Fyziologie rostlin MB130P1 MB130P 14 Prof. Jana Albrechtová Viničná 5, 2. patro, místnost 207 konzultační hodiny po dohodě e-mailem http://kfrserver.natur.cuni.cz/studium/prehled.html Praktikum z Fyziologie rostlin MB130C1 MB130 C14 4 Dr. Michal Hála halam@natur.cuni.cz Týdenní turnus Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, doc. Albrechtová 1
Fyziologie rostlin MB130P1 MB130P 14 Místo konání: Viničná 7, 2. patro, B7, Zoologická posluchárna, 14:50-17:15 No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Téma: Formování a struktura předmětu biologie rostlin, Buněčné základy specifik rostlinné buňky. Fotosyntéza I. Fotosyntéza II. Dýchání Vodní provoz Signalizace u rostlin Minerální výživa rostlin Buněčné základy růstu a morfogeneze rostlin. Pohyby rostlin, rytmicita. Vývojová biologie I: Embryogeneze, vegetativní fáze vývoje Vývojová biologie II: Generativní fáze vývoje. Rozmnožování rostlin Rostlina a stres. Rostlinné biotechnologie; využití transgenních rostlin v základním výzkumu a v zemědělství Rostlina v systémech: soužití s dalšími organismy. Rektorský sportovní den Přednášející Jana Albrechtová CZ: Datum 21.2.2013 Lukáš Fischer Lukáš Fischer Lukáš Fischer Jan Petrášek Jana Albrechtová Jan Petrášek 28.2 7.3. 14.3. 21.3. 28.3. 4.4. David Honys 11.4. TEST David Honys 18.4. Jana Albrechtová Lukáš Fischer 25.4. 2.5. Jana Albrechtová 9.5. 16.5. Kolektiv vyučujících: prof. Jana Albrechtová garant albrecht@natur.cuni.cz Úvod, rostlinná buňka Minerální výživa Rostlina a stres Rostlina v systémech Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 2
Kolektiv vyučujících: Doc. Jana Albrechtová Dr. Lukáš Fischer Fotosyntéza, dýchání, Vodní provoz Biotechnologie Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, doc. Albrechtová Kolektiv vyučujících: Doc. Jana Albrechtová Dr. Lukáš Fischer Dr. Jan Petrášek Signální dráhy, fytohormony Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, doc. Albrechtová 3
Kolektiv vyučujících: Doc. Jana Albrechtová Dr. Lukáš Fischer Dr. Jan Petrášek Dr. David Honys Růst a vývoj rostlin molekulární základy Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, doc. Albrechtová Kolektiv vyučujících: Webová podpora kurzu: http://kfrserver.natur.cuni.cz/fr/ Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, doc. Albrechtová 4
Místnost - přednáška: čtvrtek, 14:50-17:15 Zoologická posluchárna B7, Viničná 7, 2. patro Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, doc. Albrechtová Zkouška: Způsob klasifikace kurzu: B130P14 Známka za absolvování kurzu Fyziologie rostlin B130P14 pro odbornou biologii se skládá z několika součástí: 1. Semestrální test po první části kurzu, tj. na přednášce 11.4.2013 3. Zkouškový test: ve zkušebním termínu. Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 5
Zkouška: Nutnou podmínkou pro připuštění ke zkoušce je složit semestrální test nad stanovený limit 54%. Za semestrální test je možno obdržet maximálně 100 procent. Klasifikace semestrálního testu: Test v semestru bude ve formě otázek a 4 odpovědí (1 správná). Semestrálním testem je možné získat bonus pro zkouškový test: 100%-85%: +8% pro zkouškový test 84%-70%: +4% pro zkouškový test 69%-55%: +0% pro zkouškový test méně než 54%: nutno psát test znovu. Celkový bonus za výsledek testu může vylepšit celkovou klasifikaci při zkouškovém testu. Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Zkouška: Studenti, kteří test napsali a nejsou spokojeni s výsledkem mají též možnost psát test znovu, avšak s následujícím rizikem: při rozhodnutí psát test znovu bude předchozí výsledek testu anulován, tj. dosáhnete-li horšího výsledku než při prvním pokusu, započítává se Vám výsledek druhý, nezávisle na předchozím výsledku. Zkouškový test Zkouškový test je pouze formou otázek (celkem 25) a je třeba vypsat odpověď. K celkovému počtu bodů získaných při závěrečném testu se připočítávají body získané za semestrální test v rozsahu 0-8% dle výsledků ze semestrálního testu. Výborně: 100%-85%: Velmi dobře: 84%-70%: Dobře: 69%-55%: Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 6
Studijní materiály - česky: Pavlová L.: Fyziologie rostlin. - Karolinum, Praha 2005. Luštinec J., Žárský V.: Úvod do fyziologie vyšších rostlin. - Karolinum, Praha, 2003. http://kfrserver.natur.cuni.cz/studium/prednasky/pavlova/fyziologie_ rostlin/index.html (jednotlivé kapitoly jsou ke stažení ve formátu pdf) (Procházka S. a kol.: Fyziologie rostlin. - Academia, Praha, 1998. pozor, chyby!!! Kincl M., Krpeš V.: Fyziologie rostlin. - Ostravská Univerzita, 1994. Masarovičová E., Repčák M. a kol.: Fyziológia rastlín. - Univerzita Komenského Bratislava, 2002.) Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Studijní materiály - anglicky: Taiz L., Zeiger E.: Plant Physiology. - Sinauer Associates, Inc., Sunderland, Massachusetts 2006, 4th edition. Salisbury F.B., Ross C.W.: Plant Physiology. - Waldsworth Inc., California, 1992. Buchanan B.B., Gruissem W., Jones R.L.: Biochemistry and Molecular Biology of Plants. - Am. Soc. Plant Physiol., Rockville, Maryland 2001. Mohr H., Schopfer P.: Plant Physiology. - Springer, Berlin, 1995. Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 7
