmy (tzv. přítokové rektifikační kanály, inward rectifiers) a kanály pro pohyb směrem z cytoplasmy (tzv. výtokové rektifikační kanály, outward rectifiers). Kanály pro K + After depolarization K+ are released to outside. After hyperpolarization K+ are released to inside. Převzato Žárský a Kulich

69 transportu látek přes membránu slouží kanály kanály - Low affinity K+ channels Taiz and Zeiger 2002

70 transportu látek přes membránu slouží kanály kanály Tok iontů kanálem je tak silný, že lze měřit jeho elektrickou vodivost a stanovit jeho transportní kapacitu. Takové měření lze provést metodou "patch clamp". Kanály se střídavě otvírají a zavírají měření s celým protoplastem měření s vyjmutým políčkem plasmalemy Měření elektrického proudu procházejícího iontovými kanály pomocí metody "patch clamp". Skleněná pipeta o průměrem špičky asi 1 mm, obsahující elektrodu a elektrodovou kapalinu, je uvedena ve styk s membránou izolovaného protoplastu (viz kap. o izolovaných protoplastech) nebo buněčné organely (např. vakuoly). Slabým sáním při lne membrána k ústí pipety a její část (patch) může být z protoplastu odtržena. Koncová část pipety má funkci jakési svorky nebo držáku (clamp). Proud procházející iontovými kanály přítomnými v takto izolovaném kousku membrány může být po příslušné amplifikaci měřen. Převzato: Luštinec a Žárský

71 Transport látek přes membránu pumpy přenašeče kanály Pavlová 2005 Přednáška Fyziologie rostlin MB130P MB130P1 14 Katedra experimentální biologie rostlin, Albrechtová, 2011

72 transportu látek přes membránu slouží pumpy přenašeče kanály rychlost transportu kanály přenášejí 106 až 108 iontů za sekundu přenašeče přenášejí 103 iontů za sekundu pumpy přenášejí 102 iontů za sekundu

73 Taiz and Zeiger 2002

74 Příjem minerálních živin a jejich asimilace a využití rostlinou

75 DUSÍK

76 Cyklus dusíku (terestrický) dusík N schéma koloběhu dusíku v biosféře a v půdě

77 Cyklus dusíku (terestrický) dusík N schéma koloběhu dusíku v biosféře a v půdě

78 Cyklus dusíku (terestrický) dusík N schéma koloběhu dusíku v biosféře a v půdě

79 Cyklus dusíku (terestrický) dusík N schéma koloběhu dusíku v biosféře a v půdě

80 Cyklus dusíku (terestrický) dusík N schéma koloběhu dusíku v biosféře a v půdě Nitrosomonas Nitrobacter

81 Cyklus dusíku (terestrický) dusík N schéma koloběhu dusíku v biosféře a v půdě Nitrosomonas Nitrobacter

82 Cyklus dusíku (terestrický) dusík N schéma koloběhu dusíku v biosféře a v půdě Rhizobium Frankia Anabena Nitrosomonas Nitrobacter

83 Dusík - N -nejdůležitější minerální živina (2-5% SH) -Je potřeba v největším množství -Dostupnost dusíku ovlivňuje Řadu fyziologických procesů: - produkci biomasy a její distribuci - ontogenetický vývoj - hormonální rovnováhu (cytokininy, ABA) - rychlost fotosyntézy a rovnováhu metabolismu +N - transport látek v rostlině - obsah prvků a metabolitů v rostlině -N

84 Dusík - N Výskyt v těle rostlin aminokyseliny, proteiny, nukleové kyseliny, porfyriny, kofaktory, fytohormony, alkaloidy Projevy deficience: -zpomalení růstu -chloróza- žloutnutí a opad starších listů - snadno pohyblivý mezi částmi rostliny, recyklace -zdřevnatělé stonky - (přebytek polysacharidů, C:N poměr) - akumulace anthocyaninů obiloviny (purpurové zbarvení listů, stonků)-rajče,

