Водный обмен растений 1 Водная среда объединяет все

Водный обмен растений 1. Водная среда объединяет все части организма. В теле растения водная фаза представляет собой непрерывную среду. 2. Вода – важнейший растворитель и важнейшая среда для протекания биохимических реакций 3. Вода участвует в упорядочивании структур в клетках 4. Вода – метаболит и непосредственный компонент биохимических реакций 5. Вода – главный компонент в транспортной системе высших растений 6. Вода – терморегулирующий фактор 7. Вода амортизатор при механических воздействиях 8. Вода обеспечивает упругость растительных тканей и рост растяжением

Водичка в растительной клетке Свободная 85 – 90% подвижность Констутивная (химически связанная) Гидратационная: -коллоидносвязанная (иммобилизованная) -осмотически связанная ЯМР 3/4 вакуоль 1/4 КС 1/20 Связанная 10 - 15% цитозоль КС 50% Подвижная и малоподвижнная Хл 50% Мх 50% 95% коллоидносвязанная Вакуоль 98% Соли, сахара, Орг. кислоты Аминокислоты Белки Таннины

Растения Пойкилогидрические Гомойогидрические Гигрофиты Мезофиты Ксерофиты

Осмотические явления Растворитель Тургорным давлением (Р) называют давление, которое возникает в результате поступления воды в клетку. V<0 Полупроницаемая мембрана Осмотическим активное давлением (π) вещество (осмотик) называют то давление, которое нужно приложить к ячейке, чтобы остановить диффузию растворителя. Идеальная осмотическая ячейка V>0

Осмотические явления Растворитель Биополимер (не образует Полупроницаемая истинного раствора ) мембрана Матричная компонента осмотического давления возникает в результате взаимодействия воды с гидрофильными группами полимеров. Активность воды уменьшается. Идеальная осмотическая ячейка: взаимодействие растворителя с веществом

Осмотическое давление и проблема «лишней» воды В клетке ψ < 0, в наружной среде ψ ~ 0 Водичка идет по градиенту… Осмотическое давление π избыточное давление, которое надо приложить к раствору вещества, чтобы привести его в равновесие с чистым растворителем, отделенным от него полупроницаемой мембраной. π = RT * ∑ Ci

Растительная клетка как осмотическая система Осмос приводит к возникновению тургорного давления в клетках. Тургорным давлением называется гидростатическое давление, возникающее в клетках при поглощении ими воды в результате осмоса. Это давление придает форму и упругость растительным тканям. Часто используемый в физиологии растений термин “тургор” является качественной характеристикой клеток, указывающий на наличие в них тургорного давления. Тонопласт Клеточная стенка Осмотическое давление Тургорное давление Противодавление клеточной стенки Плазмалемма Противодавление клеточной стенки N равно гидростатическому или тургорному давлению N = - P

Термодинамические показатели воды a w - активность воды. Эффективная (реальная) концентрация, соответственно которой вода участвует в различных процессах, для чистой воды = 1; в растворе или клетке < 1 m w - химический потенциал воды. Выражает максимальное количество внутренней энергии молекул воды, которая может быть превращена в работу - водный потенциал Выражает способность воды в данной системе совершить работу в сравнении с той работой, которую совершила бы чистая вода при тех же условиях

Итак, основные показатели водного баланса клетки, количественно. Активность воды: а. Н О = p Н О / p o Н О 2 2 а. Н О ≤ 1 2 2 po p. Н 2 О и Н 2 О – давление пара воды над системой и над чистой водой соответственно Химический потенциал воды: µН О = RT ln а. Н О 2 2 Водный потенциал: ΨН 2 О = (µН 2 О - µо. Н 2 О) / V [джоуль/см 3] где V – парциальный мольный объем воды µН О ≤ 0 2 ΨН О ≤ 0 2 Водный потенциал клетки: Ψкл = Ψs + Ψp + Ψm + Ψg Где: Ψs – осмотический потенциал, влияние на Ψ растворенных веществ Ψp – потенциал давления, влияние на Ψ механического давления Ψm – матричный потенциал, влияние на Ψ связанной макромолекулами воды Ψg – гравитационный потенциал, влияние на Ψ силы тяжести Ψs < 0; Ψm < 0; Ψp > 0 (как правило); Ψg – для высоких деревьев Из старых классических учебников: «Сосущая сила клетки» S = Ψкл

Тургор обеспечивает рост клетки «растяжением» При w внешней среды > w внутренней среды клетки вода поступает в клетку. Происходит неупругое растяжение клеточной стенки.