Studijní materiály - anglicky: Taiz L., Zeiger E.: Plant Physiology. - Sinauer Associates, Inc., Sunderland, Massachusetts 2006, 4th edition. Buchanan B.B., Gruissem W., Jones R.L.: Biochemistry and Molecular Biology of Plants. - Am. Soc. Plant Physiol., Rockville, Maryland 2001. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr www.plantphys.net http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 8
Stromy jsou z kapustových listů, skály ze sladkých brambor, propast z chleba a nebe z purpurové čekanky. www.carlwarner.com/ http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Rýže, kokosový ořech, různé druhy obilí a purpurové nebe ze zelného listu. Pastýřská krajina. www.carlwarner.com/ http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 9
Přednáška 1: Fyziologie rostlin - charakteristika oboru význam rostlin v přírodě a pro člověka: globální problémy, fotosyntéza, zemědělství historický přehled oboru - Specifické struktury a funkce buňky rostlinné: http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Co jsou rostliny obecně? http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 10
Co jsou rostliny obecně? Zelené? Fotosyntetizující? http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Strom života Ernst Haeckel (1834-1919) Ontogeneze opakuje fylogenezi http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 11
Strom života Monofyletický strom života Strom života podle Haeckela Ernst Haeckel's Monophyletic tree of organisms, 1866. Biologists at the time identified three major groups of species: animals, plants and protista; primitive, mostly unicellular, organisms. plus.maths.org/content/reconstructin g-tree-life http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Strom života Tradiční členění organismů (Whittaker 1969) Monera (prokaryotes)/bacteria + Archaea Protista Animalia (Metazoa) Plantae Fungi ALE: skupiny nejsou monofyletické tzn. nazahrnují jen potomky společného předka ( Protista jsou sběrná skupina pro to, co se jinam nehodí. Některá jsou také zelená.) http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 12
Strom nebo kruh života? Převzato: Cvrčková http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Fylogeneze The Tree of Life Web Project (ToL) is a collaborative effort of biologists and nature enthusiasts from around the world. On more than 10,000 World Wide Web pages, the project provides information about biodiversity, the characteristics of different groups of organisms, and their evolutionary history (phylogeny). http://tolweb.org/ http://tolweb.org/angiosperms/20646 http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 13
Fylogeneze tellapallet.com/tree_of_life.htm Primárníí zdroje pro schéma: The journal Science (13 June 2003: Vol. 300. no. 5626). The NIH on-line taxonomy browser ( http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ta xonomy/ ) Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, doc. Albrechtová Fylogeneze Převzato: Cvrčková http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 14
Fylogeneze Převzato: Cvrčková http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Co jsou rostliny obecně? Rostliny - červené řasy (Rhodophyta) - glaukofyty (Glaucophyta) - zelené rostliny (Viridiplantae) http://cs.wikipedia.org/wiki/soubor:diversit y_of_plants_image_version_3.png v plastidech chlorofyly A a B. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 15
Charakteristika zkoumaného objektu Charakteristické znaky rostlin : Fotoautotrofie 3 genomy unikátní stavba buňky: buň. stěna, vakuola, plastidy Nepohyblivost sesilita Neukončený růst a organogeneze, totipotence Vysoká plasticita a regenerační schopnost Sekundární metabolity: lignin, alkaloidy Nepřítomnost struktur analogických CNS http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Rostliny sesilní organismy - žijí přisedle - Omezenou pohyblivost kompenzují schopností růstu směrem ke zdrojům, jako světlo, voda, živiny - množství strategií rostlin k překonávání stresových podmínek a množství energie vynaložené pro ochranu rostliny modularita rostlinného těla rostlina je složená z předem definovaných jednotek, které vznikají na různých místech a v různém čase dle vnějších a vnitřních podmínek. Základní vegetativní jednotkou stonku je fytomera: Růst rostlin je tzv. nedeterminovaný t.j. neukončený, mohou vytvářet své tělo různými způsoby list nod internodium úžlabní pupen } fytomera převzato z přednášky Žárský a Kulich http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 16
