Transport floemowy

i dystrybucja substancji pokarmowych

1. Przemieszczanie związków pokarmowych w całej roślinie

Konieczność sprawnego funkcjonowania systemów transportu. Odległości pomiędzy organami czasem bardzo znaczne (drzewa). Ksylem - tylko w jedną stronę - od korzeni do pędu - transport wody i składników mineralnych. Przez floem - większość składników organicznych - dominują produkty fotosyntezy.

Wyjątek - transport wiosenny u drzew „w okresie ruszania soków” - gdy nie ma jeszcze liści, cukry przemieszczane przez ksylem - pochodzą z rozkładu skrobi magazynowanej w komórkach miękkiszu pnia lub korzeni. Wiąże się to też z zimową blokadą drożności floemu przez kalozę. Przez ksylem w ciągu całego okresu wegetacji przemieszczane jest też sporo organicznych związków drobnocząsteczkowych: aa, niektóre hormony syntetyzowane w korzeniach. Siłą napędową tego transportu parcie korzeniowe. Jony pochodzące z redystrybucji pomiędzy organami również przemieszczane przez floem. Istnieje stała wymiana metabolitów i wody pomiędzy ksylemem a floemem.

Donory asymilatów: głównie liście,

Akceptory: kwiaty, owoce, wierzchołkowe części pędu, korzenie, organy spichrzowe,

1. Organizm roślinny - zespół donorów i akceptorów substancji pokarmowych.

Transport produktów fotosyntezy w roślinie - 3 współzależne etapy:

1. eksport asymilatów z chloroplastów do cytozolu, następnie z komórek miękkiszowych liści do tkanek przewodzących - załadunek floemu

2. transport na duże odległości - przez floem

3. rozładunek floemu i transport pozafloemowy do komórek w organie docelowym.

Organy do których przez całą dobę dostarczane substancje pokarmowe są często nazywane akceptorami związków organicznych (receptorami, biorcami).

Gdzie w komórkach mogą gromadzić się asymilaty, jeśli ich produkcja przewyższa zapotrzebowanie rośliny? w chloroplastach w postaci skrobi, w wakuolach.

Liście bywają nazywane buforowym donorem, bo w warunkach, gdy zapotrzebowanie na związki organiczne rośliny jest mniejsze niż ich synteza, mogą magazynować skrobię, która służy jako rezerwy substancji pokarmowych. Gdy fotosynteza na niskim poziomie lub wcale nie zachodzi (np. nocą) - remobilizacja okresowo akumulowanych w liściach substancji.

Rozwijające się organy generatywne - zwłaszcza owoce - mają bardzo duże zapotrzebowanie na substancje pokarmowe („u zbóż w czasie rozwoju generatywnego, całkowita produkcja fotosyntetyczna jest mniejsza od bieżącego zapotrzebowania na substancje organiczne”). Bywa, że w przypadku, gdy fotosynteza „nie nadąża” remobilizowane są substancje organiczne łodyg, ogonków liściowych itp. - ogólnie sucha masa organów wegetatywnych maleje.

Wegetatywne organy spichrzowe - podczas ich intensywnego wzrostu też dochodzi do remobilizacji substancji pokarmowych z organów wegetatywnych (korzeń marchwi gromadzi cukry rozpuszczalne). Organy spichrzowe czasem nazywane są odwracalnymi akceptorami, bo mogą stać się wtórnymi donorami substancji pokarmowych. W ich przypadku z remobilizacji pochodzić mogą nie tylko cukry, ale też tłuszcze, czy białka.

Typowe akceptory produktów fotosyntezy nazywane są czasem akceptorami nieodwracalnymi - całkowicie lub częściowo odżywiają się heterotroficznie (np. korzenie, merystemy).

Akceptorami mogą też być różne patogeny.

Zapotrzebowanie akceptorów na substancje pokarmowe zależy m.in. od ich wzrostu i pojemności akumulacyjnej, uwarunkowanej sprawnością pobierania związków organicznych z floemu i ich wykorzystywania do budowy komórek lub akumulacji.

Wierzchołki wzrostu i młode liście - mała masa - nieduże zapotrzebowanie na związki pokarmowe.

Aktywność właściwa - ilość dopływającej do akceptora substancji w przeliczeniu na jednostkę masy.

