Modulace fotosyntézy, zvyšování produktivity genetickými modifikacemi, biotechnologie, umělá fotosyntéza,

Podobné dokumenty
Vylepšování fotosyntézy

Vyjádření fotosyntézy základními rovnicemi

Respirace. (buněčné dýchání) O 2. Fotosyntéza Dýchání. Energie záření teplo BIOMASA CO 2 (-COO - ) = -COOH -CHO -CH 2 OH -CH 3

FOTOSYNTÉZA ZÁKLAD ŽIVOTA NA ZEMI

Ekologie fotosyntézy

12-Fotosyntéza FRVŠ 1647/2012

Každá molekula kyslíku kterou právě dýcháme vznikla někdy v nějaké rostlině. Každý atom uhlíku našeho těla byl kdysi včleněn fotosyntézou do nějaké

FOTOSYNTÉZA. soubor chemických reakcí,, probíhaj v rostlinách a sinicích. z CO2 a vody jediný zdroj kyslíku ku pro život na Zemi

Síra. Deficience síry: řepka. - 0,2-0,5% SH, nedostatek při poklesu obsahu síranů pod 0,01% SH

FOTOSYNTÉZA. Mgr. Alena Výborná Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou VY_32_INOVACE_01_1_07_BI1

14. Fyziologie rostlin - fotosyntéza, respirace

1- Úvod do fotosyntézy

Fotosyntéza (2/34) = fotosyntetická asimilace

FOTOSYNTÉZA. CO 2 a vody. - soubor chemických reakcí. - probíhá v rostlinách a sinicích. - zachycení a využití světelné energie

METABOLISMUS SACHARIDŮ

FOTOSYNTÉZA. Princip, jednotlivé fáze

Energie fotonů je předávána molekulám chlorofylu A, který se zachyceným fotonem excituje (uvolní se energeticky bohatý elektron).

Hořčík. Příjem, metabolismus, funkce, projevy nedostatku

Biosyntéza sacharidů 1

MB130P68 Globální změny a trvalá udržitelnost. ZS 2012/2013. Lubomír Nátr. Lubomír Nátr

Dýchací řetězec. Viz též přednášky prof. Kodíčka (snímky a blány v levém sloupci)

Průduchy regulace příjmu CO 2

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti. Fotosyntéza

Fotosyntézu lze schematicky vyjádřit: hv CO H 2 O (CH 2 O)+ O 2 + H 2 O. Rozčlenění pochodů v chloroplastu na membránové a enzymové:

Regulace metabolických drah na úrovni buňky

Dýchací řetězec (Respirace)

Sacharidy a polysacharidy (struktura a metabolismus)

35.Fotosyntéza. AZ Smart Marie Poštová

N 2 + 8[H] + 16 ATP 2NH 3 + H ADP + 16P i

FOTOSYNTÉZA Správná odpověď:

Mechanismy koncentrování CO 2. C4 a CAM fotosyntéza

Fotosyntéza a Calvinův cyklus. Eva Benešová

ení k tvorbě energeticky bohatých organických sloučenin

Vodní režim rostlin. Regulace výměny plynů otevřeností. průduchů. Stomatální limitace rychlosti transpirace a rychlosti. Efektivita využití vody

1. Napište strukturní vzorce aminokyselin D a Y a vzorce adenosinu a thyminu

FOTOSYNTÉZA I. Přednáška Fyziologie rostlin MB130P74. Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

METABOLISMUS SACHARIDŮ

Buněčné dýchání Ch_056_Přírodní látky_buněčné dýchání Autor: Ing. Mariana Mrázková

Charakteristika složky 3) cytochrom-c NADH-Q-reduktasa cytochrom-c- oxidasa ubichinon cytochromreduktasa

Fyziologie rostlin LS Fotosyntéza. Lukáš Fischer

Hořčík. Příjem, metabolismus, funkce, projevy nedostatku

SLEDOVÁNÍ VZTAHU MEZI OBSAHEM ENZYMU RUBISCO A KONCENTRACÍ CO 2 V CHLOROPLASTU

Minerální výživa na extrémních půdách. Půdy silně kyselé, alkalické, zasolené a s vysokou koncentrací těžkých kovů

Fotosyntéza Uhlíkový metabolismus. Ondřej Prášil Mikrobiologický ústav AVČR Laboratoř fotosyntézy v Třeboni