85 Dusík - N Projevy deficience: převzato z přednášky M. Srby Masožravé rostliny -zpomalení růstu -chloróza- žloutnutí a opad starších listů - snadno pohyblivý mezi částmi rostliny, recyklace -zdřevnatělé stonky - (přebytek polysacharidů, C:N poměr) - akumulace anthocyaninů obiloviny (purpurové zbarvení listů, stonků)-rajče,

86 Příjem dusíku NH4+ rychle metabolizován v cytoplazmě (je toxický ve vyšší koncentraci ) vázán na kyselinu glutamovou glutamin více než jeden přenašeč v membráně různá afinita NO3- symport s 2H+ redukce rovnou v kořeni nebo transport a redukce v mezofylu uložení do vakuol transportní systémy s nízkou a vysokou afinitou k NO3-

87 Příjem dusíku Dva typy transportních systémů: s nízkou a vysokou afinitou k NO3-

88 Asimilace N - nitrát ue.edu/rhodcv/hort6 40c/nuptake/NR30. gif Nitrátreduktáza (NR) Kde? - cytoplasma, vnější membrána plastidů NO3- + NAD(P)H+ H+ + 2e- NO2- + NAD(P) + H2O Regulace NR: aktivace NO3-, světlem, sacharidy, cytokininy (transkripce, translace) posttranslační modifikace (reverzibilní fosforylace = inaktivace) Nitritreduktáza (Ni NiR) X Kde? chloroplasty (plastidy v kořenech) NO2- + 6Fdred + 8H+ + 6e- NH4+ + 6Fdox + 2H2O Regulace NiR: aktivace NO3-, světlem, inhibice asparagin, glutamin

89 Asimilace N - nitrát - první fáze -redukce NO3-, nitrátreduktáza v cytosolu N+5 N+3 - druhá fáze, nitritreduktáza v plastidu N+3 N-3 Model spřažení elektronového transportu v primární fázi fotosyntézy a redukce dusitanu přes redukovaný ferredoxin

90 Asimilace N ionty amonné Zabudování NH4+ Glutaminsyntáza (GS) cytoplazmatická (dominantní forma, v kořenech, transport) plastidová (regulace světlem a sacharidy, lokál. spotřeba) Glutamátsyntáza (GOGAT) plastidy

91 Asimilace N ionty amonné Zabudování NH4+ Alternativní dráha glutamátdehydrogenáza (GDH) mitochondrie a chloroplasty Hlavní funkce: realokace dusíku

92 Asimilace N ionty amonné sumárně asimilace NH4+ NH4+ + glutamát + ATP NH4 ++ glutaminsyntetáza GS glutamin + ADP + Pi glutamátdehydrogenáza 2-oxoglutarát + NAD(P)H GDH glutamát + NAD(P)+ + H2O glutamin + oxoglutarát + NADH glutamátsyntáza GOGAT 2 glutamát + NAD+ asparaginsyntetáza glutamin + aspartát + ATP glutamát + asparagin + AMP + PPi AS aminotransferázy = transaminázy

93 Asimilace N ionty amonné sumárně ve vzorcích

94 Asimilace N - biosyntéza AMK Transaminace Př.: Aspartátaminotransferáza (aminotransferázy) Kde? - téměř všude ( v cytoplasmě, chloroplastech, mitochondriích, glyoxysomech, peroxisomech) Syntéza N-bohatých AMK Amidy- glutamin, asparagin Asparaginsyntáza (AS) cytoplasma Hlavní funkce asparaginu: důležitá transportní a zásobní forma AMK Hlavní funkce aspartátu: -malát-aspartátový člunek přenáší red. ekviv. z mitochondrií a chloroplastů, účast na metabolismu C4 rostlin v mezofylu, kofaktor vitaminu B6

95 Asimilace N - biosyntéza AMK AMK se sírou glykolýza transaminace v peroxisómu viz fotorespirace syntéza šikimátovou cestou společné s alkaloidy, ligninem viz sekund. metabolity asimilace NH4+