Siła akceptora - aktywność właściwa x masa akceptora

Ale - należy pamiętać, że np. młode korzenie są w większości zbudowane z żywych tkanek, zaś stare są w znacznym stopniu zdrewniałe, stąd nie można ot tak porównywać ich masy. Ponadto jest wiele różnych czynników, które kontrolują zaopatrzenie akceptora, można powiedzieć, że nie sam akceptor „decyduje”, ale też: donor, który może znajdować się w różnej odległości od akceptora i eksportować różne ilości substancji pokarmowych, inne akceptory tej samej rośliny, sprawność transportu przez floem i rozładunku floemu w obrębie akceptora.

Inna definicja siły akceptora uwzględnia „pojemność” organu na importowane substancje i szybkość rozładunku floemu (ta z kolei zależy od „sprawności” wykorzystywania importowanych związków).

„Zaopatrzenie rosnącego akceptora w substancje pokarmowe w dużym stopniu jest uwarunkowane dynamiką jego wzrostu”

Aktywność akceptora zależy od jego zdolności do sprawnego rozładunku floemu. Pomiędzy donorem i akceptorem pojawiają się gradienty potencjałów chemicznych transportowanych związków.

Aktywność akceptora to wielkość określana przez:

1. intensywność rozładunku floemu w sąsiedztwie akceptora

2. intensywność transportu pozafloemowego i pobierania przez akceptor.

3. Stopień wykorzystania importowanych substancji do oddychania, wzrostu, akumulacji substancji zapasowych

4. Oddziaływanie gromadzonych w akceptorze substancji, jako cząsteczek regulujących ekspresję białek związanych z załadunkiem i rozładunkiem floemu.

2. Struktura floemu

1. Budowa łyka.

Łyko - złożona tkanka, kilka typów komórek, rola: transport substancji rozpuszczalnych w wodzie na duże odległości.

• komórki lub rurki sitowe

• komórki towarzyszące (przyrurkowe, siostrzane) lub komórki białkowe

• miękkisz łykowy

• włókna łykowe

Łyko nagonasiennych: komórki sitowe zawierające jądra i przylegające do nich komórki białkowe. Pory powierzchni sitowych komórek sitowych są wypełnione strukturami błoniastymi.

Okrytonasienne: rurki sitowe (brak jądra, mało cytoplazmy) i komórki przyrurkowe. Na poprzecznych ścianach rurek - płytki sitowe, u niektórych gatunków w bocznych ścianach występują także pory większe od plazmodesm. Płytki - liczne pory o średnicy 0,1-15 μm, często są otoczone kalozą (polisacharyd z reszt glukozy połączonych wiązaniami β-1,3 glikozydowymi). Jesienią u drzew ilość kalozy w rurkach wzrasta tak, iż „zatyka” ona pory płytki uniemożliwiając przepływ soku. W indukcji syntezy kalozy jesienią uczestniczy ABA, natomiast na wiosnę auksyna pośrednio stymuluje hydrolizę kalozy. Synteza dużych ilości kalozy następuje także po zranieniu floemu lub w przypadku pojawienia się nagle niekorzystnych warunków np. chłodu lub przegrzania. Komórki towarzyszące - małe, z dużym jądrem i wieloma mitochondriami (intensywnie syntetyzują ATP), dużo plazmodesm łączy je z rurkami sitowymi. U roślin zielnych ściany komórek towarzyszących często silnie pofałdowane.

2. O rurkach sitowych jeszcze.

W rurkach: mało mitochondriów, często zdeformowane. Brak wodniczki. Fragmenty ER.

Fibrylarne białka specyficzne dla rurek sitowych (P-proteins) - tworzące włókna, tubule lub agregaty. PP1 (96 kDa) PP2 (masa dimeru 48 kDa) - syntetyzowane w komórkach towarzyszących i transportowane do rurek sitowych przez plazmodesmy. W przypadku zranienia białka P ulegają utlenieniu i tworzą żele zabezpieczające uszkodzoną tkankę przed wyciekiem soku (przepływa on u niektórych gatunków pod ciśnieniem dochodzącym do 1,8-3,0 MPa) Rośliny jednoliścienne rzadko mają białka P, u nagonasiennych nie stwierdzono obecności tych białek.