Плазмолиз w внешней среды ≤ w внутренней среды клетки вода выходит из клетки Клетка теряет тургор, а затем происходит плазмолиз

Водный баланс клетки Ψкл = [ Ψs + Ψm] + Ψp Ψ Ψкл = Ψнар. р-ра Ψр Ψнар. р-ра 0 Ψкл Ψs + Ψm

Осмотический стресс

4. Понижение 1. Понижение матричного потенциала осмотическим стрессом? Как бороться с осмотического потенциала за счет увеличения числа за счет синтеза осмолитов свободных –COOH групп (глицин-бетаин, (деметилирование, Пролин, пролин-бетаин, изменение доли пектина, холинсульфат, окислительные реакции) маннитол, и др. ) 2. Понижение осмотического потенциала за счет накопления ионов (K+, Na+, Cl-, малат и др. органические кислоты) 3. Понижение матричного потенциала за счет синтеза гидрофильных белков (осмотины, Lea-белки)

Растения-галофиты Salicornia Suaeda

Направление движения воды в системе целого растения также определяется направлением градиента водного потенциала. атм. -1000 бар (при относительной влажности воздуха 50%) -70 бар (при относительной влажности воздуха 99%) – даже во время дождя влажность воздуха редко превышает 99%, т. о. листья и при дожде теряют воду) Лист раст. -15 бар Стебель -5 бар Корень -2 бар почва -0, 5 бар

Колебания водного потенциала в растительных тканях Днем водный потенциал клеток обычно снижается, но для разных тканей и органов в разной степени. .

Динамические характеристики потока воды в клетку Почти закон Ома – I = U/R… Jw = Lр ( среды - клетки) R = 1/L p Jw - объемный поток воды, · выражаемый в см 3·см-2·с-1 или см·с-1; Lр – коэффициент гидравлической проводимости, см·c-1·бар-1; R – сопротивление потоку воды - градиент водного потенциала

Динамические характеристики потока воды в клетку Jw = Lр ( ср - кл) Lр зависит от двух процессов: 1. Диффузии через липидный бислой; 2. Проникновения через специальные белки - аквапорины Повышается при изменении состава мембран: Повышение доли ненасыщенных жирных кислот (десатурация) , стероидов, изопреноидов, появление окисленных производных и др. Изменение числа аквапоринов и их активности (зависит от фосфорилирования)

Аквапорины Молекулы воды преодолевают мембраны двумя путями: через липидный бислой и через поры, образуемые специфическими белками – аквапоринами. Регулирование: • Изменение числа каналов для осмотически активных веществ. • Изменение активности каналов (зависит от фосфорилирования, мембранного потенциала, сигналов и др. ) • Изменение типа каналов. • Изменение расположения каналов на мембране. Аквапорины ПМ входят в семейство интегральных белков PIP (plasma membrane intrinsic protein), Аквапорины тонопласта входят в семейство интегральных белков TIP (tonoplast intrinsic protein).

Структура водных каналов - аквапоринов NPA-бокс: Asp-Pro-Ala

Регулирование аквапоринами водного баланса клетки и растения много воды в клетке мало воды в клетке Арабидопсис с введенным геном аквапорина PIP 1 a и PIP 1 b в антисенс конфигурации. У трансгена в 5 раз больше корневая система.

Капиллярные эффекты 1. Преимущественно на капиллярном подъеме воды основан транспорт у мхов. Высота мхов достигает не более 70 см (чаще ниже). 2. Капиллярные эффекты работают в апопласте листа в подустьичных щелях на границе раздела трех фаз.