prostředí rostlina neustálá výměna látek, energie, informací vzájemné ovlivňování Experimentální biologie rostlin = Fyziologie + anatomie + molekulární biologie rostlin http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr vztahy fyziologie rostlin k jiným vědním disciplínám: základní složky jsou: cytologie, anatomie, morfologie rostlin biochemie molekulární biologie discilíny blízké: genetika ekologie a půdní biologie disciplíny metodicky využívané: chemie organická, fyzikální, analytická fyzika a biofyzika matematika statistika, modelování fyziologie rostlin tvoří zázemí: agronomie rostlinná výroba, zahradnictví, lesnictví fytopatologie http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 17
fyziologie rostlin je založena na pozorováních a experimentech...a to na všech zmíněných úrovních studia!...experimentální biologie rostlin Metodický přístupy: molekulární, buněčná biologie, cytologie, biochemie, anatomie, kultury in vitro, terénní przkům, dálkový průzkum Země http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Charakteristika oboru: fyziologie rostlin studuje životní procesy rostlin fotosyntéza dýchání vodní režim rostliny minerální výživa transport látek v rostlině interakce s prostředím a stresové reakce růst a vývoj rostliny http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 18
fyziologie rostlin směřuje k poznání a pochopení rostliny jako optimálně funkčního, vnitřně koordinovaného celku existujícího v těsné interakci s prostředím prostředí rostlina neustálá výměna látek, energie, informací vzájemné ovlivňování jak rostlina funguje a jakou má stavbu jaký je vztah struktury a funkce jak se fungování rostliny i její stavba mění - v závislosti na fázi vývoje rostliny - pod vlivem podmínek prostředí http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr různé hierarchické úrovně studia od molekul přes buňky k ekosystému ekosystém / rostlina jako porost celek 30m 4m 25 mm orgán 2 mm pletiva 0.75 mm buňky organely a subcelulární struktury 30 um zvětšení http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 19
Význam rostlin v přírodě rostliny fotoautotrofní organizmy přenesly život na souš!!! absorbují zářivou sluneční energii a přeměňují ji na energii chemických vazeb energie chemických vazeb je použita: k asimilaci anorganických sloučenin do látek organických CO2, NO3-, SO42k tvorbě nových organických sloučenin s vyšším obsahem energie http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr rostliny (fotosyntetické organismy vůbec) jsou významný klimatický činitel (cyanobacteria) Lawlor, 1993 http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 20
energie chemických vazeb je využita v životních procesech rostlin samých životních procesech dalších heterotrofních organizmů http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Význam rostlin pro člověka zdroj energie pro životní procesy potrava rostlinná živočišná rostliny stojí na počátku potravního řetězce dodávají minerály do biosféry tvoří vitaminy produkují pochutiny léčivé látky Kakaovník pravý Chininovník lékařský http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 21
Význam rostlin pro člověka zdroj energie pro životní procesy potrava rostlinná živočišná rostliny stojí na počátku potravního řetězce dodávají minerály do biosféry tvoří vitaminy produkují pochutiny léčivé látky zdroj surovin dřevo, vlákna přírodní barviva třísloviny vonné esence pro průmysl http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Význam rostlin pro člověka fosilní energetické a surovinové zdroje uhlí, ropa, zemní plyn...stromové kapradiny, plavuně, přesličky z doby karbonu před 360 až 286 miliony let energie v chemických vazbách stabilních organických sloučenin může být uchována po desítky milionů let tyto zdroje jsou limitované, konečné a neobnovitelné!!! http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 22
Význam rostlin pro člověka Rostliny a rozkvět a pád lidské civilizace MB130P77, Doc. Lipavská, Katedra experimentální biologie rostlin, letní semestr Čím je experimentální biologie rostlin zajímavá a jak nám může pomoci. Katedra Fyziologie rostlin, http://kfrserver.natur.cuni.cz Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta 23
