Chlororespiracja
Chlororespiracja to proces oddechowy zachodzący w roślinach. Wewnątrz komórek roślinnych znajduje się organelle zwane chloroplastami , które otoczone są błoną tylakoidów. Błona ta zawiera enzym zwany dehydrogenazą NAD(P)H, który przenosi elektrony w liniowym łańcuchu do cząsteczek tlenu. Ten łańcuch transportu elektronów (ETC) w chloroplastach oddziałuje również z łańcuchami w mitochondriach, w których odbywa się oddychanie. Fotosynteza jest również procesem, z którym oddziałuje Chlororespiracja. Jeśli fotosynteza jest hamowana przez stresory środowiskowe, takie jak niedobór wody, zwiększone ciepło i / lub zwiększona / zmniejszona ekspozycja na światło, a nawet stres związany z zimnem, wówczas chloroddychanie jest jednym z kluczowych sposobów, w jaki rośliny wykorzystują syntezę energii chemicznej.
Chlororespiracja – najnowszy model
Początkowo wątpiono w obecność chlorooddychania jako legalnego procesu oddychania u roślin. Jednak eksperymenty na Chlamydomonas reinhardtii wykazały, że plastochinon (PQ) jest nośnikiem redoks. Rolą tego nośnika redoks jest transport elektronów z enzymu NAD(P)H do cząsteczek tlenu na błonie tylakoidów. Używając tego cyklicznego łańcucha elektronów wokół fotosystemu pierwszego (PS I), chloroddychanie kompensuje brak światła. Ta cykliczna ścieżka umożliwia również elektronom ponowne wejście do puli PQ poprzez aktywność i produkcję enzymu NAD(P)H, który jest następnie wykorzystywany do dostarczania cząsteczek ATP (energii) do komórek roślinnych.
.jpg)
W roku 2002 odkrycie molekuł; kompleksy plastydowej oksydazy końcowej (PTOX) i NDH zrewolucjonizowały koncepcję chloroddychania. Wykorzystując dowody z eksperymentów na gatunku rośliny Rosa Meillandina , ten najnowszy model obserwuje rolę PTOX jako enzymu, który zapobiega nadmiernej redukcji puli PQ, stymulując jej ponowne utlenienie. Natomiast kompleksy NDH są odpowiedzialne za zapewnienie bramy dla elektronów w celu utworzenia ETC. Obecność takich cząsteczek jest widoczna w nieprzyciśniętych błonach tylakoidów roślin wyższego rzędu, takich jak Rosa Meillandina .
Związek między chlorooddychaniem, fotosyntezą i oddychaniem
.jpg)
Eksperymenty z inhibitorami oksydazy oddechowej (na przykład cyjankiem) na jednokomórkowych algach ujawniły, że między chloroplastami a mitochondriami istnieją interaktywne szlaki. Szlaki metaboliczne odpowiedzialne za fotosyntezę są obecne w chloroplastach, podczas gdy szlaki metaboliczne oddechowe są obecne w mitochondriach. W tych szlakach nośniki metaboliczne (takie jak fosforan) wymieniają cząsteczki NAD(P)H między fotosyntetycznymi i oddechowymi ETC. Dowody wykorzystujące spektrometrię mas na algach i fotosyntetycznych mutantach Chlamydomonas wykazały , że cząsteczki tlenu były również wymieniane między fotosyntetycznymi i chlorooddechowymi ETC. Zmutowany Chlamydomonas nie ma fotosystemu pierwszego i drugiego (PS I i PS II), więc kiedy roślina przeszła indukowaną błyskiem aktywność PS I, nie spowodowało to wpływu na mitochondrialne ścieżki oddychania. Zamiast tego, ta indukowana błyskiem aktywność PS I spowodowała wymianę między fotosyntetycznymi i chlorooddechowymi ETC, co zaobserwowano za pomocą polarografii. Ten błysk aktywności PS I jest wyzwalany przez nadmierną redukcję puli PQ i/lub brak nukleotydu pirydynowego w błonie tylakoidów. Redukcja takich cząsteczek stymuluje następnie cząsteczki NADPH i PTOX do wyzwalania szlaków chlorooddechowych.