VAKUOLA. membránou ohraničený váček membrána se nazývá tonoplast. běžná u rostlin, zvířata specializované funkce či její nepřítomnost

FYZIOLOGIE ROSTLIN VÝŽIVA ROSTLIN 1) AUTOTROFNÍ VÝŽIVA ROSTLIN 2) HETEROTROFNÍ VÝŽIVA ROSTLIN

Fotosyntéza Světelné reakce. Ondřej Prášil Mikrobiologický ústav AVČR Laboratoř fotosyntézy v Třeboni

Buněčný cyklus. Replikace DNA a dělení buňky

Respirace - buněčné dýchání (katabolismus)

Škola: Gymnázium, Brno, Slovanské náměstí 7 III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Název projektu: Inovace výuky na GSN

Energetický metabolismus rostlin

10. Minerální výživa rostlin na extrémních půdách

5. Příjem, asimilace a fyziologické dopady anorganického dusíku. 5. Příjem, asimilace a fyziologické dopady anorganického dusíku

Intermediární metabolismus. Vladimíra Kvasnicová

Vzdělávací materiál. vytvořený v projektu OP VK CZ.1.07/1.5.00/ Anotace. Fotosyntéza světelná fáze. VY_32_INOVACE_Ch0214.

Schéma rostlinné buňky

B METABOLICKÉ PROCESY

Mitochondrie. Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Otázka: Metabolismus. Předmět: Biologie. Přidal(a): Furrow. - přeměna látek a energie

C1200 Úvod do studia biochemie 4.2 Velké cykly prvků. OpVK CZ.1.07/2.2.00/

Předmět: KBB/BB1P; KBB/BUBIO

Energetický metabolismus rostlin

Propojení metabolických drah. Alice Skoumalová

Fyziologie rostlin. 9. Fotosyntéza část 1. Primární fáze fotosyntézy. Alena Dostálová, Ph.D. Pedagogická fakulta ZČU, letní semestr 2013/2014

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti. Glykolýza a neoglukogenese

Fyziologické aspekty masožravosti u rostlin

Umělá fotosyntéza. Michael Hagelberg. Tomáš Polívka, Ústav fyzikální biologie

Oxidace proteinů, tuků a cukrů jako zdroj energie v živých organismech

ontogeneze listu zpočátku všechny buňky mají meristematický charakter, růst všemi směry (bazální, marginální a apikální meristémy listu)

pátek, 24. července 15 BUŇKA

B4, 2007/2008, I. Literák

kyslík ve vodě CO 2 (vápenato-)uhličitanová rovnováha alkalita

2. ČÁST - METABOLICKÉ PROCESY

kyslík ve vodě CO 2 (vápenato-)uhličitanová rovnováha alkalita

DÝCHÁNÍ. uložená v nich fotosyntézou, je z nich uvolňována) Rostliny tedy mohou po určitou dobu žít bez fotosyntézy

Glykolýza Glukoneogeneze Regulace. Alice Skoumalová

BUŇKA ZÁKLADNÍ JEDNOTKA ORGANISMŮ

Dusík. - nejdůležitější minerální živina (2-5% SH)

Autor: Katka Téma: fyziologie (fotosyntéza) Ročník: 1.

Eva Benešová. Dýchací řetězec

Struktura a funkce biomakromolekul KBC/BPOL

2. ČÁST - METABOLICKÉ PROCESY

Fotosyntéza. Dýchání a fotosyntéza, struktura a funkce antén a reakčních center, energetika transportu elektronů a protonů.

Fotosyntéza Ekofyziologie. Ondřej Prášil Mikrobiologický ústav AVČR Laboratoř fotosyntézy v Třeboni

Živé organismy vyžadují neustálý přívod a přeměny energie, aby mohly existovat a rozmnožovat se. Dostatek energie v naší biosféře zajišťuje

Energetický metabolizmus buňky

Struktura a funkce biomakromolekul KBC/BPOL

LÁTKOVÝ A ENERGETICKÝ METABOLISMUS

ENZYMY. RNDr. Lucie Koláčná, Ph.D.