96 Asimilace N lokalizace v rostlině Redukce nitrátu: - probíhá v nadzemní i podzemní části (v závislosti na rostlinném druhu a aktuálních ekologických podmínkách) přenašeč nitrátu NO H+ + 8e- NH3 + 2H2O + OH(mocenství N se mění z +5 na 3) plasmatická membrána

97 Asimilace N lokalizace v rostlině Redukce nitrátu závisí na množství přijatého NO3- list Nízký příjem - asimilace v kořeni Zvýšený příjem transport do nadzemních částí - druhově specifické mírné pásmo redukce převážně v kořeni, - tropické a subtropické druhy převažuje redukce v nadzení části kořen

98 formy N v xylému u různých druhů rostlin Druhově specifické allantoin kyselina allantoová

99 Preference rostlin pro příjem N Nitrát versus amonný iont: - dostupnost v prostředí x preference rostliny NH4 + tolerantní: rýže, ostřice borůvky, brusinky, vřes klimaxové jehličnany (smrk, tsuga) některé krytosemenné dřeviny mírného pásma (dub, buk, habr) eukalypty NH4 + citlivé: rajče, brambor, fazol, ječmen pionýrské dřeviny (topol) - toxicita amonného iontu růst, distribuce biomasy příjem ostatních živin transport látek v rostlině oslabení protonového gradientu!

100 Energetická bilance asimilace N 25% veškeré energie

101 Proč nevyužívají rostliny molekulární dusík (N2), když v atmosféře je ho 78 %? N N

102 Fixace vzdušného dusíku fixace vzdušného dusíku symbióza s prokaryotickými organizmy Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin Katedra fyziologie rostlin, UK PřF, doc. Albrechtová

103 Fixace vzdušného dusíku fixace vzdušného dusíku symbióza s prokaryotickými organizmy nodulující: bakterie Rhizobium, Sinorhizobium, Bradyrhizobium, Azotobacter (čel. Fabaceae) aktinomycety Frankia (symbióza např. s Alnus, 60 druhů rostlin z 9 čeledí) nenodulující: sinice Anabena (symbióza s Azolla), Nostoc (houby, mechorosty, cykasy,) bakterie - Acetobacter diazotrophicus v apoplastu stonku cukrové třtiny Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin Katedra fyziologie rostlin, UK PřF, doc. Albrechtová

104 Fixace vzdušného dusíku N ATP + 8 e- +8 H+ nitrogenáza 2 NH3 + H ADP + 16 Pi nitrogenáza inhibována O2 a vznikajícím NH3 leghemoglobin protein s hemem reguluje přístup O2-vysoká afinita k O2 (10x vyšší afinita ke kyslíku než u hemoglobinu červených krvinek) protein syntetizován hostitelskou rostlinou hemová prostetická skupina produkována bakterií Zdroj: Pavlová

105 Fixace vzdušného dusíku vznik kořenových hlízek nutná exprese specifických genů v obou organismech rostlina: nodulinové geny (Nod) bakterie: nodulační geny (nod) kořeny vylučují látky (flavonoidy) ke kořeni kladná chemotaxe bakterií Vazba na produkt genů bakterie nod nodulujících genů aktivace exprese dalších Kontakt s kořenovým vláskem, depolarizace plasmatické membrány, hydrolýza buněčné stěny tvorba infekčního vlákna a další exprese nodulinových bílkovin, morfogeneze hlízek Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin Katedra fyziologie rostlin, UK PřF, doc.albrechtová

106 Fixace vzdušného dusíku vznik kořenových hlízek Kladná chemotaxe bakterií Vylučování flavonoidů kořenem Kontakt s kořenovým vláskem Meristematický základ nodulu (hlízky)

107 Fixace vzdušného dusíku vznik kořenových hlízek Meristematický základ nodulu (hlízky) napojení na xylém Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. Vchlípení plasm. membrány, tvorba infekčního vlákna 2007 Katedra fyziologie rostlin, UK PřF, doc.albrechtová

108 Fixace vzdušného dusíku vznik kořenových hlízek peribakteriální membrána z plazmalemy nodulu (rostliny), také bakteriální proteiny Symbiozom ohraničený PBM Bakteroid forma aktivní fixace N2 symbióza hlízkových bakterií s rostlinami čeledi Fabaceae Upraveno: Pavlová Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin Katedra fyziologie rostlin, UK PřF, doc.albrechtová