Ponadto przy braku światła (a tym samym fotosyntezy) chloroddychanie odgrywa integralną rolę w umożliwianiu szlakom metabolicznym kompensacji syntezy energii chemicznej. Osiąga się to poprzez utlenianie związków zrębu, co zwiększa pulę PQ i pozwala na zajście chlorooddechowego ETC.
Stymulacja chlorooddychania
Ciepło i światło jako stymulanty
Eksperyment Quilesa
Eksperyment naukowca Marii Quiles na roślinach owsa ujawnił, że ekstremalne natężenie światła może hamować fotosyntezę i skutkować brakiem aktywności PS II. Ta redukcja prowadzi do wzrostu poziomów NAD(P)H i PTOX, co następnie powoduje stymulację chloroddychania.
Liście owsa inkubowano i wykorzystano emisję fluorescencji chlorofilu do zbadania wpływu ekstremalnego natężenia światła. Wraz ze wzrostem emisji fluorescencji chlorofilu zmniejszała się pula PQ. Stymulowało to cykliczny przepływ elektronów, powodując ostatecznie wzrost poziomów NAD(P)H i PTOX i inicjując proces chloroddychania w błonie tylakoidów roślin owsa.
Zaobserwowano również efekt dodania galusanu n-propylu do inkubowanych liści. Galusan N-propylu jest cząsteczką, która pomaga odróżnić redukcję PQ od aktywności utleniania poprzez hamowanie PTOX. Quiles zauważył wzrost fluorescencji chlorofilu wewnątrz błony tylakoidów komórek roślinnych po dodaniu galusanu n-propylu. Wynik doprowadził do stymulacji enzymu NAD(P)H i jego szlaku cyklicznego; powodując ciągły wzrost poziomu fluorescencji chlorofilu w owsie.
Wniosek Quilesa
Po porównaniu odpowiedzi metabolicznych między roślinami owsa przy średnim natężeniu światła z reakcjami roślin owsa przy ekstremalnym natężeniu światła, Quiles zauważył, że ilość produkowanego PS II była mniejsza w liściach, które przeszły chlororespirację w ekstremalnym świetle. Wyższe poziomy PS II miały natomiast liście poddane średniemu naświetleniu. Wyższy PS II jest bardziej wydajny w syntezie energii chemicznej, a tym samym w przetrwaniu rośliny. Quiles wskazuje, że chociaż szlak chlorooddechowy jest mniej wydajny, nadal służy jako rezerwowa odpowiedź na produkcję energii w roślinach. Ostatecznie Quiles doszedł do wniosku, że intensywne światło padające na rośliny owsa spowodowało obniżenie poziomu PS II, a tym samym zapoczątkowało napływ białek bramkowych (NAD(P)H), aby rozpocząć proces chloroddychania.
Susza jako środek pobudzający
Eksperyment Paredesa i Quilesa
.jpg)
Naukowcy Miriam Paredes i Maria Quiles przeprowadzili badania nad gatunkiem rośliny Rosa Meillandina i jej reakcją metaboliczną na deficyt wody. Zauważyli, jak ograniczone nawadnianie wodą może powodować obniżenie poziomu PS II, co z kolei skutkuje zahamowaniem fotosyntezy. Paredes i Quiles również zauważyli wzrost aktywności chloroddychania jako mechanizm ochronny przed brakiem fotosyntezy.
W doświadczeniu rośliny z deficytem wody analizowano techniką obrazowania fluorescencyjnego. Ta forma analizy wykryła zwiększone poziomy aktywności PTOX i NAD(P)H w roślinie. Wzrost tych dwóch cząsteczek doprowadził do zapoczątkowania chlorooddychania.
Do tych roślin z deficytem wody dodawano również galusan N-propylu. Efekt ten spowodował zwiększenie poziomów fluorescencji chlorofilu. Quiles odnotował podobny wynik u tych samych gatunków roślin, które przeszły pod intensywne światło. Ten wzrost fluorescencji chlorofilu przypisuje się napływowi NAD(P)H do błony tylakoidów. Co następnie doprowadziło do wzrostu produktu ubocznego, nadtlenku wodoru, wewnątrz błony tylakoidów.