Problémy lidstva v 21. století Nárůst světové populace Potravinová krize a hlad Úbytek dostupnosti vody v krajině: dezertifikace Globální klimatické změny Katedra Fyziologie rostlin, http://kfrserver.natur.cuni.cz Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta Problémy lidstva v 21. století Rostliny jsou důležitá součást řešení Katedra Fyziologie rostlin, http://kfrserver.natur.cuni.cz Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta 24
Problémy lidstva ve 21. století nárůst světové populace Katedra Fyziologie rostlin, http://kfrserver.natur.cuni.cz Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta Problémy lidstva ve 21. století nárůst světové populace 925 milionů lidí trpí podvýživou (2010) http://www.fao.org/ Organizace pro výživu a zemědělství agentura OSN se sídlem v Římě, založená v roce 1945 Katedra Fyziologie rostlin, http://kfrserver.natur.cuni.cz Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta 25
Problémy lidstva v 21. století Nárůst světové populace: Potravinová krize a hlad Současné zemědělství: musí uživit stále více lidí Katedra Fyziologie rostlin, http://kfrserver.natur.cuni.cz Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta Problémy lidstva v 21. století Nárůst světové populace: Potravinová krize a hlad Současné zemědělství: limity a možnosti Půda: hnojiva, znečištění půd, zasolení, těžké kovy, kyselost Voda: až 70% celkové světové spotřeby na zavlažování! Produkční limity rostlin: šlechtění na objem i na kvalitu Produkční ztráty výnosu rostlin: škůdci, stresy, patogeny Katedra Fyziologie rostlin, http://kfrserver.natur.cuni.cz Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta 26
Problémy lidstva ve 21. století nárůst světové populace Vyšší nároky na zemědělskou produkci: řešení: ROSTLINY - s vyšším výnosem - odolnější vůči patogenům - odolnější vůči faktorům prostředí (sucho, mráz, zaplavení)...nové genotypy ŠLECHTĚNÍ, GENETICKY MODIFIKOVANÉ ROSTLINY zlatá rýže enzym pro syntézu β karotenu, prekurzoru vitaminu A Katedra Fyziologie rostlin, http://kfrserver.natur.cuni.cz Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74 Univerzita v Praze, Přírodovědecká fakulta KatedraKarlova experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková Význam rostlin pro člověka MB130P19I Biotechnologie a genové inženýrství rostlin prof. Opatrný Zdeněk MB130P46 Molekulární genetika rostlin, Fischer Lukáš Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74 Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, prof. Albrechtová 27
Problémy lidstva ve 21. století Nedostatek vody, dezertifikace, otevřený vodní cyklus např. Čína extrémní sucha, písečné bouře Problémy lidstva ve 21. století klimatické změny, cyklus uhlíku, důležitost vegetace, odlesňování Nárůst koncentrace CO2 v atmosféře pokles odlesňování v Brazílii v roce 2007 více než o polovinu (11 000 km2 ročně) 28
Význam rostlin pro člověka MB130P60 Globální změny, fotosyntéza a trvale udržitelný rozvoj Albrechtová Jana, letní semestr Problémy lidstva ve 21. století vzdušné znečištění, kontaminace půdy těžké kovy... sokolovsko, výsypka Lomnice 29
Čím je experimentální biologie rostlin zajímavá a proč je důležité o ní něco vědět? Praha, červen 2010...a proč je důležité předávat to dál... Ekvádor, březen 2010 Historie oboru 30
Historický přehled Středověk ho uznával jako otce botaniky, otce taxonomie (rozdělení rostlin na jednoděložné a dvouděložné) Theophrastus ~ -370 až -286 Titulní strana ilustrované Historia Plantarum vydaní z roku 1644 Historický přehled Jan Baptista van Helmont (1577 1644) Člověk když jí, tak roste. Ale z čeho roste strom? Pokus s vrbou Z vody. 31
Joseph Priestley (1733 1804) Velká Británie, duchovní, teolog a přírodní filosof důkaz kyslíku, jako produktu fotosyntézy Justus von Liebig (1809 1873) německý chemik mimo jiné: rozvoj chemie - zvláště v oblasti agrochemie a organické chemie příjem dusíku rostlinami v minerální formě zakladatel aplikace průmyslových hnojiv Liebigův zákon minima: Rostliny jsou životně závislé na tom prvku, který je v jejich životním prostředí obsažen nejméně 32
Charles Darwin (1809 1882) 1880, The Power of Movement in Plants Experimenty s koleoptilí ovsa..prokázaly existenci účinné látky podporující prodlužování buněk (Auxein = růst) Julius von Sachs (1832 1887)...chlorofyl není rozpuštěn v buňce ale lokalizován ve speciálních tělískách - chloroplastech...první viditelný produkt fotosyntézy je škrob v podobě zrn v chloroplastech hydroponická kultivace rostlin 33
