a) Úvod b) Funkce boru v rostlinách c) Mechanizmy transportu boru v rostlinách d) Bor v živočišných tkáních

Podobné dokumenty
Transport boru v rostlinách a živočiších. Jeho úloha v růstu a vývoji.

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

Hořčík. Příjem, metabolismus, funkce, projevy nedostatku

Auxin - nejdéle a nejlépe známý fytohormon

Mendělejevova tabulka prvků

TRANSPORT PŘES MEMBRÁNY, MEMBRÁNOVÝ POTENCIÁL, OSMÓZA

7) Dormance a klíčení semen

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

Hořčík. Příjem, metabolismus, funkce, projevy nedostatku

Buňky, tkáně, orgány, soustavy

Buněčný cyklus. Replikace DNA a dělení buňky

Úvod do biologie rostlin Úvod PŘEHLED UČIVA

Transport živin do rostliny. Radiální a xylémový transport. Mimokořenová výživa rostlin.

10. Minerální výživa rostlin na extrémních půdách

Mendelova genetika v příkladech. Transgenoze rostlin. Ing. Petra VESELÁ, Ústav lesnické botaniky, dendrologie a geobiocenologie LDF MENDELU Brno

Rostlinné hormony brasinosteroidy a jejich úloha ve vývoji a růstu rostlin

Bakalářské práce. Magisterské práce. PhD práce

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

d) Kanály e) Přenašeče a co-transportéry, mediátory difúze a sekundární aktivní transport f) Intracelulární transport proteinů

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

= prvky, které rostlina přijímá jen ve stopovém množství, o to více jsou ale pro ni důležité

sloučeniny C, H, O Cukry = glycidy = sacharidy staré názvy: uhlohydráty, uhlovodany, karbohydráty

Úloha 5 k zápočtu z přednášky B130P16 (praktické základy vědecké práce)

Vodní režim rostlin. Transport kapalné vody

BIOLOGICKÁ MEMBRÁNA Prokaryontní Eukaryontní KOMPARTMENTŮ

Bunka a bunecné interakce v patogeneze tkánového poškození

Půda - 4 složky: minerálníčástice organickéčástice voda vzduch

Eva Benešová. Dýchací řetězec

Růst a vývoj rostlin - praktikum MB130C78

Oligobiogenní prvky bývají běžnou součástí organismů, ale v těle jich již podstatně méně (do 1%) než prvků makrobiogenních.

Rostlinné hormony brasinosteroidy a jejich úloha ve vývoji a růstu rostlin

Transport v rostlinách. Kateřina Schwarzerová Olga Votrubová

Energetický metabolizmus buňky

Příběh pátý: Auxinová signalisace

glukóza *Ivana FELLNEROVÁ, PřF UP Olomouc*

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

Terapeutické klonování, náhrada tkání a orgánů

Biochemie kosti. Anatomie kosti. Kostní buňky. Podpůrná funkce. Udržování homeostasy minerálů. Sídlo krvetvorného systému

FYTOREMEDIACE LÉČIV A JEJICH REZIDUÍ

Průduchy regulace příjmu CO 2

TUBULIN-FOLDING COFACTOR A (TFC A) u Arabidopsis

Univerzita Karlova v Praze - 1. lékařská fakulta. Buňka. Ústav pro histologii a embryologii

Radiobiologický účinek záření. Helena Uhrová

VODNÍ REŽIM ROSTLIN. Mgr. Alena Výborná Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou VY_32_INOVACE_01_1_06_BI1

pátek, 24. července 15 BUŇKA

Anotace: Materiál je určen k výuce přírodopisu v 6. ročníku ZŠ. Seznamuje žáky se základní stavbou rostlinné a živočišné buňky.

5. Lipidy a biomembrány

BUNĚČNÁ STĚNA - struktura a role v rostlinné buňce

Obecný metabolismus.

Projekt realizovaný na SPŠ Nové Město nad Metují

INTRACELULÁRNÍ SIGNALIZACE II

Bílkoviny a rostlinná buňka

PŘÍPRAVKY NA BÁZI LIGNOSULFONÁTŮ

VÝZNAM FUNKCE PROTEINŮ V MEDICÍNĚ

Bakalářské práce. Magisterské práce. PhD práce

Fyziologie rostlin - maturitní otázka z biologie (3)

Buňka. Autor: Mgr. Jitka Mašková Datum: Gymnázium, Třeboň, Na Sadech 308

AMPK AMP) Tomáš Kuc era. Ústav lékar ské chemie a klinické biochemie 2. lékar ská fakulta, Univerzita Karlova v Praze