Vápník. Deficience vápníku: - 0,4-1,5% DW. - cytoplasmatická koncentrace vápníku velmi nízká (0,1-0,2µM)

Nové směry v rostlinných biotechnologiích

Biologie 30 Metabolismus, fotosyntéza, dýchání, glykolýza, kvašení

Fyziologie buňky. RNDr. Zdeňka Chocholoušková, Ph.D.

Vliv teploty na růst

Vodní režim rostlin. Regulace výměny plynů otevřeností průduchů. fotosyntézy Efektivita využití vody Globální změna klimatu Antitranspiranty

primární producenti: řasy, sinice, vodní rostliny konkurence o zdroje mikrobiální smyčka

Acidobazická rovnováha H+ a ph Vodíkový iont se skládá z protonu, kolem něhož neobíhá žádný elektron. Proto je vodíkový iont velmi malý a je

METABOLISMUS SLOUČENINY S MAKROERGNÍMI VAZBAMI

Fyziologie rostlin. 8. Minerální výživa rostlin část 3. Ca, Mg a mikroelementy. Alena Dostálová, Ph.D.

Štěpení lipidů. - potravou přijaté lipidy štěpí lipázy gastrointestinálního traktu

Transkript:

Modulace fotosyntézy, zvyšování produktivity genetickými modifikacemi, biotechnologie, umělá fotosyntéza, Zvyšování účinnosti/produkce fotosyntézy(c3) Zvýšení účinnosti Calvinova cyklu Změny ve fotorespiraci Změny v elektrontransportním řetězci CO 2 koncentrující mechanismy na úrovni jednotlivých mesofylovýchbuněk C4 fotosyntéza strukturně funkční komplex změn John R. Evans Plant Physiol. 2013;162:1780-1793

Rychlost asimilace možnosti zvyšování produkce C3. -nové pigmenty C3 C3 C3 - bránění fotorespiraci -zvyšování účinnosti (asimilace, struktura porostu apod.) - odvod asimilátů, bránění fotoinhibici, John R. Evans Plant Physiol. 2013;162:1780-1793 Zvýšení účinnosti Calvinova cyklu zvýšení účinnosti regenerace RuBP zvýšení exprese FBP/SBPase (fructose/sedoheptulose-bisphosphatase) biomasa, fixace CO 2 zvýšena o 20-50% zvýšení výchozí aktivity rubisco Miyagawa et al. 2001

Manipulace fotorespirační dráhy zavedení dráhy pro plnou (alternativní) oxidaci glykolátuna CO 2 v chloroplastu: GOX, malatesynthase, catalase zvýšení koncentrace CO 2 v blízkosti rubisco obejití transaminačních reakcí a energetické spotřeby při reasimilacinh 4+ -efekt závislý na vyváženosti exprese (aktivity)! (Maier et al. 2012) Změny v elektrontransportním řetězci zvýšení množství cytochromového komplexu (je limitující) ATP syntáza je v nadbytku exprese cytochromu c 6 z řasy v Arabidopsis thaliana až 30% nárůst biomasy a fixace CO 2 cytochrom C 6 v roli plastocyaninu(pc) Chidaatal. 2007

Zvýšení účinnosti Calvinova cyklu manipulace rubisco termofilní ruduchy (až 57 C) - rubisco s vysokým specificitním faktorem komplikované skládání a sestavování (8+8) Zvýšení účinnosti Calvinova cyklu manipulace rubisco aktivnější rubisco! pozice 309 ve velké podjednotce klíčová pro rychlost a specifitu evoluční přepínání C3: 309Met pomalejší, specifičtější! C4: 309Ile rychlejší karboxylace, nižší affinita k CO 2!!! rychlejší má smysl jen v kombinaci s CCM (CO 2 concentratingmechanism)

Zvyšování účinnosti/produkce fotosyntézy u C3 rostlin CCM (CO 2 concentratingmechanism) CCM v jednotlivých buňkách zabudování transportérů HCO 3- do membrány plastidů samostatný efekt snížení kompenzační koncentrace CO 2, zvýšení aktivity rubiscoa zlepšený růst v prostředí se suchým vzduchem (u Arabidopsis) v kombinaci s dalšími modifikacemi (analogicky pyrenoidu řas či karboxyzómu sinic) Pyrenoid kompartmentve stromatuplastidů řas obsahuje hlavně rubisco a jeho aktivázu protkán sítí tylakoidních trubiček obklopen škrobovým obalem (proti úniku CO 2?) Karboxyzóm mikrokompartment sinic rubisco, obalové proteiny, CA