109 symbióza hlízkových bakterií s rostlinami čeledi Fabaceae kůra hlízky s cévními svazky Hlízky růžové zbarvení je dáno leghemoglobinem Credit: Jennifer Dean infikované buňky neinfikované zralá hlízka sklerenchymatická pochva hlízky

110 SÍRA

111 síra přijímána jako SO42- - symport s 3 H+ redukována na S2- nebo vázána jako sulfát (sulfurylové skupiny) O II O- S OII O redukce je energeticky náročná thiolová skupina SH (cystein) - slouží vazbě dalších ligandů vazby v rámci molekuly proteinu (sulfátové můstky; Fe-S centra) cystein, methionon, KoA, vitaminy (thiamin B1)

112 síra glutathion - tripeptid = k. glutamová-cystein-glycin váže a tím inaktivuje endogenní toxiny i exogenní škodlivé látky vazbu katalyzují glutathion-s-transferázy transport komplexu do vakuoly glutathion je stavebním kamenem fytochelatinů (glutamát-cystein)2 až 11- glycin fytochelatiny vážou a tím inaktivují těžké kovy

113 asimilace síry přímá asimilace potřeba ATP redukce redukce je náročná na redukovaný ferredoxin probíhá v chloroplastech (plastidech)

114 DRASLÍK

115 draslík - K+ přijímán jako kation neváže se do stabilních struktur důležitý pro osmotické poměry buněk reverzibilní změny objemu buněk např. při pohybech průduchy, pohyby listů ovlivňuje hydrataci proteinů změny konformace vliv na aktivitu enzymů Buchanan 2000

116 draslík - K+ Příjem větší počet transportních proteinů vysokoafinitní - využívá se protonmotorická síla (symport s H+) nízkoafinitní příjem kanály v rostlině pohyblivý iont nedostatek se projevuje sníženým růstem a světlými skvrnami na starších listech

117 draslík - K+ Význam draslíku v rostlině: -účast na tvorbě membránového potenciálu (hlavní cytosolový kationt) -do jisté míry můž být zastoupen jinými kationty (Na+, Mg2+, Ca2+) -osmotikum (regulace turgoru) - cytosolu a v chloroplastech koncentrace K+ vysoká (80 až 200 mm) - funkčně nezastupitelný jiným kladně jednomocným prvkem (Na+) - buněčný růst - regulace otevřenosti průduchů (regulace rychlosti transpirace) - pohyby rostlin - vyrovnávání náboje v buňce, v xylému - účast v proteosyntéze, ve fotosyntéze, floémovém transportu - ovlivňuje odolnost rostliny vůči stresu

118 draslík - K+ Deficience draslíku: - žloutnutí listů, okrajová nekróza - pokles syntézy proteinů, enzymatické aktivity - snížená odolnost vůči suchu, mrazu, houbovým patogenům K deficientní rajče K deficientní kukuřice

119 VÁPNÍK

120 vápník Ca2+ distribuován xylémem redistribuce ze starších částí rostliny do mladších je velmi omezená vázaný vápníkové můstky v buněčné stěně a střední lamele ovlivňuje soudržnost lipidů v membránách stabilizace membrán (interakce s negativními náboji na povrchu membrány) volný a pohyblivý v apoplastu transport z cytosolu do apoplastu zajišťují Ca2+ATPázy vstup do cytosolu kanály difúze cytoplazmou je pomalá tvorba gradientů

121 vápník Ca2+ Příjem vápníku: - pasivní příjem - aktivní čerpání z cytoplazmy (Ca2+ pumpa)