Przez plazmodesmy pomiędzy komórkami towarzyszącymi a rurkami sitowymi - mogą być transportowane dużo większe cząsteczki niż przez „zwykłe” plazmodesmy.

Przez floem transportowane są także rozmaite cząsteczki sygnałowe.

Wykazano jednokierunkowy przepływ soku w każdej rurce.

3. Transport floemowy

1. Skład chemiczny soku floemowego

Sok floemowy do badań pobierano w dość niemiły sposób, mianowicie wypuszczano na roślinę mszyce, które żywią się sokiem floemowym, mszyce wkłuwały się do łyka, następnie ucinano mszycom kłujki , przez które wyciekał sok.

We floemie nie stwierdza się cukrów redukujących.

Brak kwaśnej inwertazy (inhibicja syntezy tego białka), wysokie pH soku floemowego (nie napisano, czy dotyczy to całego łyka, czy tylko układu - rurki-kom. przyrurkowe) - ma to uniemożliwiać hydrolizę transportowanych cukrów.

Cukry i pochodne występujące w soku floemowym (nie u każdej rośliny wszystkie):

• u większości roślin dominuje sacharoza (jej zawartość waha się w zależności od gatunku i warunków wzrostu rośliny), sacharoza jest podstawową formą transportową cukrów w roślinie i jest składnikiem soku floemowego wszystkich roślin

• rafinoza (oligocukier z glukozy, fruktozy i galaktozy - glukoza z fruktozą jest połączona wiązaniem takim, jak w sacharozie, zaś galaktoza jest dołączona do 6go węgla glukozy wiązaniem α-1,6)

• stachioza - (Fru, Glu, Gal, Gal przyłączona α-1,6 do poprzedniej galaktozy)

• werbaskoza (Fru, Glu i łańcuch 3 Gal)

• ajugoza (Fru, Glu i łańcuch 4 Gal)

6węglowe alkohole

• sorbitol

• mannitol

• inozytol

Forma transportowa cukrów lub ich pochodnych przemieszczanych przez łyko jest specyficzną cechą taksonomiczną (mięta, cukinia-dużo stachiozy, rafinozy, ogórek, seler - mannitol)

Związki azotu - głównie aminokwasy - Glu, Asp i ich amidy. U roślin motylkowych - kwas alantoinowy i cytrulina.

Drzewa - okres letni - mało związków azotowych we floemie, jesienią - wycofywanie substancji pokarmowych z liści - ilość zw. azotowych rośnie 3-4x. W czasie starzenia liści - eksport przez floem dużych ilości produktów rozkładu białek chloroplastowych i mitochondrialnych.

Floem zaopatruje w związki azotowe organy reprodukcyjne.

pH soku floemu 8-8,5.

Jeśli chodzi o jony w soku floemowym to ich stężenie jest generalnie wyższe niż w ksylemie (z wyjątkiem Ca, który transportowany niemal wyłącznie przez ksylem, unikanie wytrącania trudno rozpuszczalnych fosforanów wapnia we floemie)

Co jeszcze transportowane: hormony, kwasy organiczne, witaminy, ATP i ADP, białka i kwasy nukleinowe, nukleotydy.

2. Ilościowe aspekty transportu floemowego.

Ocena intensywności i sprawności transportu wymaga uwzględnienia parametrów anatomicznych - liczby i średnicy rurek w łyku. Rurki sitowe stanowią ok. 1/5 powierzchni łyka (na przekroju poprzecznym).

O sprawności transportu decyduje liniowa szybkość przepływu i stężenie przemieszczanych związków w soku floemowym. Pozwala to obliczyć intensywność transportu

I = CV [g/cm²h]

I - masa transportowanych subst. w jedn. czasu, C - stężenie [g/cm³], V - szybkość liniowa [cm/h].

Szybkości liniowe transportu floemowego - rzędu kilkudziesięciu cm/h

Intensywność transportu floemowego, przeciętnie - 0,6-5 g/h cm² powierzchni przekroju floemu

3. Rozmieszczenie i charakterystyka wiązek (pobieżnie omawiam)

Solanaceae, Cucurbitaceae - wiązki bikolateralne. Np. floem zewnętrzny w wiązce pomidora uczestniczy w eksporcie asymilatów z liści, zaś wewnętrzny zaopatruje owoce.

Rozrastanie się floemu i ksylemu regulowane hormonalnie.