Поздняя метаксилема Поглощение воды корнем Ароморфоз: Появление корней Ризодерма с корневыми «коллективное» выполнение волосками осмотических функций. Нижний концевой двигатель Кора Древовидные папоротники достигали 40 метров в высоту Эндодерма с поясками Каспари Протоксилема Ранняя метаксилема Перицикл Флоэма

Радиальное строение корня Ризодерма: первичная загрузка симпласта, локально – в трихобластах. Кора: «метаболический котел» : 1. Реакции ассимиляции 2. Буферная емкость (вакуоли) Эндодерма: двойной барьер: а) диффузный – контроль потока ионов в центральный цилиндр по апопласту б) осмотический - барьер для центробежного потока ионов и воды из центрального цилиндра. Эндодерма отделяет низкосолевое пространство (ризодерма и кора) от высокосолевого (ц. цилиндр ). Перицикл: кольцевой коллектор, Собирает ионы и направляет их к ксилеме. Ксилема: финиш радиального и старт дальнего тр-та ионов.

Транспортные системы клеток корня Загрузка ризодермы идет за счет работы высокоаффинных переносчиков. Загрузка ксилемы обычно идет пассивно (через каналы), но за счет работы Н+-АТФ-аз

Ароморфоз: Образования трахей (сосудов ксилемы): повышение гидравлической проводимости, увеличение скорости транспорта. Увеличение роли «верхнего концевого двигателя» Максимальная известная высота деревьев – 116 м. .

Верхний эпидермис КУТИКУЛА (экстрацеллюлярный слой восковых веществ) Столбчатый мезофилл Губчатый мезофилл УСТЬИЦЕ Нижний эпидермис

Преобладающие компоненты: сложные эфиры неразветвленных алкан-1 -олов (четные С 24 -С 28) и алкан-1 -оевых кислот (четные С 20 – С 24) КУТИКУЛА (экстрацеллюлярный слой восковых веществ) Примеси и минорные компоненты: свободные неразветвленные алкановые спирты, альдегиды, кислоты (четные С 20 -С 28), иногда – соответствующие кетоны. Часто алканы (нечетные С 25 – С 31)

Hosta ‘Love Pat’ Микроструктура воска придает «пластмассовый» блеск и устойчивость к болезням Hosta ‘Queen Josephine’

УСТЬИЦА – ОСОБЫЕ КЛЕТКИ ЭПИДЕРМИСА 1. СОДЕРЖАТ ХЛОРОПЛАСТЫ 2. НЕТ ПЛАЗМОДЕСМ

замыкающие клетки устьица клеточная стенка более толстая (ДВУДОЛЬНЫЕ) Диаметр устьичных щелей 3 -12 мкм расположены (у 75% видов) на нижней стороне листа Состояние устьиц зависит от: • Водного потенциала клеток листа; • Концентрации СО 2 в подъустьичной щели; • Циркадного (суточного) ритма; • Фоторецепторов (фототропины и фитохромы) • Абсцизовой кислоты (АБК) – гормона растений, вызывающего быстрое закрытие устьиц;

ОБРАЗОВАНИЕ МАЛАТА В КЛЕТКАХ УСТЬИЦ (С-3!) ДЕНЬ: ГЛИКОЛИЗ КРАХМАЛ ГЛЮКОЗА ФЕП-К МДГ ФЕП + НСО 3 - ОАА МАЛАТ Фн НАДФН НАДФ+ НОЧЬ: МАЛИК- ЭНЗИМ ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ СО 2 МАЛАТ ПИРУВАТ ГЛЮКОЗА КРАХМАЛ НАД+ НАДН

Открывание устьиц ( 2 -3 часа) К+in-канал + + + Н+ Н+ Cl К+ АТФ Н 2 О Cl-in К+in АДФ К+ Cl- Н 2 О малат АТФ АДФ Синий свет, ИУК, низкие конц. СО 2 –факторы открывания Н+

Закрывание устьиц (30 мин) Cl-out К+out Н 2 О Са 2+ К+out Высокая конц. СО 2, АБК- (образуется при водном дефиците), снижение водного потенциала клеток листа- факторы закрывания Cl-out малат мтх Ночь: малат СО 2 НАДН ПК глюкоза крахмал

Гуттация Каждый лист таро (Colocasia esculenta) в течение суток выделяет до 100 мл воды, причем интенсивность гуттации достигает 200 капель в минуту