122 vápník Ca2+ transport do apoplastu zajišťují Ca2+ATPázy vstup do cytosolu zajišťují kanály větší počet transportních proteinů reakce na různé signály plazmatická membrána kanály reagují na podněty mechanické změny membránového potenciálu tonoplast kanály reagují na membránový potenciál vazbu ligandů (např. IP3 inositoltrifosfát) difúze cytoplazmou je pomalá tvorba gradientů v buňce v cytoplazmě tvoří komplex s kalmodulinem vazba na proteiny modifikace konformace u rostlin přímá aktivace proteinů (kinázy, fosfatázy) kalmodulinová struktura na C-konci proteinů inhibuje kinázovou aktivitu N-konce vazba Ca2+ na C-konec inhibici zruší

123 vápník Ca2+ kalmodulin Ca2+ - druhý posel při přenosu signálů!!! zesílení signálu přijatého primárním receptorem

124 vápník Ca2+ Deficience vápníku: -poškození meristemů, -poruchy růstu vegetačních vrcholů

125 HOŘČÍK

126 hořčík Mg2+ - transportován xylémem, redistribuován floémem zásobní forma v semenech sůl kyseliny fytové kyselina fytová - hořčíkové můstky zajišťují správné funkční prostorové uspořádání ve strukturách stálých i dynamických (enzymatické reakce) aktivuje enzymy (např. Rubisco, RNApolymerázy, fosforylační reakce) složka chlorofylů zajišťuje soudržnost podjednotek ribozomů - proteosyntéza nedostatek chlorotické skvrny na listech

127 hořčík Mg2+ význam ve fotosyntéze: - součást chlorofylu (6-25% celk. obsahu Mg) - význam pro aktivitu Rubisca - význam pro transport sacharidů Aktivace Rubisco Signál: zvýšení ph (ve stromatu!) zvýšení koncentrace Mg2+ (vyrovnávání elektrického gradientu vzniklého přenosem H+ při fotochemii) karbamylace inaktivní aktivní

128 hořčík Mg2+ Deficience hořčíku: - intervenózní chlorózy - pokles rychlosti fotosyntézy, přesto hromadění nestrukturních sacharidů v listech - snížený růst

129 FOSFOR

130 fosfor - P přijímán jako fosfátový anion H2PO4- neredukuje se koncentrace v půdním roztoku 1 µm a nižší v cytosolu 5 až 10 mm rozdíl tří řádů a více význam endomykorhizy pro příjem fosfátu v rhizodermis přenašeč s vysokou afinitou k fosfátovému iontu - často limitující minerální živina O OH P HO O

131 fosfor fosfor -- PP Strategie rostliny k získávání fosfátu: - Zvyšování aktivity vysokoafinitního transportního systému na plazmalemě - Mykorhizní asociace - Změny architektury kořenového systému (délka, větvení) - Zvyšování hustoty kořenových vlásků a jejich délky - Uvolňování organických kyselin a protonů za účelem solubilizace fosforu - Vylučování fosfatáz za účelem uvolňování organicky vázaného fosforu

132 Změny architektury kořenového systému (délka, větvení) - Zvyšování hustoty kořenových vlásků a jejich délky fosfor - P proteoidní kořeny Banksia prionotes, Proteaceae, J-Z Austrálie dauciformní kořeny koř. vlášení Tetraria sp., Cyperaceae, J. Afrika

133 fosfor - P O OH P HO O v rostlině je volný (Pi) nebo vázaný (n. kyseliny, fosfolipidy) asimilován v kořeni i v nadzemní části, ukládán do vakuoly energetický metabolizmus vznik ATP (fotosyntéza, dýchání) ATP, GTP, CTP, UTP, TTP nukleové kyseliny kinázy, fosfatázy, mutázy význam fosforylace změna vnitřní energie aktivita enzymů (např. CDK) záporný pól změna konformace fosforylované molekuly často spojená se změnou lokalizace v buňce (např. transport do jádra) přenos signálů!!! (kinázové kaskády)

134 mikrobiogenní minerální prvky

135 chlór Clvšudypřítomný prvek osmoticky aktivní, v rostlině pohyblivý substituce organických látek (kys. chloroctová) stabilizuje komplex rozkládající vodu (asociován s PSII) významný s K+ při otevírání a zavírání průduchů - obsah v rostlině mg/g SH, skutečný požadavek kolem 0,2-0,4 mg/g SH - deficience při obsahu méně než 0,1-5,7mg/g SH, nad 500 mg/g SH toxicita