Wnioski Paredesa i Quilesa
Paredes i Quiles doszli do wniosku, że chloroplasty pod wpływem stresu spowodowanego niedoborem wody polegają na procesach takich jak otwieranie aparatów szparkowych w celu rozproszenia nadmiaru ciepła nagromadzonego w procesach metabolicznych w komórkach roślinnych. Te procesy metaboliczne są odpowiedzialne za syntezę energii chemicznej, którą można osiągnąć za pomocą chlorooddechowych ETC, gdy widoczne jest zmniejszenie aktywności fotosyntezy.
Ciemność jako środek pobudzający
Eksperyment Gasulli, Casano i Guéry
Naukowcy Francisco Gasulla, Leonardo Casano i Alfredo Guéra obserwowali reakcję metaboliczną porostów po umieszczeniu ich w ciemnych warunkach. Kompleks zbierający światło (LHC) wewnątrz chloroplastów porostów jest aktywowany pod wpływem ciemności. Gasulla, Casano i Guéra zauważyli, że ten wzrost aktywności LHC spowodował zmniejszenie PS II i puli PQ w porostach, co wskazuje na rozpoczęcie chlorooddychania.
Analiza immunodetekcji została wykorzystana do określenia ilości cząsteczek LHC wewnątrz porostów w ciemnym i jasnym środowisku. Określając ilość LHC w chloroplastach, naukowcy byli w stanie zauważyć zmniejszenie aktywności PS II. Ta redukcja była spowodowana utratą energii wzbudzenia w PS II ETC, co następnie stymulowało nachylenie szlaków chlorooddechowych. Gasulla, Casano i Guéra uzyskali ten wynik, gdy zarówno porosty przystosowane do światła, jak i do ciemności zostały umieszczone w ciemności. Odkryli, że poziom cząsteczek LHC w porostach przystosowanych do ciemności podwoił się w porównaniu z porostami przystosowanymi do światła. Zauważono również, że chlorooddechowe ETC zostały uruchomione znacznie wcześniej w porostach przystosowanych do ciemności niż w porostach przystosowanych do światła. Doprowadziło to do szybszego tempa metabolizmu i reakcji syntezy chemicznej w porostach przystosowanych do ciemności dzięki chlorooddychaniu.
Wnioski Gasulli, Casano i Guéry
Gasulla, Casano i Guéra doszli do wniosku, że im dłużej porosty są wystawione na działanie ciemności, tym szybciej mogą rozpocząć się szlaki chlorooddechowe. Wynika to z szybkiego wyczerpywania się cząsteczek PTOX, które zmniejszają pulę PQ. Zdarzenia te następnie stymulują chlorooddechowe ETC do ciągłej pętli, dopóki porosty nie zostaną umieszczone w świetlistym środowisku.
Wyprowadzili również LHC jako kolejny wskaźnik chloroddychania. Gdy stężenia LHC w chloroplastach wzrosły, aktywność PS II spadła z powodu utraty aktywności ETC. Ta redukcja następnie stymulowała aktywność chlorooddechową, aby zrekompensować syntezę energii chemicznej.
Stres mrożący jako środek pobudzający
Eksperyment Segury i Quilesa
Eksperyment, w którym zaobserwowano stres związany z wychłodzeniem gatunków roślin tropikalnych, Spathiphyllum wallisii, przeprowadzony przez naukowców Marię Segurę i Marię Quiles, wykazał różne reakcje dróg oddechowych, gdy różne części rośliny były schładzane w temperaturze 10 stopni Celsjusza.
.JPG)
Segura i Quiles zauważyli, że gdy korzenie rośliny zostały poddane działaniu niskich temperatur (10 stopni Celsjusza), poziom cząsteczek chloroddechowych (NADPH i PTOX) nieznacznie się różnił w porównaniu z poziomem NADPH i PTOX w kontrolowanej roślinie. Jednak gdy sama łodyga została schłodzona do 10 stopni Celsjusza, wówczas ilość cząsteczek NADPH, NDH i PTOX wzrosła w wyniku zmniejszonej aktywności PS I. Segura i Quiles porównali następnie ten wynik, poddając tylko liście rośliny działaniu 10 stopni Celsjusza. Zauważyli, że spowodowało to zatrzymanie aktywności PS II, a tym samym zahamowanie procesu fotosyntezy. Brak aktywności fotosyntetycznej w połączeniu z nachyleniem cząsteczek NADPH i PTOX uruchomił następnie szlaki chlorooddechowe, aby rozpocząć syntezę energii chemicznej.