buněčná teorie o funkční totipotenci somatických buněk mnohabuněčných organizmů SCHLEIDEN 1838 rostliny SCHWANN 1839 převzal pro živočichy ZÁKLADNÍ a MINIMÁLNÍ jednotka schopná života chemický základ podobný, tvar a funkce značně odlišné buněčná teorie = bez buňky neexistuje život Gottlieb Haberlandt (1854 1945) fyziologická anatomie, zabývající se především vztahy mezi strukturou a funkcí otec oboru in vitro kultivace rostlinných buněk, pletiv aorgánů 1902 Hypotéza Totipotence rostlinných buněk...dokázána až v roce 1965 34
Gottlieb Haberlandt (1854 1945) Sběratel zklanání Totipotence rostlinných buněk až 1965.. MB130P11 Rostlinné explantáty Lipavská Helena 35
Bohumil Němec (1873 1966) Již r. 1900 se postaral o senzaci: předložil hypotézu, podle níž rostliny vnímají zemskou tíži prostřednictvím posunu škrobových zrn. Rektor UK, stál u zrodu PřF UK http://abicko.avcr.cz/cs/2006/4/12/bohumil-nemec-12.3.18737.4.1966.html Rudolf Dostál (1885 1973) Vysoká škola zemědělská v Brně (nyní Mendelova zemědělská a lesnická univerzita) škola experimentální morfologie Studium fytohormonů...kontinuita doc. Zažímalová (ÚEB AV ČR) 36
Folke SKOOG, Carlos Miller základní model organogeneze základní regenerační strategie sporofytu?? Auxin : cytokinin poměr auxinů a cytokininů určuje morfogenní odpověď M. Calvin (1911-1997) Nobelova cena za chemii 1961 Calvinův cyklus, fixace CO2 37
Modelové rostliny Modelové rostliny: ARABIDOPSIS Funkční genetika Arabidopsis - fenotypová analýza mutantních rostlin 38
Modelové rostliny: ARABIDOPSIS - huseníček Haploidní sada 5 chromozómů, relativně malý genom -mapa genomu - mutanti: změněná sekvence DNA, fenotypová odchylka - WT Značení: Embryonální mutant gurke Příslušný lokus (gen) GURKE Bílkovina kódovaná tímto genem: Gurke Modelové rostliny: ARABIDOPSIS http://www.bioone.org/doi/book/10.1199/tab.book?cookieset=1 Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, prof. Albrechtová biology.kenyon.edu/.../chap12/chapter_12a.html foto od Jim Haselhof 39
Modelové organismy Physcomitrella patens - čepenka odstálá zástupce nižších rostlin 511 Mb osekvenovaná 2006 hlavně pro studium vrcholového růstu a buněčné polarity převzato z přednášky Žárský a Kulich Modelové organismy Zea mays kukuřice setá kulturní plodina šlechtěna indiány již před 8700 lety obrovský ekonomický význam 85% americké kukuřice je transgenní oddělené samčí a samičí květenství velký genom 2300 Mb,10 chromosomů. Osekvenován v roce 2007. pomocí mozaikovitého černého zbarvení zrn kukuřice předpovídala Barbara McClintock existenci mobilních genetických elementů transposomů. Ty mohou přerušit dominantní alelu W (bílá zrna) a umožnit funkci recesivní W+ (černá zrna). Když se transposom vyčlení z W, jeho funkce se obnoví. převzato z přednášky Žárský a Kulich 40
Modelové organismy Oryza sativa rýže setá opět zemědělské důvody 466 Mb, 12 chromosomů osekvenovaná v roce 2005 Až 20% kalorické spotřeby lidstva je právě z rýže http://irri.org/ Další modelové organismy s hospodářským významem: sója luštinatá, pšenice... převzato z přednášky Žárský a Kulich Modelové organismy Populus trichocarpa -topol chlupatoplodý Model dřevin - velice důležité pro výzkum sekundárního těla rostlin Rychle rostoucí 550 Mb,19 chromosomů osekvenován v roce 2006, jako první dřevina sklizeň topolů v americkém Oregonu. Těmto topolům je teprv 7 let! převzato z přednášky Žárský a Kulich Wullschleger S. D. et.al. Plant Cell 2010:14:2651-2655 41
Modelové organismy Published genomes in black. Species marked in lighter shades of gray are less complete or less available. Branch lengths are NOT proportional to anything http://genomevolution.org/wiki/index.php/sequenced_plant_genomes Modelové organismy A schematic of a Chlamydomonas cell (from transmission electron micrographs) showing the anterior flagella rooted in basal bodies, with intraflagellar transport (IFT) particle arrays between the axoneme and flagellar membrane, the basal cup-shaped chloroplast, central nucleus and other organelles S. S. Merchant et al., Science 318, 245-250 (2007) Published by AAAS 42
Modelové organismy Chlamydomonády jako model studia biologie vyšších rostlin i živočichů Proteiny a geny komplexu plastidového rostliny Proteiny a geny komplexu bičík/řasinky živočichové včetně člověka ZÁKLADNÍ PŘEDPOKLADY EXISTENCE BUŇKY 1. TOK LÁTEK, CHEMICKÁ PŘEMĚNA A VÝDEJ 2. TOK ENERGIE Absorpce energie z okolí, její přeměna na volnou energii,využití volné energie, jen volná energiemůže vykonávat práci Pro existenci buňky je nutný neustálý přílivenergie do buňky 3. TOK INFORMACE vnitřní paměť buňky všechny informace determinující principy její struktury a funkcí replikace genetické informace exprese genetické informace Buňky mohou selektivně vyuţívat různé části své genetické informace podle podnětů ze svého okolí 43