136 chlór Cl- Toxicita chlóru: - rozšířená (aridní oblasti) Deficience chlóru: - snížení růstu - vadnutí listů, intervenózní chloróza - potlačení rozvoje laterálních kořenů - halofytní x nehalofytní druhy - u rostlin podél silnic

137 mikrobiogenní minerální prvky kovy Brady a Weil 2002 rozpětí mezi deficiencí, optimálním zásobením a toxickými kocentracemi mnohdy velmi malé

138 železo Fe v půdě jako Fe3+ obtížně rozpustný, tvoří cheláty s organickými látkami (složky humusu, organické kyseliny) -100 mg/g SH, deficience při obsahu méně než mg/g SH, -nad 500 mg/g SH toxicita - v rostlině součástí různých ligandů - účast v oxidoredukčních reakcích v buňce, oxidační stavy Fe(II), Fe(III)

139 železo Fe příjem kořeny vylučují fenolické látky (např. kyselinu kávovou) tvoří komplexy s Fe3+ ionty Fe3+chelátreduktáza na vnější straně membrány rhizodermis - potřeba NAD(P)H Fe se uvolní z komplexu jako Fe2+ do cytosolu při nedostatku Fe se tvoří bohatě větvený kořenový systém čel. Poaceae vylučování fytosideroforů = fytometaloforů, které tvoří s Fe komplexy komplex je transportován přes membránu, v cytosolu je Fe3+ uvolněn fytosiderofor kyselina avenová transport xylémem Fe není v rostlině redistribuován

140 železo Fe Význam železa v rostlině: - význam v přenosu redukčních ekvivalentů v oxido-redukčních reakcích -součást proteinů zajišťujících přenos redukčních ekvivalentů 1. hemové proteiny cytochromy (chloroplasty, mitochondrie) nitrátreduktáza kataláza, peroxidáza (ligniny) 2. Fe-S proteiny ferredoxin SOD (superoxiddismutáza) Rieskeho bílkovina v cytochromu b6f (světelná fáze fotosyntézy) nitritreduktása, sulfitreduktáza akonitása (Krebsův cyklus)

141 Cytochromový komplex b6f důležití hráči při přenosu e- cytochrom b6 Rieskeho protein FeFe-S cytochrom f

142 železo Fe Ferritin zásobní forma Fe v rostlinách, živočiších, bakteriích i houbách - stroma plastidů - proteinový komplex s Fe lokalizovaným uvnitř fytoferritin zásobní forma v chloroplastech, Semenech jádro 5 až 6 tisíc Fe3+ (oxidy, fosfáty), proteinový obal

143 bór +B -B přijímán jako H3BO3 transport xylémem a redistribuce v rostlině strukturní úloha v buněčné stěně váže se na OH- hemicelulóz a fenolických látek (lignin) slunečnice nedostatek snížená tvorba RNA - narušená polarita buněk - desintegrace stonkových meristémů - tvorba dutin ve stonku metabolismu cukrů bylo prokázáno, že se vliv bóru projevuje v transportu glukozy z mladých orgánů do orgánů reprodukčních. Ryant 2003

144 mangan - příjem ve formě Mn2+, dostupnost ovlivněna ph a redoxními podmínkami (podobně jako Fe) - pohyblivost Mn v rostlině malá Význam manganu v rostlině: - význam v oxido-redukčních reakcích - přímá součást některých enzymů: Superoxiddismutáza (likvidace aktivních forem kyslíku) komplex vyvíjející kyslík - aktivace enzymů toxicita deficience

145 zinek přijímán v komplexech s organickými kyselinami vždy Zn2+ - funkce strukturní zinkové prsty transkripnční faktory enzymy alkoholdehydrogenáza, aldoláza, CuZnSOD stabilita ribozomů integrita membrán