Budowa, liczba i rozmieszczenie wiązek sitowo naczyniowych wpływają na sprawność eksportu produktów fotosyntezy. Pochwa okołowiązkowa u roślin C₄ też usprawnia eksport do wiązek przewodzących. W warunkach optymalnych liście roślin C₃ eksportują około 30-40% bieżąco wytworzonych asymilatów zaś liście roślin C₄ - często ponad 50%.

4. Czynniki wpływające na transport floemowy

Temperatura i zmienność dobowa

T wpływa w stosunkowo niewielkim stopniu na szybkość i intensywność transportu fl i trudno tutaj odgraniczyć sam transport od efektów pośrednich np. wynikających ze zmian szybkości załadunku floemu (ten z kolei zależy od intensywności fotosyntezy i transportu z chloropalstów do cytoplazmy, wreszcie z komórek miękkiszu do łyka) T wpływa też na intensywność rozładunku.

Energia wydatkowana jest głównie na załadunek floemu, sam transport mniej energochłonny.

Zazwyczaj termiczne optimum załadunku pokrywa się z optimum dla fotosyntezy. Brak jednak bezpośredniej zależności pomiędzy transportem floemowym a fotosyntezą.

Obniżenie temepratury do kilku stopni powoduje spadek szybkości transportu u roślin wrażliwych na chłód, u roślin odpornych na chłód spadek też obserwowany ale po pewnym czasie (kilka godzin) utrzymywania się niskiej temperatury szybkość ponownie wzrasta.

Transport floemowy odbywa się w ciągu doby ze zbliżoną intensywnością.

4. Mechanizm transportu floemowego

1. Załadunek floemu

Transport cukrów chloroplast-cytozol - antyport: tiozofosforan eksportowany z chloroplastu, fosforan importowany. Jeśli eksport produktów fotosyntezy hamowany (bo np. brakuje Pi) w chloroplastach gromadzi się skrobia. Dalszy etap przemieszczania cukrów - synteza sacharozy w cytozolu. Potem - transport sacharozy do floemu (sacharoza może też być magazynowana w wakuolach komórek miękkiszu).

Sprawność załadunku w wielu przypadkach koreluje z aktywnością syntazy fosforanu sacharozy.

Stężenie sacharozy w komórkach miękkiszowych - 10-50 mm/dm³, zaś w rurkach sitowych - nawet 10-20 x wyższe - stąd załadunek wymaga pokonania bardzo wysokiej bariery gradientu potencjału chemicznego. Konieczność wydatkowania znacznych ilości energii (pochodzącej z rozkładu ATP).

Załadunek - w dwojaki sposób:

• poprzez symplastyczny kontakt - przez plazmodesmy łączące komórki miękkiszu z komórkami przyrurkowymi a te z kolei z rurkami sitowymi.

• na drodze apoplastycznej

Przez apoplast - eksport z komórek miękkiszu, w komórkach przyrurkowych - symporter sacharoza, H⁺. Dalej - między komórkami tow. a rurkami sitowymi - głównie symplastycznie.

W błonach rurek sitowych działają zasilane ATP pompy wyrzucające H⁺ na zewnątrz (to dlatego sok floemowy ma odczyn zasadowy).

Zwykle załadunek floemu i przez symplast i przez apoplast . Rodzaj załadunku koreluje z formą transportową cukrów i liczebnością plazmodesm. Przemieszczanie sacharozy - prawie wyłącznie przez apoplast. Oligosacharydy większe od sacharozy - głównie przez symplast. Są komórki połączone z rurkami sitowymi dość szerokimi pazmodesmami - w nich synteza większych oligosacharydów i transport przez plazmodesmy do rurek.

2. Rozładunek floemu

Z reguły przebiega zgodnie z malejącym gradientem potencjału chemicznego - w komórkach akceptora stężenie substancji importowanej niższe niż we floemie - może więc zachodzić na zasadzie dyfuzji lub dyfuzji ułatwionej.

Sprawność rozładunku floemu i metabolizm substancji transportowanych w dużym stopniu determinują wielkość importu substancji pokarmowych do akceptorów.

Akceptory nieodwracalne (młode liście, wierzchołki pędu, korzenie) - zaopatrywane przez symplast.