Гуттация Реабсорбция минеральных веществ

Лист: ВЕРХНИЙ КОНЦЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ водного потока. 1. Транспирация (контакт с атмосферой) 2. Фиксация СО 2 (образование органических осмотиков) 3. Гуттация 4. Рециркуляция воды (активный отток по флоэме) 5. Рост молодого листа Корень: НИЖНИЙ КОНЦЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ водного потока. 1. Создание корневого давления (загрузка ксилемы) 2. Рециркуляция воды (активный обмен ксилемы с флоэмой) 3. Рост молодого корня

Радиальное строение корня и механизм возникновения корневого давления Ризодерма: первичная загрузка симпласта, локально – в трихобластах. Кора: «метаболический котел» : 1. Реакции ассимиляции 2. Буферная емкость (вакуоли) Эндодерма: двойной барьер: а) диффузный – контроль потока ионов в центральный цилиндр по апопласту б) осмотический - барьер для центробежного потока ионов и воды из центрального цилиндра. Эндодерма отделяет низкосолевое пространство (ризодерма и кора) от высокосолевого (ц. цилиндр ). Перицикл: кольцевой коллектор, Собирает ионы и направляет их к ксилеме. Ксилема: финиш радиального и старт дальнего тр-та ионов.

Механизм возникновения корневого давления Эндодерма Играет роль полупроницаемой мембраны осмотической ячейки Низкое водное сопротивление (R) = высокая проводимость (Lp) Высокое водное сопротивление (R) = низкая проводимость (Lp)

Радиальный транспорт воды в корне

Варианты транспортных путей в корне Симпластный Трансцеллюлярный (от клетки к клетке) Апопластный В зависимости от внешних условий и вида растений могут преобладать разные пути транспорта. При интенсивной транспирации вода обычно передвигается по апопласту Апопластный транспорт воды быстрее (~ в 50 раз) симпластного. Для гороха, ячменя, фасоли вода передвигается от клетки к клетке при любых условиях, для кукурузы – по апопласту. По апопласту обычно передвигаются Ca 2+ и бор. По симпласту – фосфаты.

Механизм работы верхнего концевого двигателя атм. -1000 бар (при относительной влажности воздуха 50%) -70 бар (при относительной влажности воздуха 99%) – даже во время дождя влажность воздуха редко превышает 99%, т. о. листья и при дожде теряют воду) Лист раст. -15 бар Стебель -5 бар Корень -2 бар почва -0, 5 бар

Схема флоэмного и ксилемного транспорта

Взаимосвязь ксилемного и флоэмного транспорта

Строение флоэмы

Афидная методика (от Aphid – тля)

Состав флоэмного и ксилемного экссудата Компонент или свойство Флоэма Ксилема 100 – 300 г/л 0 5 – 40 г/л 0, 1 – 2 г/л Неорганические соли 1 – 5 г/л 0, 2 – 4 г/л Всего растворено 250 – 1200 m. M π = 0, 6 – 3, 0 MПa 0, 02 – 0, 2 m. M π = 0. 02 – 0, 2 MПa р. Н 7. 3 – 8. 0 5. 0 – 6. 5 Сахара Аминокислоты (glu, asp, gln, аsn)

Вещества, не транспортируемые (А) и транспортируемые по флоэме (В) Не транспортируются: Углеводы с альдегидной или кетонной группой (глюкоза, манноза, фруктоза…) Транспортируются: Сахароза – чаще всего; У некоторых видов: Галактопроизводные (раффиноза, стахиоза) тыквенные Сахароспирты (маннит, сорбит) – розоцветные Уреиды – у видов с симбиотичесой фиксацией азота. Кроме того, короткие РНК, сигнальные молекулы (системин и др).