CCM sinic Postupné zavedení CCM sinic do rostlin

Postupné zavedení CCM sinic do rostlin Postupné zavedení CCM sinic do rostlin

Změny ve vnitřní koncentraci CO 2 CCM doprovázené strukturními změnami dva buněčné typy s odlišnými vnitřními strukturami snížená prostupnost BS prostupné plasmodesmy vzdálenost mezi žilkami (poměr mezofylových a BS buněk) C3: 9 10 mesofylových b. mezi žilkami C4: 2 3 buňky

Navození strukturní CCM změny stavby (morfogeneze listů) změny exprese proteinů (enzymů, transportérů, ) změny enzymatických vlastností (rubisco, PEPc, ) Analýzy podmíněnosti změn: řada genetických změn (křížení min. 4 lokusy): -oves s kukuřičnými chromozómy (částečné znaky C4 dle vloženého chromozómu) ale u Bahničky jednoduché přepínání: C3: pod vodou C4: vzduch, popř. voda + ABA predispozice samotných genů (NAD-ME) ke specifické expresi C4 metabolismus dávná strukturně regulační predispozice? v kódující sekvenci NAD-ME je úsek navozující expresi v pochvách (okolí) cévních svazků (i u ortologůz C3!) Independent and Parallel Recruitment of Preexisting Mechanisms Underlying C4 Photosynthesis Brown et al. 2011, Science -u C4: v BSC zvýšená exprese řady fotorespiračních genů (GDC!)

Navození strukturní CCM Vnesení genů pro jednotlivé složky C4 (PEPc, PPDK pyruvate orthophosphate dikinase, NADP-ME) bez efektu či s negativním účinkem (zpravidla prostá OE bez lokalizace) I v případě pozitivního efektu (obecně u CCM) může být tento jen fakultativní (za daných podmínek) nižší stabilita produkce Předpokládaná postupná evoluce C4 u rodu Flaveria

Umělá fotosyntéza Palivový článek Solární (fotovoltaický) článek

Tvorba a využití slunečního Fotosyntéza - umělá -přírodní Základní schéma oxygennífotosyntézy a možných strategií umělé fotosyntézy

Základní princip polovodičového solárního článku pro výrobu vodíku Štěpení vody (přirozeně na OEC) klíčová reakce oxygenní fotosyntézy TiO 2 štěpení vody redukce protonů - zpravidla Pt

Štěpení vody na OEC klíčová reakce oxygenní fotosyntézy Artificial leaf: Co-OEC analogické přirozenému OEC (PSII) Cockůvcyklus na Co-OEC účast fosfátové skupiny + oxidace v roztoku

Co-OEC je samoreparační! Zpětná inkorporace samovolně uvolněných Co iontů ( ): -při aplikacivnějšího napětí ( ) - při prosté aktivaci světlem??? Co-OEC funguje za běžných podmínek aktivní v jakékoli vodě bez významné změnyaktivity (říční, mořské) katoda nemusí být tak inertní (Pt), lze použít NiMoZn

Vhodně substituované vrstvy křemíkových polovodičů zajistí účinnou absorpci FAR Jak uskladnit vodík? Energetická náročnost procesů štěpení vody štěpení vody + depozice H 2

Jak uskladnit vodík? zabudováním do organických l. mikrobiální aktivitou teoreticky může být účinnější než biopaliva z rostlin Mikrobiální inkorporace vodíku energeticky nejúčinnější: redukční dráha Acetyl KoA(W L pathway) redukční TCA dráha CBB = Calvin(Benson, Bassham)-cyklus 3HP/4HP = 3-hydroxypropionát/4-hydroxybutyrátový cyklus

Přehled metabolických drah fixace CO 2 Přehled metabolických drah fixace CO 2 (pokračování)

Redukční dráha Acetyl-KoA Redukční dráha Acetyl KoA

Biopaliva řasy nadějným kandidátem (i bez umělé fotosyntézy) Výtěžek biopaliv z řas a vyšších rostlin

Produkce biopaliv řasami - různé typy produktů Schéma řasové biorafinérie

Transesterifikace Produkce biopaliv řasami různé typy