RNDr.Bohuslava Trnková ÚKBLD 1.LF UK. ls 1

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

4) Reakce rostlin k abiotickému stresu

Zkušební okruhy k přijímací zkoušce do magisterského studijního oboru:

Úvod do biologie rostlin Pletiva Slide 1 ROSTLINNÉ TĚLO. Modelová rostlina suchozemská semenná neukončený růst specializované části

Membránové potenciály

Interakce buněk s mezibuněčnou hmotou. B. Dvořánková

Buňka. Buňka (cellula) základní stavební a funkční jednotka organismů, schopná samostatné existence. Cytologie nauka o buňkách

BUNĚČNÁ TRANSFORMACE A NÁDOROVÉ BUŇKY

Rich Jorgensen a kolegové vložili gen produkující pigment do petunií (použili silný promotor)

MBR ) Reprodukce rostlin. a) Indukce kvetení. b) Vývoj květu - stručná morfologie. c) Genetická a molekulární analýza vývoje květu


BUNĚČ ORGANISMŮ KLÍČOVÁ SLOVA:

Stavba dřeva. Základy cytologie. přednáška

ROSTLINNÁ FYZIOLOGIE OSMOTICKÉ JEVY

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

Základy buněčné biologie

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

M A T U R I T N Í T É M A T A

- pro učitele - na procvičení a upevnění probírané látky - prezentace

BUŇKA ZÁKLADNÍ JEDNOTKA ORGANISMŮ

Maturitní témata Biologie MZ 2017

umožňují enzymatické systémy živé protoplazmy, nezbytný je kyslík,

Srovnání obsahů makro- a mikroživin v biomase rostlin

3) Membránový transport

Lipidy. RNDr. Bohuslava Trnková ÚKBLD 1.LF UK. ls 1

FYZIOLOGIE ROSTLIN. Přednášející: Doc. Ing. Václav Hejnák, Ph.D. Tel.:

3 a) Fyzikální principy. 5 Chemický potenciál (µ s ) (volná energie na jeden mol: J/mol) * = chemický potenciál roztoku s za standartních podmínek

8. Polysacharidy, glykoproteiny a proteoglykany

Vodní režim rostlin. Transport vody v xylemu. Kohezní teorie. Transport půda-rostlina-atmosféra. Metody měření. Kavitace

Mitochondrie. Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

3) Růst a vývoj. a) Embryogeneze a cytokineze b) Meristém a vývoj rostliny c) Vývoj listů a kořenů KFZR 1

makroelementy, mikroelementy

Regulace metabolických drah na úrovni buňky

MINERÁLNÍ A STOPOVÉ LÁTKY

4) Reprodukce rostlin

Obsah vody v rostlinách

Přijímací zkoušky BGI Mgr. 2016/2017. Počet otázek: 30 Hodnocení každé otázky: 1 bod Čas řešení: 60 minut. Varianta B

POLYFOSFÁTY NOVÝ POHLED NA VÝŽIVU ROSTLIN FOSFOREM. Georgi Kostov Tel:

Lekce z analýz genových expresních profilů u MM a návrh panelu genů pro ČR. Mgr. Silvie Dudová

10) Reakce rostlin k abiotickému stresu

Transkript:

1 Transport boru v rostlinách a živočiších. Jeho úloha v růstu a vývoji. a) Úvod b) Funkce boru v rostlinách c) Mechanizmy transportu boru v rostlinách d) Bor v živočišných tkáních Martin Fellner 2010 Xu F et al. (2007) Advances in Plant and Animal Boron Nutrition. Springer Netherlands

2 a) Úvod Bor (B, boron) nezbytný mikroelement v rostlinném a živočišném organizmu V půdě 10 mg. kg -1; hladina B ovlivňuje výnos i kvalitu plodin Hranice mezi nedostatkem a nadbytkem boru je úzká; mechanizmus toxicity není znám Nedostatek boru je rozšířenější než nedostatek jiných mikroelementů

3

4 Význam boru pro rostliny: Syntéza a struktura buněčné stěny Transport cukrů Metabolizmus karbohydrátů Metabolismus RNA Metabolismus IAA Respirace Metabolizmus fenolů Transport přes membrány Mechanizmy působení boru nejsou známy