Akceptory akumulujące (organy spichrzowe) - przez apoplast.

Do komórek akceptora sacharoza lub heksozy (powstałe z hydrolizy sacharozy mogącej zachodzić też w apoplaście, gdzie także występuje kwaśna inwertaza) - na zasadzie uniportu lub symportu z H⁺. Inwertaza kwaśna - w cytozolu, wakuolach komórek ale też na powierzchni ściany komórkowej akceptorów. Ekspresja inwertazy stymulowana przez hormony (głownie cytokininy) oraz różne stresy biotyczne i abiotyczne. Zaopatrzenie niektórych organów spichrzowych np. rzodkiewki czy pomidora - koreluje z aktywnością syntazy sacharozy, również mogącej hydrolizować sacharozę. „dalsze losy” związków importowanych zależą od akceptora - burak cukrowy, trzcina cukrowa - sacharoza akumumulowana w wakuoli (wymaga aktywnego transportu przez tonoplast). Bulwy ziemniaka, ziarniaki zbóż. (dalej jeszcze o akumulacji tłuszczy w nasionach oleistych i białek - w nasionach motylkowatych)

W rozwijających się nasionach brak kontaktu symplastycznego pomiędzy komórkami zarodka a komórkami rośliny macierzystej - z reguły rozładunek apoplastyczny.

Rozładunek floemu kontrolowany hormonalnie.

3. Mechanizm transportu floemowego

W sumie to nadal niewiele wiadomo. Pytania: czy transport floemowy (sam transport, nie załadunek, czy rozładunek) jest czynny, czy bierny? Czy w jednej rurce tylko w jednym kierunku? Czy wszystkie związki z tą samą prędkością?

W Kopcewiczu przedstawione różne hipotezy.

Autorka najbardziej skłania się ku hipotezie biernego transportu floemowego.

Hipoteza przepływu masowego (objętościowego) pod ciśnieniem.

Pory w płytkach sitowych roślin okrytonasiennych są średnio w 70% puste.

Przepływ soku floemowego dzięki zróżnicowanemu stężeniu transportowanych substancji w donorach i akceptorach. Gradient potencjału osmotycznego i ciśnienia turgorowego we floemie między komórkami donora a komórkami akceptora. Siłą motoryczną ruchu w rurkach sitowych jest gradient ciśnienia hydrostatycznego, czyli turgorowego, między punktem załadunku i rozładunku floemu.

Gradient potencjału pomiędzy miejscem załadunku i rozładunku.

Gradient pomiędzy ksylemem a floemem w pobliżu donora powoduje napływ wody z ksylemu do floemu powodując wzrost turgoru.

W miejscach rozładunku - maleje stężenie soku floemowego - rośnie potencjał osmotyczny i potencjał wody - przepływ wody z floemu do ksylemu.

Związki i jony przemieszczają się w rurkach sitowych wraz z wodą w każdej rurce tylko w jednym kierunku. Gradient potencjału wody pomiędzy rurkami sitowymi a ksylemem powoduje stałą cyrkulację wody.

U roślin nagonasiennych - pory komórek sitowych wypełnione strukturami błoniastymi prawdopodobnie z błon pochodzących z ER, nie stwierdzono też dużych gradientów ciśnienia turgorowego. Tam mechanizm musi być inny.

V. Dystrybucja substancji pokarmowych w roślinach

1. Bilans substancji pokarmowych

Rozmieszczenie substancji pokarmowych - co na nie wpływa?

- genetycznie zakodowany wzorzec dystrybucji biomasy w całej roślinie.

- warunki środowiska

- wymiana informacji o zapotrzebowaniu w danym okresie przez dany organ

Dystrybucja substancji pokarmowych zależy od:

- poziomu bezpośredniego zaopatrzenia w produkty fotosyntezy

- możliwości remobilizacji okresowo zakumulowanych związków organicznych

- sumarycznego zapotrzebowania wszystkich akceptorów

- aktualnej pojemności akumulacyjnej każdego akceptora

- zużycia substratów w procesie oddychania przez dany akceptor

2. Hierarchiczność akceptorów, pierwszeństwo zaopatrzenia.

Priorytetowe znaczenie mają procesy oddychania i wzrostu akceptorów, a dopiero potem akumulacja substancji pokarmowych.