Buněčná specifika rostlinných buněk Rozdíly mezi buňkami rostlinnými a živočišnými Buněčná specifika rostlinných buněk Eukaryotní buňky: Rozdíly mezi rostlinnou a živočišnou buňkou : před 1 400 000 000 lety http://sun.menloschool.org/~cweaver/cells/ 44
Buněčná specifika rostlinných buněk Vakuola Buněčná stěna plastidy nejen rostlinné, ale v mnohém jiné: * jádro * mitochondrie * cytoskelet Buchanan et al. Jádro nese a uchovává genetickou informaci syntetizuje mrna skladovací a signální kompartment umožňující syntézu řadu regulačních makromolekul (sirna, proteiny) chromatin jaderný obalkaryotheka jaderný pór jadérkonucleolus endoplazmatické retikulum http://course1.winona.edu/sberg/241f05/lec-note/cells.htm převzato z přednášky Žárský a Kulich, fyziologie rostlin 45
remodelace chromatinu euchromatin transkripčně aktivní heterochromatin kondenzovaný, transkripčně neaktivní Histony H2A, H2B, H3 a H4 tvoří histonové jádro, kolem kterého se obtáčí DNA. Acetylace histonů chromatin rozvolňuje a umožňuje přístup transkripčnímu aparátu Deacetylace naopak chromatin kondenzuje převzato z přednášky Žárský a Kulich, fyziologie rostlin Jaderná membrána ze dvou paralelních membrán vnější membrána propojena s ER slouží jako nukleační jádro cytoskeletu až 30 % povrchu tvoří jaderné póry jaderné póry zabezpečují specifický transport bílkovin a RNA do/z jádra. převzato z přednášky Žárský a Kulich, fyziologie rostlin Samir S. Pater: http://video.google.com/videoplay?docid=6374761646657730470# 46
Endomembránový systém 1. cytoplazmatická membrána 2. endoplazmatické retikulum 3. Golgiho aparát 4. jaderná membrána 5. tonoplast (vakuolární m.) 6. oleozómy...proč? Buchanan et al. 2OOO Membránové systémykompartmentace: Různé reakční prostory potřeba gradientů iontů (H+) pro energetické procesy v buňce Komunikace mezi kompartmenty pomocí váčků hotovost látky v kompartmentu: pool Buchanan et al. 2OOO 47
Cytoplasmatická membrána - plasmalema fosfolipidová dvouvrstva s obsahem sterolů a s mnoha proteiny transmembránové (prostupují membránou) periferní - zasahují do membrány jen částečně. Plasmalema - propojena s buněčnou stěnou Důkazem toho jsou hechtovy provazce, které vznikají při plazmolýze Hechtovy provazce převzato z přednášky Žárský a Kulich, fyziologie rostlin Cytoplasmatická membrána - plasmalema 1) Je bariérou pro volnou difúzi látek rozpustných ve vodě Hechtovy provazce 2) Svojí semipermeabilitou a přítomností různých transportních kanálů, pump a přenašečů řídí pasivní i aktivní transport látek mezi buňkou a jejím prostředím. 3) Podílí se na tvorbě buněčné stěny. 4) Prostřednictvím zvláštních receptorů přijímá signály z okolí a předává je do buňky. 48
Endomembránový systém Endoplazmatické retikulum Golgiho aparát nezbytný pro vznik buněčné stěny hemicelulózy a pektiny syntéza v Golgiho aparátu sekretorickými vezikuly doprava do buněčné stěny, stejně jako prekurzory ligninu převzato z přednášky Žárský a Kulich, fyziologie rostlin Endoplazmatické retikulum (ER) proměnlivý kompartment, složený z tubulů a cisteren funkčně rozlišujeme drsné a hladké ER drsné ER (vzhled způsoben množstvím ribozomů) - syntéza proteinů hladké ER syntéza lipidů a dodává materiál pro všechny membrány endomembránového systému a plasmalemy syntéza zásobních triacylglyceroly - tvorba tzv. oleosomů ER slouží jako zásobárna vápníku, který po stimulaci některými signály vytéká z ER do cytoplasmy, v níž funguje jako tzv. druhý posel drsné ER hladké ER 49
Endoplazmatické retikulum (ER) ER je výchozím kompartmentem endomembránového systému. Je velice univerzální a velice proměnlivý kompartment, složený z tubulů a cisteren. Funkčně rozlišujeme drsné a hladké ER. Drsné ER(vzhled způsoben množstvím ribozomů) je místem pro syntézu proteinů. Hladké ER je místem syntézy lipidů a dodává materiál pro všechny membrány endomembránového systému a plasmalemy. Materiál pro syntézu - mastní kyseliny, však pocházejí z plastidů. Také se zde syntetizují zásobní triacylglyceroly - tvorba tzv. oleasomů drsné ER kortikální ER v rostlinné buňce se neustále mění a pohybuje. Na videu jsou patrné tubuly i cysterny. Toto video vytvořili vaši spolužáci na kurzu naší katedry MB130C30 - Praktikum z rostlinné buňky pod vedením Dr. Schwarzerové hladké ER Golgiho aparát centrum endomembránového transportu syntéza, třídění a úprava makromolekul (glykosylace proteinů) syntéza na polysacharidů buněčné stěny tvořen z váčků - diktyosomů GA rostlinné buňky zůstává aktivní i během mitosy (na rozdíl od živočichů) a produkuje váčky fragmoplastu převzato z přednášky Žárský a Kulich, fyziologie rostlin 50