5 Bor přijímán kořeny z půdy ve formě H 3 BO 3, transportován do rostliny a akumulován v růstových zónách listů a stonků Transport: - pasívní difúze (Raven 1980) - pomocí proteinových transportérů té ů (Dordas and Brown 2000) Arabidopsis 3 transmembránové mechanizmy: - export B z pericyklu do xylému; efflux (2002); BOR1 - import B do epidermálních, kortikálních, endodermálních buněk; uptake (2006); NIP5;1 kanál pro kys. boritou - export B z epidermálních buněk do půdy; efflux (2007); BOR4 Arabidopsis i thaliana L. Update 2009 Tanaka M et al. (2008) Plant Cell 20: 2860-2875 NIP6;1 kanál pro kys. boritou; nadzemní části, kompletně nepropustný pro vodu

6 b) Funkce boru v rostlinách Přesná funkce B v metabolizmu rostlin není známa. 1) Úloha B ve struktuře buněčné stěny (CW) dedukována na základě symptomů nedostatku boru - zastavení růstu apikálních meristémů - vývoj tuhých listů -změna fyzikálních vlastností tkání Změny v syntéze a struktuře CW - velké množství B nalezeno v CW 1992 Hypotéza apióza ; apióza cukr v pektinech CW, tvoří estery s B nebo boráty 1994 B tvoří komplex s pektinovou frakcí CW; nedostatek B anatomické a fyzikální změny CW 1996 Identifikace polysacharid rhamno-galacturonanu-ii (RG-II)

7 Monomery homogalacturonanu (HG) spojeny apiózou => dimer mrg-ii Dimery mrg-ii spojeny borem přes apiózu => dimer mrg-ii-b = rhamnogalacturonan rhamnogalacturonan mrg-ii = = monorhamno-galacturonan Další funkce B: - inkorporace proteinů, pektinů a prekurzorů do CW (intina) -určování velikosti pórů v CW (buněčné kultury) (1999)

8 2) Úloha B v reproduktivním vývoji rostlin Nedostatek t boru => špatný nebo přerušený ř vývoje květu, špatný vývoj plodů, opadávání á plodů 1944 výnos vojtěšky 600x vyšší po přidání B do půdy 1996 B v CW pylu kontroluje syntézu a ukládání pektinového materiálu prostřednictvím sítě RG-II póry v CW Hypotéza: B vytváří chemotaktický gradient, který směřuje pylovou láčku k vajíčku => ovlivnění fertility Nedostatek boru v reprodukčních orgánech, normální množství B ve vegetativních částech Hypotéza: Reprodukční a vegetativní části rostliny mají velice odlišnou citlivost k boru => => transport B hraje velice důležitou roli v reprodukčním vývoji

9 Mutant bor1-1 H 3 BO 3 Zdeněk Svoboda

10 3) Úloha B v rostlinném metabolizmu 80. léta 20. století: - askorbát/glutathionový cyklus - metabolizmus fenolů - metabolizmus dusíku -vývoj kyslíku a aktivita fotosystému II ve fotosyntéze Mechanizmy nejsou známy 4) Úloha B ve struktuře a funkci membrán Nedostatek B => narušení transportních procesů přes membránu: snížená akumulace fosfátů a rubidia (kukuřice, fazole) inhibice aktivity ATP-H + pumpy (90. léta; rajče) reaguje s redox enzymatickými systémy => změny v membránovém potenciálu mění selektivitu membrány pro Na + acl - tvoří komplexy s glykoproteiny nebo glykolipidy

28 11 Glykoproteiny y a glykolipidy y tvoří agregáty g => domény se specifickými vlastnostmi ( membrane rafts ) 1997 membrane rafts jsou specificky aktivní složky membrány (přenos signálu) - časté v aktivních a rychle se vyvíjejících se membránách - vysoce citlivé k boru => hypotéza: B působí prostřednictvím raftů S GPI G B M Membrane Raft Domain S = sphingomyelin G = glycosphingolipids B = boron M = mannose-rich domain GPI = glucosylphosphatidyl-inositol

12 c) Mechanizmy transportu boru v rostlinách - pasívní difúze (Raven 1980) - pomocí proteinových transportérů (Dordas and Brown 2000) Bor přijímán kořeny z půdy, transportován, akumulován v růstových zónách listů a stonků pka H 3 BO 3 : 9,24 Cytoplazma (ph 7,5): 98% H 3 BO 3 [ H(BO) 3 ]; 2% borát H(BO) 4 - Apoplast (ph 5,5): 99,95% H 3 BO 3 [ H(BO) 3 ]; 0,05% borát H(BO) 4 -