Hierarchiczny szereg akceptorów w fazie wegetatywnej:

Merystem wierzchołkowy pędu > korzenie > młode liście > łodyga

W fazie generatywnej:

Merystem wierzchołkowy > kwiaty = owoce > młode liście > korzenie

W warunkach niekorzystnych może dojść do zmiany priorytetów zaopatrzenia - substancje pokarmowe preferencyjnie importowane do tych organów, których lepszy wzrost i aktywność spowodują sprawniejsze przywrócenie homeostazy np. w czasie suszy lub braku substancji mineralnych - wzmożone zaopatrzenie korzeni, zaś deficyt oświetlenia - więcej substancji pokarmowych kierowanych do młodych liści.

Integracja dystrybucji w całej roślinie.

3. Udział hormonów w regulacji dystrybucji

Co ma wpływ na dystrybucję substancji pokarmowych:

• sygnały hormonalne

• specyficzne geny

• „drożność” tkanek przewodzących

• sygnały biofizyczne

• gradient stężeń

Udział auksyn i cytokinin (w książce - przykłady eksperymrntów opisano)

Eksport produktów fotosyntezy dodatnio skorelowany z aktywnością syntazy fosforanu sacharozy (SPS) . Aktywność SPS symulowana przez giberelinę.

Stymulacja przez cytokininy ekspresji genów inwertazy kwaśnej, związanej z importem cukrów do akceptorów.

Giberelina symuluje załadunek i rozładunek floemu.

Hormony mogą

- regulować ekspresję enzymów lub transporterów bezpośrednio związanych z załadunkiem czy rozładunkiem floemu.

- wpływać pośrednio - poprzez regulowanie wzrostu danego organu.

VI. Inne

Transport jonów i metabolitów w roślinie.

Wewnątrzkomórkowo - dyfuzja, ruchy cytoplazmy

Pomiędzy komórkami:

1. przez środowisko - organizmy jednokomórkowe

2. przez wolne przestrzenie tkankowe

Apoplast rezerwuarem jonów i metabolitów.

Nierówna akumulacja jonów w przestrzeniach wolnych spowodowana obecnością DFS (Donnan Free Space - zob. gospodarka wodna).

DFS - objętośćroztworu, w którym różne stężenei kationów i anionów - więcej kationów (bo przyciągane przez ujemnie naładowaną błonę komórkową)

WFS - Apoplast Water Free Space - wolna przestrzeń wodna, roztwór elektrolitów i nieelektrolitów.

Pofałdowane błony komórkowe w strefie kontaktu: rurki sitowe-komórki przyrurkowe

Włośniki-gleba

Pasożyt-gospodarz

Zwiększają powierzchnię.

Desmotubule - włókienkowate struktury obecne w plazmodesmach.

Średnica plazmodesm: 0,02-0,3 μm. Mogą być bardzo liczne - kilka do kilkadziesiąt tysięcy.

Nie ma dobrego modelu transportu przezp lazmodesmy - zwłaszcza dużych cząsteczek (zdarza się, że i wirusy mogą infekować tą drogą)

Komórka sitowa - 30-50% powierzchni ściany komórek sitowych stanowią pola sitowe. Transport przez sita aktywniejszy niż przez plazmodesmy, średnica sita sięga ułamkowych części μm do kilkunastu μm.

Rurki sitowe:

• brak jądra

• brak wakuoli centralnej

• tylko gładkie ER

• wnętrze wyściełane śluzowatą masą białka floemowego

• brak aparatu Golgiego

• brak mikrofilamentów i mikrotubuli

Kaloza - zaklejanie uszkodzeń i blokowanie transportu jesienią.

Transport substancji dwukierunkowy, zróżnicowana szybkość:

Sacharoza: 200-500 cm/h

K⁺ 30-50 cm/h

Sok ksylemu:

90% cukry z czego 80-90% to sacharoza

sorbitol, mannitol, aa, kwasy organiczne

K⁺>Na⁺, Mg²⁺ > Ca²⁺ (bo wapń najmniej ruchliwy), Cl^-, HCO₄^-, SO₄^2-, fosforany,

Duże polimery: białka, lipidy

Ksylem: związki nieorganiczne, aa, aminy, amidy, kwasy organiczne, hormony.

Nie ma mechanizmu tłumaczącego transport z różnymi szybkościami.

1

---