Komunikace GA s ostatními kompartmenty Tvorba váčků Golgiho komplexu http://www.skidmore.edu/academics/biology/plant_bio/photos/photos/cellbio/golgi%20vesicle%20forming.jpg Komunikace GA s ostatními kompartmenty vezikuly opouštějící GA a plasmalemu jsou obalené dalším typem coat proteinu clathrinem obalový protein I (coat protein) obalový protein II (coat protein) 51
Komunikace GA s ostatními kompartmenty transport mezi ER a Golgi je sprostředkován coat proteiny - COP transport z ER do Golgi nazýváme anterogradální. Tento transport odehrává pomocí COP II vezikul. transport z Golgi do ER nazýváme retrogradální a zabezpečují ho COP I proteiny sestavování těchto váčků řídí malé GTPázy z rodiny ARF a SAR a také jejich GEFs a GAPs. Curr Opin Plant Biol. 2009 Dec;12(6):660-9 Komunikace GA s ostatními kompartmenty GA komunikuje jak s plasmalemou, tak i s prevakuolárními kompartmenty (PVC) a recyklačními endosomy (RE) identita endomembránových kompartmentů je zabezpečena pomocí malých GTPáz z rodiny RAB (rat brain) vezikuly opouštějící GA a plasmalemu jsou obalené dalším typem coat proteinu - clathrinem (ccv=clathrin coated vesicles) 52
Vakuoly: Ohraničené tonoplastem - jednoduchá membrána, specifické bílkoviny vodný roztok různých látek : neprotoplazmatická fáze šťáva buněčná Vznik z váčků GA, ER Meristematické buňky obsahují více drobných vakuol, diferencované zralé buňky obsahují většinou velkou centrální vakuolu. převzato od Dr. Votrubové V jedné rostlinné buňce často existuje několik různých typů vakuol Vakuola - funkce: 1. Homeostáze cytoplazmy, např. ph jak protonové, tak vápníkové pumpy zásobní vakuola obsahující proteiny 2. Zásobní 3. odpadní, detoxifikační (alkaloidy, silice a kaučuk ) málo rozpustné krystaly šťavelanu vápenatého 4. Interakce rostliny s prostředím anthokyany a další flavonoidy 5. Lysozomální kompartment Lytická vakuola 6. Vodní hospodářství buněk 7. Růst buněk (turgor), stavební fce vakuoly přispívají k pevnosti struktury pletiv a orgánů aleuronová vrstva v obilce pšenice 53
Vakuola osmotický systém Hypotonický roztok Izotonický roztok Hypertonický roztok Živočišná buňka Lyzovaná Svraštělá Normální Rostlinná buňka Turgescentní (normální) Ochablá Plazmolyzovaná http://knicelybiology.pbwiki.com/chapter+9+section+2:+page+2 Vakuola osmotický systém Pokožka v roztoku 1% sacharozy Plazmolýza pokožkových buněk Rhoeo discolor foto Schwarzerová a kol. 54
Peroxisomy ohraničené jednotkovou membránou, specializované na oxidační reakce katabolismus mastných kyselin b-oxidací, která u rostlin probíhá výlučně v peroxisomech peroxisom nevznikají de novo - množí se zaškrcováním V listech se podílejí na fotorespiraci Mitochondrie stejně jako plastidy jsou semiautonomní organely s dvojitou membránou 0,5-1 µm široké a 3 µm dlouhé ALE: velmi dynamické organely schopné změny tvaru a velikosti v řádu sekund (Bereiter-Hahn and Voth, 1994) méně než u živočichů, metabolicky aktivní buňky jich však mají mnoho (třeba svěrací buňky průduchů) stejně jako plastidy mají vlastní genom-chondriom a množí se dělením vnitřní membrána je tvořena proteiny až z 70% http://5e.plantphys.net/we11.03.01.html 55
Ultrastruktura mitochondrie matrix prostor obklopen vnitřní membránou kristy - vchlípeniny mezimembránový prostor převzato z přednášky Žárský a Kulich, fyziologie rostlin Cytoplasma obsahuje minerální ionty (kromě vápníku) metabolity rozpuštěné plyny makromolekuly bílkoviny, nukleové kyseliny v cytoplasmě probíhá řada důležitých dějů: translace a degradace bílkovin signální dráhy umělecká představa cytoplazmy viskózní želatina plná proteinů Cytoplazma je velice viskózní a hustota koloidních částic je tak vysoká, že představa cytoplazmy jako vodného roztoku je nesprávná. převzato z přednášky Žárský a Kulich, fyziologie rostlin 56
Cytoskelet: aktin a mikrofilamenty Pollard et al.:science. 2009 Nov 27;326(5957):1208-12. Cytoskelet: aktin a mikrofilamenty cyklóza proudění cytoplazmy a pohyb organel po aktinových vláknech 57
Cytoskelet: Tubulin a mikrotubuly dimer α a β tubulinu mikrotubul je zložený z přiléhajících protofilament stabilní (mínus) konec (stabilizován γ-tubulinem) nestabilní + (plus) konec. MAPS- microtubule associated proteins - umožňují mikrotubulům interagovat s plasmalemou, organizovat se do svazků a interagovat s organelami Taiz and Zeiger, 2010 Motorové proteiny po filamentech aktinu se pohybují myoziny po mikrotubulech se pohybují kinesiny (v živ. buňce: kinesiny směrem k + konci a dyneiny směrem k konci) Dyneiny ale u rostlin nejsou zatím (?) popsané (to neznamená, že neexistují :-) pohyb se odehrává za hydrolýzy ATP převzato z přednášky Žárský a Kulich, fyziologie rostlin 58