Ponadto Segura i Quiles zauważyli również, że jednoczesne schładzanie liści i ogrzewanie korzeni (podczas gdy roślina jest oświetlona) może powodować spowolnienie i ostateczne zahamowanie ETC w PS II. Doprowadziło to następnie do nadmiernej redukcji puli PQ, co ostatecznie stymulowało chloroddychanie.
Segura i Quiles wykorzystali technikę obrazowania fluorescencyjnego do określenia poziomu aktywności fotosyntetycznej w liściach roślin. Rozpoznając procent wydajności fotosyntezy, Segura i Quiles byli w stanie określić prawdopodobieństwo wywołania szlaków chlorooddechowych. Zauważyli, że odsetek wydajności fotosyntezy pozostał wysoki u badanych osób, u których:
- tylko liście były schłodzone
- tylko łodyga była schłodzona
- tylko korzenie były schłodzone
Tak wysoki procent wydajności fotosyntezy oznaczał, że szanse na zajście chloroddychania są niewielkie. Jednak nie dotyczyło to rośliny, która została poddana zarówno chłodzeniu łodygi w temperaturze 10 stopni Celsjusza, jak i ogrzewaniu korzeni w temperaturze 24 stopni Celsjusza. Wydajność fotosyntezy tego osobnika była znacznie niższa w porównaniu z eksperymentalną kontrolą. Wskazywało to również na zahamowanie aktywności PS II, co następnie spowodowało rozpoczęcie chloroddychania.
Segura i Quiles wykorzystali również analizę immunoblot, aby wydedukować wpływ różnych temperatur na różne części rośliny. W szczególności immunoblot mierzy ilość kompleksu PTOX i NDH zgromadzonego w błonie tylakoidów organelli chloroplastowych. Wzrost kompleksu NDH był widoczny w roślinie, gdzie łodyga była schładzana do 10 stopni Celsjusza, a korzeń podgrzewany do 24 stopni Celsjusza. W tej roślinie stymulowano chlororespirację. Odmiennie, analiza immunoblot nie wykryła różnic w poziomach kompleksu NDH i cząsteczek PTOX u badanych osób, gdzie:
- tylko liście były schłodzone
- tylko łodyga była schłodzona
- tylko korzenie były schłodzone
Ci badani mieli podobne stężenia NDH i PTOX w porównaniu ze stężeniem kompleksu NDH i cząsteczek PTOX w grupie kontrolnej.
Wniosek Segury i Quilesa
Segura i Quiles doszli do wniosku, że stres wywołany przez chłód wywołuje chloroddychanie tylko wtedy, gdy łodyga jest znacznie chłodna, a korzenie są jednocześnie cieplejsze w porównaniu do przeciętnego Spathiphyllum wallisii w kontrolowanych warunkach. Segura i Quiles zauważają, że PS II jest obecny w chloroplastach (których brakuje w korzeniach), a zatem schładzając łodygę (która zawiera chloroplasty), PS II ETC można następnie zahamować, aby wywołać zmniejszenie puli PQ i w rezultacie, chloroddychanie.
Znaczenie chloroddychania
Chociaż chloroddychanie nie jest tak wydajne jak fotosynteza w wytwarzaniu energii, jego znaczenie przypisuje się jego roli jako przystosowania do przetrwania roślin umieszczonych w warunkach braku światła i wody lub w niewygodnych temperaturach (uwaga: optymalne temperatury różnią się w zależności od gatunku rośliny) . Ponadto Cournac i Peltier zauważyli, że chlorooddechowe ETC odgrywają rolę w równoważeniu przepływu elektronów przez oddychające i fotosyntetyczne ETC. Pomaga to utrzymać równowagę wodną i regulować temperaturę wewnętrzną rośliny.