13 Pasívní difúze (Raven 1980) Teoretický koeficient lipidové permeability H 3 BO 3 : 8 x 10-6 cm s -1 Hypotéza: pasivní difúze H 3 BO 3 je hlavní a možná jediný mechanizmus transportu B přes membránu Dorden and Brown (2000) Pomocí syntetických lipozomů: 4,9 x 10-6 cm s -1 Pomocí membrán kořenů Cucurbita: 3,9 x 10-7 cm s -1 v membráně 2,4 x 10-8 cm s -1 ve vezikulech bez membrány Stangoulis et al. (2001) V obřích řasách Chara: 4,4 x 10-7 cm s -1 Hypotéza: Existence membránových proteinů, které by transportovaly dostatek boru do buňky

14 Proteinový transport boru y půdy do stonku Transport boru z půdy přes epidermis do xylemu (xylem loading)

28 15 Pericycle Xylem Bor Endodermis d Cortex Epidermis Bor

16 Protein BOR1 Mutant bor1-1 (high boron requirement 1) k normálnímu růstu potřebuje vysokou koncentraci boru (100 M) -nízká hladina akumulovaného B - defekt v příjmu či translokaci B - chromozom 2 bor1-1 WT Noguchi et al. 1997 2002 nepřímé důkazy pro existenci energeticky závislých pro B vysoce afinitních transportérů indukovaných nedostatkem boru (slunečnice) Takano et al. (2002) poziční klonování bor1-1 => identifikován gen BOR1

17 Takano et al. (2002) BOR1: -exprimován především v pericyklu - lokalizován na plazma membráně - exprimován v kvasinkách snižoval koncentraci B v buňkách BOR1 je efflux carrier transport B ven z buňky Transgenní rostliny over-exprimující BOR1 rostou i při nízké koncentraci B => BOR1 chrání rostlinu před nedostatkem boru

28 18 BOR1 efflux carrier Pericycle Xylem Bor Endodermis d Cortex Epidermis Bor BOR1 Export boru (transport z buňky)

28 19 Proč je BOR1 důležitý pro příjem B pouze při nedostatku boru? Takano et al. (2005) [B] m Vysoká akumulace B, [BOR1] [B] m Nízká akumulace B, [BOR1] Při vysoké koncentraci B dochází k degradaci BOR1 ve vakuole. Ochrana proti vysokým koncentracím B -B + B -B čas

20 Množství mrna BOR1 je redukováno při vysokých koncentracích B (Svoboda et al. 2008) Dark Dark BL BOR1 EF1α [H 3 BO 3 ] (mm): 0 10 0 10 0 10 0 10 [H 3 BO 3 ] (mm) 0 10 0 10 WS rsw1-10 Ws rsw1-10 Ws rsw1-10

21 Využití v praxi Miwa et al. (2006) Transgenní rostliny over-exprimující í BOR1 mají normální či větší výnos při nízké koncentraci B

22 Protein NIP5;1 (Takano et al. 2006) Microarray experimenty skríning genů over-exprimovaných při nedostatku B NIP5;1 12x více exprimovaný při nedostatku B NIP5;1 je lokalizován na plazma membráně NIP5;1 down-regulován při vysoké koncentraci B Exprese NIP5;1 v oocytech Xenopus Ochrana proti vysokým koncentracím B NIP5;1 usnadňuje transport B a H 2 O NIP5;1 je membránový kanál pro transport B do buňky (uptake)

28 23 NIP5;1 membránový kanál pro import Pericycle Xylem Bor Endodermis d Cortex Epidermis Bor NIP5;1 Uptake boru (transport do buňky)

28 24 Mechanizmy transportu B: BOR1 + NIP5;1 Pericycle Xylem Bor Endodermis d Cortex Epidermis Bor BOR1 NIP5;1 Export boru (transport z buňky) Uptake boru (transport do buňky)

28 25 Existuje účinnější mechanizmus aktivní ochrany před nadbytkem boru? Protein BOR4 (Miwa et al. 2007) Analýza transgenních Arabidopsis rostlin BOR4-GFP při vysoké koncentraci B v médiu: Over-exprese BOR4 Nízká akumulace B v transgenech BOR4 lokalizován na distální straně epiderálních buněk Rezistence k vysokým koncentracím B BOR4 funguje jako aktivní exportér B z kořenů do půdy BOR4 důležitý pro rezistenci rostlin k B

28 26 Mechanizmy transportu B: BOR1 + NIP5;1 + BOR4 Pericycle Xylem Bor Endodermis d Cortex Epidermis Bor BOR1 NIP5;1 BOR4 Export boru (transport z buňky) Uptake boru (transport do buňky) Export boru z rostliny

28 27 Update 2009 Tanaka M et al. (2008) Plant Cell 20: 2860-2875 Protein NIP6;1 - kanál pro kys. boritou podobný NIP5;1 - kompletně nepropustný pro vodu - transkript se akumuluje v tkáních s nedostatkem boru - specifický pro nadzemní části, nevyskytují se v kořenech - mladá vyvíjející se pletiva - zajišťuje transport H 3 BO 3 z xylému do floému