146 zinek deficience - v přírodě častá (srážkami bohatá stanoviště, vápenité půdy), často společně s deficiencí Fe - zkracování internodií, zmenšování listů - chlorózy mladých listů Toxicita zinku: - kontaminant antropogenního znečištění - zastavení elongace kořenů, chlorózy listů

147 měď +Cu Deficience mědi: - poruchy tvorby reproduktivních orgánů - zasychání špiček listů - pokles lignifikace - sterilita pylu -Cu Deformace klasu ječmene při silném nedostatku mědi

148 měď vázána v komplexech s organickými látkami v půdě i při transportu v rostlině Význam mědi v rostlině: -význam v oxido-redukčních reakcích - 3 skupiny enzymů obsahujících měď: modré proteiny nemají oxidázovou aktivitu, účast v přenosu e- (např. plastocyanin) nemodré proteiny peroxidázy, oxidují mono- a difenoly proteiny obsahující více atomů mědi oxidázy (např. Askorbátoxidáza nebo difenoloxidáza)

149 nikl strukturní složka ureázy enzym důležitý v metabolizmu dusíku (štěpí močovinu = ureu; puriny allantoát, allantoin urea HN4+ + CO2) - požadavek rostliny nízký 0,005 µg/g SH - tolerance je charakteristická u rostlin na serpentinitech - schopnost hyperakumulace, komplexace, sekvestrace tařice zední Ni až 2,5% DW Berkheya coddii

150 molybden MoO2- - molybdenan Mo+6 rozpustný strukturní i katalytický kofaktor oxidačně redukčních enzymů (Mo+4, Mo+5) nitrátreduktáza, sulfitreduktáza nitrogenáza u prokaryotických symbiotických organizmů - 0,1 µg/g SH, toxicita nad 5 µg/g SH, deficience pod 0,03 µg/g SH Poškození růžice květáku (deficit Mo)

151 Benefiční prvky Na, Si, Co, Se, - pozitivní vliv na růst rostlin - zmírnění negativního působení jiného prvku - esenciální jen pro některé druhy SODÍK - esenciální pro některé druhy (Atriplex vesicaria, některé C4 zástupci čeledí Chenopodiaceae, Amaranthaceae, Cyperaceae) Toxicita sodíku: Atriplex vesicaria - rozšířená (aridní oblasti) - souvislost se salinitou halofytní x nehalofytní druhy

152 Benefiční prvky Na, Si, Co, Se, KŘEMÍK - v půdním roztoku jako kys. křemičitá Si(OH) mg Si/l, dostupnost závislá na ph 10-15% DW přesličky, vodní zástupci trav (např. rýže) 1-3% DW suchozemští zástupci trav včetně většiny obilnin, některé dvouděložné méně než 0,5% DW většina dvouděložných - esencialitu obtížné prokázat (přeslička, rýže, rajče, sója, okurka)

153 Benefiční prvky Na, Si, Co, Se, - pozitivní vliv na růst rostlin - zmírnění negativního působení jiného prvku - esenciální jen pro některé druhy KOBALT - intenzita příjmu a distribuce v rostlině závislá na druhu - požadavek především u rostlin se symbiotickou fixací N projevuje se jako deficience N

154 Benefiční prvky Na, Si, Co, Se, - pozitivní vliv na růst rostlin - zmírnění negativního působení jiného prvku - esenciální jen pro některé druhy SELEN - rozdíly v příjmu i toleranci k vyšší koncentraci Se v substrátu akumulátoři x neakumulátoři - toxicita nad µg Se g-1 SH, kozinec

155 Toxické prvky Al, Cd, Pb, Cr, Hg HLINÍK Působení hliníku na rostliny: benefiční vliv - VÝJIMEČNĚ toxický efekt -reakce rostlin na přítomnost Al3+ -Al3+ blokuje transportní ka-nály pro Ca2+ a K+ v plazmatické membráně - narušení struktury a dlouživého růstu kořene - citlivé druhy (pšenice, ječmen, čirok) - středně citlivé druhy (kukuřice, hrách, žito) - rostliny tolerantní k Al - čajovník akumulátoři µg Al/g SH jehličnany µg/g SH čajovník akumulátor Al