Клетки-спутницы бывают трех типов. Зачем? A – обычные и промежуточные клетки-спутницы у Mimulus cardinalis В – трансферные клетки у Pisum sativum С - промежуточные клетки у Alonsoa warscewicziij с множеством плазмодесм

Симпластная и апопластная загрузка флоэмы

Апопластическая загрузка флоэмы У трансгенного табака Transfer Cells: 1. Единичные плазмодесмы с активной инвертазой 2. Толстая клеточная стенка (складки!) загрузки флоэмы не 3. Развитый получилось… единый хондриом Сосуд ксилемы 4. Сахарозно-протонный симпортер + Н+-АТФаза на мембране (р. Н > 7!) 5. Преимущественный продукт транспорта – сахароза Клетка флоэмной паренхимы Ситовидный элемент флоэмы Плазмодесмы, контактирующие с мезофиллом Трансферная клетка-спутница (Transfer Cell)

Симпластическая загрузка флоэмы Intermediary Cells: 1. Обильные плазмодесменные поля 2. Толстая клеточная стенка (ровная!) 3. Развитый единый хондриом 4. Специфические ферменты синтеза 5. Разнообразные продукты транспорта фотоассимилятов (смесь!) Ситовидный элемент флоэмы Сосуд ксилемы Плазмодесмы, контактирующ ие с мезофиллом Промежуточная клетка-спутница (Intermediary Cell)

Alonsoa meridionalis (Scrophulariaceae) Вещества, содержащиеся во флоэмном экссудате Alonsoa meridionalis, m. M (C. Knop, 1998) Сахароза 174 85 Галактинол traces Мезо-инозитол traces Раффиноза Стахиоза 249 51 397 68 Морфология проводящей системы листа Alonsoa Промежуточные клетки со множеством плазмодесм – симпластная загрузка

Роль промежуточных клеток в симпластной загрузке флоэмы: «полимеризационная модель» Mesophyll Cell Sieve Element IC raffinose stachyose sucrose galactinol stachyose SEL: <0. 7 k. Da 1 -3 k. Da 1. Синтез сахарозы и галактинола в мезофилле 2. Передвижение сахарозы и галактинола в промежуточные клетки через плазмодесмы 3. Синтез стахиозы и раффинозы в промежуточных клетках 4. Невозможность обратного перемещения стахиозы и раффинозы в мезофилл (из-за размера молекул и особенностей плазмодесм)

Промежуточные клетки всегда присутствуют в листьях, содержащих стахиозу, и наоборот Семейства Клетки-спутницы Наличие стахиозы Bignoniaceae: Catalpa bignonioides IC (промежуточные клетки) Стахиоза и др. Buddlejaceae: Buddleja davidii IC (промежуточные клетки) Стахиоза и др. Celastraceae (4) IC (промежуточные клетки) Стахиоза и др. Симпластическая загрузка флоэмы Cucurbitaceae (5) IC (промежуточные клетки) Стахиоза и др. Lamiaceae (2) IC (промежуточные клетки) Стахиоза и др. Oleaceae (2) IC (промежуточные клетки) Стахиоза и др. Onagraceae (3) IC (промежуточные клетки) Стахиоза и др. Verbenaceae: Verbena hybrida IC (промежуточные клетки) Стахиоза и др. Apiaceae: Petroselinum crispum OC(обычные клетки) нет Araliaceae: Hedera helix OC(обычные клетки) нет Brassicaceae: Arabidopsis thaliana (Columbia) OC(обычные клетки) нет Chenopodiaceae (4) OC(обычные клетки) нет Rosaceae (4) OC(обычные клетки) следы стахиозы Violaceae (2) OC(обычные клетки) следы стахиозы OC, TC (обычные и трансферные клетки) нет Asteraceae (2) TC (трансферные клетки) нет Boraginaceae(3) TC (трансферные клетки) нет Fabaceae (10) TC (трансферные клетки) нет Апопластическая загрузка флоэмы Solanaceae (2) Апопластическая загрузка флоэмы

Взаимосвязь ксилемного и флоэмного транспорта Гетеробарический лист: 1. Разгрузка ксилемы по апопласту 2. Загрузка флоэмы по симпласту Изобарический лист: 1. Разгрузка ксилемы по симпласту 2. Загрузка флоэмы по апопласту

Способы загрузки и разгрузки ксилемы и флоэмы зависит от многих факторов – жизненных форм, условий существования, типа органов

Способы загрузки и разгрузки ксилемы и флоэмы зависит от многих факторов – жизненных форм, условий существования, типа органов Температура