Buněčná stěna - není jen mechanický obal protoplastu!! - recepce vnjších podnětů chemických (ph, patogeny, symbionti) i fyzikálních (tlak, teplota) - skladovací, odpadní, ochranný kompartment (např. ukládání těžkých kovů) - vlastní signalizace dovnitř buňky např. -interakce mikrofibril stěny a kortikálního MT cytoskeletu, - kotvení preprofázového prstence MT a fragmoplastu - nezbytná pro buněčné dělení preprofázový prstenec MT, fragmoplast Taiz and Zeiger, 2010 Buněčná stěna - struktura Střední lamela Primární buněčná stěna Pektin Hemicelulozy (xyloglukany glukuronoarabinoxylany) Plazmatická membrána Celulozové mikrofibrily MB130P34 Biologie rostlinné buňky, Žárský V. http://micro.magnet.fsu.edu/cells/plants/cellwall.html 59
Buněčná stěna Replika (otisk) vnějšího listu plazmatické membrány interakce mikrofibril stěny a kortikálního MT cytoskeletu transportní váčky celulozové mikrofibrily Buchanan a kol. 2000 Celulóza syntéza celulózy terminálním komplexem v plazmalemě 60
Celulóza orientace mikrofibril - růst mikrofibrila asi 3 nm silná tvořena 30 až 36 individuálními řetězci a může při počtu 14 000 glc jednotek dosáhnout délky 7um. Plazmatická membrána Buněčná stěna Plazmodesma Cytoplazma Vrstevnatá sekundární stěna Střední lamela Primární buněčné stěny a střední lamela na styku tří buněk Primární stěna Buchanan a kol. Plazmatická membrána Střední lamela Vrstevnatá sekundární stěna Primární stěna 61
Plasmodesmy cytoplazmatické spoje skrz buněčnou stěnu ER je konstitutivní součástí plasmodesmů středem kanálku plasmodesmu jehož stěny jsou tvořeny plasmalemou) prochází "potrubí" ER, zvané desmotubulus, z jedné buňky do druhé SYMPLAST soubor buněk propojený plasmodesmy může jej tvořit takřka celá rostlina Plasmodesmy cytoplazmatické spoje skrz buněčnou stěnu cytoplasmatická spojení protoplastů sousedních buněk vznikají už při buněčném dělění (primární) ale mohou i později (sekundární) de novo mohou být uzavírány 62
Dělení rostlinné buňky (kořen huseníčku), vznik buněčné přepážky Matyáš Fendrych, Ústav experimentální botaniky AV ČR Plastidy semiautonomní organely http://ultrastruktur.bio.lmu.de/de/forschung/tem/plastiden/index.html 63
PLASTIDY nejrůznější struktury a funkce: proplastidy až gerontoplastidy, chloro-chromo-leuko-amyloplasty, metamorfóza plastidů - endosymbiotický původ,dvojitá membrána jako marker původu - semiautonomní,zaškrcování,spec.cytoskelet - plastom: vlastní cyklická dvojvláknová DNA v mnoha kopiích, nekóduje jen funkce související s barvivy či fotosyntézou (CMS aj.) - genový tok mezi jádrem a plastidy PLASTIDY BAREVNÉ: chromoplasty (v širším slova smyslu) FOTOSYNTETICKY AKTIVNÍ chloroplasty FOTOSYNTETICKY NEAKTIVNÍ chromoplasty Plastidy BEZBARVÉ: leukoplasty -dělení podle převažujících zásobních látek Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74 amyloplasty (škrob) proteinoplasty (bílkoviny) elainoplasty (lipidy) Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková 64
PLASTIDY http://ultrastruktur.bio.lmu.de/de/forschung/tem/plastiden/index.html funkční dospělý chloroplast etioplast (prolamelární těleso) Proplastid chromoplast Amyloplast PLASTIDY fotosynteticky aktivní = chloroplasty lokalizace hlavně listový mezofyl (ale i další...) 65
PLASTIDY struktura chloroplastu mezimembránový prostor Thylakoidy,stromatální grana thylakoid thylakoid granum membrána stroma vnitřní obalová membrána chloroplastu Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74 lumen granum Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, prof. Albrechtová PLASTIDY struktura chloroplastu thylakoidy (lumen / stroma) lipidová dvouvrstva membrány thylakoidu je nepropustná pro protony!! 66
PLASTIDY rozdíl mezi granálními (GT) a stromatálními (ST) thylakoidy: zrna na GT jsou PS II struktura chloroplastu Endosymbiotická teorie o vzniku mitochonodrií a plastidů CHLOROPLASTY: K.S. Merežkovskij 1905: fotosyntetizující bakterie sinice(synecoccocus sp.?) 1920 teorie symbiogeneze Endosymbiotická teorie o původu mitochondrií a plastidů Nahoře vznik mitochondrií pohlcením aerobní heterotrofní bakterie Dole vznik chloroplastů pohlcením aerobní fotoautotrofní bakterie (sinice) Pohlcení prokaryotní buňky buňkou eukaryotní Vlevo pohlcená buňka je strávena Vpravo pohlcená buňka zůstává a stává se endosymbiontem Převzato od Dr. Votrubové nová skripta 67
Endosymbiotická teorie o vzniku mitochonodrií a plastidů Evoluce rostlinné buňky Endosymbiotický vznik organel Převzato: doc. Cvrčková MB130P30 Rostlinná cytologie MB130P73 Biologie eukaryotické buňky MB130P34 MB130C30 Biologie rostlinné buňky Praktikum: Rostlinná buňka Schwarzerová Kateřina Žárský Viktor Žárský V. Schwarzerová Kateřina 68