28 Mechanizmy transportu B: BOR1 + NIP5;1 + BOR4 + NIP6;1 Pericycle Xylem Endodermis Bor Bor Transfer cells Bor Bor Cortex Bor Epidermis BOR1 Bor Export boru (transport z buňky) Floem NIP5;1 Uptake boru (transport do buňky) Bor BOR4 NIP6;1 Export boru z rostliny Uptake boru (transport do buňky)

28 29 d) Bor v živočišných tkáních Úloha a transport B v živočišných buňkách je velmi málo známa Nedostatek B v živočišné buňce je řídký jev vyskytuje se v plodech Hladina B v živočišné buňce je kontrolováno ledvinami Kosti, srdce, slinivka, játra nejvyšší hladina B Účinek B bell-shaped křivka

28 30 Význam boru pro živočichy: Vývoj embrya u žab a ryb Metabolizmus karbohydrátů a minerálů (savci) Regulace aktivity enzymů (savci) Pevnost kostí (savci) Udržování optimální hladiny steroidů (savci)

28 31 Transport boru v živočišné buňce Lidský BTR1: transportér podobný HCO 3- transportéru, podobný co-transportéru SLC4 (Na + -HCO 3- ) BTR1 = homologický k Arabidopsis BOR1 => BTR1 je transportér boru Park et al. (2004) Expresní studie BTR1 je unikátní transportér borátu spojený s transportem 2 Na + Přejmenován na NaBC1

28 32 NaBC1 borátový co-transporter udržuje homeostázu borátu Absence borátu: NaBC1 transportér propustný pro Na + a OH - Prezence borátu: NaBC1 selektivní co-transportér Na + -B(OH) 4- regulovaný napětím H 2 O 2 OH H 3 BO 3 HO -B OH H 2 O HO B HO H + H + OH - B(OH) - 4 OH NaBC1 2Na +

28 33 NaBC1 důležitý v růstu a proliferaci buněk (Human Embryonic Kidney cells) Nízké koncentrace borátu: silná mitogeneze Vysoká koncentrace borátu: inhibice mitogeneze Mitogenní účinek borátu je zprostředkován MAPK: borát zvyšuje fosforylaci MEK a ERK Specifický inhibitor MAPK U0126 inhibuje stimulační efekt borátu na aktivitu MEK Vypnutí exprese NaBC1 pomocí sirna vedlo k zastavení růstu a proliferace buněk MEK = MAPK/ERK kinase ERK = extracellular-signal-regulated kinase

28 34 Epidemiologický skríning: přísun B riziko rakoviny prostaty Inkubace prostatických rak. buněk + B (konc. X) zastavení proliferace buněk Inkubace kontrolních buněk + B (konc. Y) zastavení proliferace buněk X < Y odlišné kapacity transportu borátu v buň. liniích Boron Neutron Capture Therapy Využití B v medicíně 10 B (nosič BPA) akumulace v nádorových buňkách Po injekci 10 B nádor bombardován neutrony Neutrony 10 B Li dolet 5 m He Detaily: Beddoe AH (1997) British J Radiology 70: 665-667 Usmrcení rak. buněk

28 35 Použitá literatura Miwa K et al. (2007) Science 318: 1417 Sutton T et al. (2007) Science 318: 1446-1449 1449 Miwa K et al. (2006) Plant Journal 46: 1084-1091 Takano J et al. (2006) Plant Cell 18: 1498-1509 Takano J et al. (2005) PNAS 102: 12276-12281 Takano J et al. (2002) Nature 420: 337-340 Brown PH et al. (2002) Plant Biology 4: 205-223 Frommer WB et al. (2002) Nature 410: 282-283 Ishii T et al. (2001) Plant Physiology 126: 1698-1705 1705 Noguchi K et al. (1997) Plant Physiology 115: 901-906 Simons K and Ikonen E (1997) Nature 387: 569-572 Park M et al. (2004) Molecular Cell 16: 331-341 Ecker CD and Rowe RI et al. (1999) J Trace Elem Exp Med 12: 213-219 Beddoe AH (1997) British Journal of Radiology 70: 665-667

36 Kdo jsou?? Shmuel Muallem University of Texas, Dallas Toru Fujiwara The University of Tokyo, Tokyo Junpei Takano The University of Tokyo, Tokyo?? Kyoko Miwa The University of Tokyo, Tokyo Patrick H. Brown University of California, Davis