ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ ΦΥΤΩΝ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ

Transcript

1 1 ΓΕΩΠΟΝΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΠΟΝΙΚΗΣ ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ ΦΥΤΩΝ X. Κ. ΚΙΤΣΑΚΗ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ ΦΥΤΩΝ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ ΑΘΗΝΑ 2008

2 2 1. ΝΕΡΟ ΚΑΙ ΦΥΤΙΚΟ ΚΥΤΤΑΡΟ 1.1. Οι ιδιότητες του νερού και συνέπειές τους Οι κυριότερες ιδιότητες του νερού και οι συνέπειες που μπορεί να προκύψουν από αυτές μπορούν να συνοψισθούν στα εξής Η δομή μορίου: είναι ηλεκτρικό δίπολο, συνέπειες η δυνατότητα δημιουργίας γεφυρών υδρογόνου-οξυγόνου, υδριτών και ενυδάτωσης. Η ειδική θερμότητα: μεγάλη (4.184 j.g -1. o C -1 ) με αποτέλεσμα η απαιτούμενη ενέργεια για θερμοκρασιακές μεταβολές να είναι μεγάλη. Η θερμότητα εξαέρωσης: Μεγάλη (44 kj.mol -1 ) με αποτέλεσμα η ενέργεια που απαιτείται για την εξάτμισή του να είναι μεγάλη απαιτούμενη. Η υψηλή επιφανειακή τάση δίνει τη δυνατότητα δημιουργίας ενιαίας στήλης στους τριχοειδείς σωλήνες γενικά και ειδικότερα στη στήλη που δημιουργούν τα αγγεία του ξύλου. Η υψηλή διηλεκτρική σταθερά διευκολύνει τη διάσταση των ηλεκτρολυτών σε υδατικά διαλύματα. Η μεγαλύτερη πυκνότητα της υγρής φάσης συγκριτικά με τη στερεά φάση οδηγεί στο να επιπλέει ο πάγος σε υγρές υδάτινες μάζες. Η διαφάνεια του νερού δίνει τη δυνατότητα φωτοσύνθεσης υδρόβιων φυτικών οργανισμών και μάλιστα σε αρκετό βάθος από την επιφάνεια του νερού Η σημασία του νερού για τα φυτά Με τις παραπάνω ιδιότητες και συμμετέχοντας με το μεγαλύτερο ποσοστό στη σύσταση των κυττάρων το νερό έχει ιδιαίτερη σημασία για τα κύτταρα και τους φυτικούς οργανισμούς γενικότερα αφού: Αποτελεί άριστο διαλύτη ηλεκτρολυτών και μη συστατικών, μικρο- ή μεγαλομορίων των κυττάρων Μπορεί να δημιουργεί δεσμούς υδρογόνου με άτομα Ο και Ν επηρεάζοντας έτσι τη δομή μεγαλομορίων, όπως υδατανθράκων και πρωτεϊνών Αποτελεί ευνοϊκό μέσο στο οποίο πραγματοποιούνται οι περισσότερες βιοχημικές αντιδράσεις των κυττάρων Συμμετέχει άμεσα σε πλήθος βιοχημικών αντιδράσεων των κυττάρων ως αντιδρόν ή προϊόν σε πάρα πολλές αντιδράσεις των κυττάρων

3 3 Αποτελεί το μέσο δια του οποίου διακινούνται τα μόρια διαφόρων ουσιών στα ενδοκυτταρικά διαμερίσματα αλλά και μεταξύ των κυττάρων Λόγω της μεγάλης ειδικής του θερμότητας αλλά και μέσω της διαπνοής έχει καθοριστικό ρόλο στη διατήρηση της θερμοκρασίας των φύλλων αλλά και ολόκληρου του φυτικού σώματος σε ευνοϊκά για τις βιοχημικές αντιδράσεις επίπεδα. Λόγω επίσης της μεγάλης ειδικής του θερμότητας αμβλύνει την αρνητική επίδραση των ακραίων θερμοκρασιών και των θερμοκρασιακών μεταβολών στα κύτταρα Μέσω του ρεύματος της διαπνοής συμβάλλει στη μετακίνηση του εδαφικού διαλύματος προς την επιφάνεια των ριζών και την απορρόφηση ιόντων από το εδαφικό διάλυμα Καθορίζει αποφασιστικά τη λειτουργία της φωτοσύνθεσης μέσω της επίδρασης στο άνοιγμα-κλείσιμο των στοματίων Είναι καθοριστικός παράγοντας για τη λειτουργία των φυτικών κυττάρων και ιστών ως ωσμωτικών συστημάτων και την υπόστασή τους ως πολυκύτταρων οργανισμών. Η υδατική κατάσταση των κυττάρων μόνο στην κατάσταση της σπαργής εξασφαλίζει την ύπαρξη συμπλάσματος και την υπόσταση των φυτών ως πολυκύτταρων οργανισμών. Στην κατάσταση της πλασμόλυσης διαταράσσεται η επικοινωνία των κυττάρων μέσω των πλασμοδεσμών παροδικά ή μόνιμα (με επακόλουθο το θάνατο του φυτικού οργανισμού στη δεύτερη περίπτωση) Στη εικόνα 1 που ακολουθεί φαίνεται η δομή επιδερμικών κυττάρων σε κατάσταση πλασμόλυσης. Στα συγκεκριμένα κύτταρα το χυμοτόπιο καταλαμβάνει το μέγιστο όγκο του κυττάρου ενώ το κυτόπλασμα αποτελεί ένα πολύ μικρό ποσοστό. Με την απώλεια νερού από το κύτταρο συρρικνώνεται ο όγκος του χυμοτοπίου του (και το χρώμα του γίνεται εντονότερο) ταυτόχρονα όμως αποκολλάται το πλασμάλημμα από το κυτταρικό τοίχωμα και το κυτόπλασμα ακολουθεί τη μεταβολή του χυμοτοπίου.

4 4 Εικόνα 1.1.Πλασμολυμένα επιδερμικά κύτταρα. Το χυμοτόπιο έχει συρρικνωθεί στο κέντρο του κυττάρου και το πλασμάλημμα έχει αποκολληθεί από το κυτταρικό τοίχωμα 1.3. Το Χημικό δυναμικό του Νερού Το Χημικό δυναμικό σώματος j εκφράζει την ελεύθερη ενέργεια του σώματος, την ικανότητά του δηλαδή για παραγωγή έργου και αποδίδεται από τη σχέση: μ j = μ j * + RTlna j + v j P + m j gh (1) (μ j*: το κανονικό χημικό δυναμικό του σώματος, RTlna j: η ενεργότητα του σώματος, v jp: η πίεση πάνω από την ατμοσφαιρική, m jgh: η επίδραση της βαρύτητας) Το χημικό δυναμικό του νερού ή απλά δυναμικό του νερού εκφράζει την ελεύθερη ενέργειά του (συμβολίζεται Ψw), μετράται με σύστημα αναφοράς το καθαρό νερό και καθορίζεται από (i) την παρουσία του διαλυμένου σώματος, (ii) την πίεση που ασκείται στο υδατικό σύστημα πέραν της ατμοσφαιρικής, (iii) την ύπαρξη ή όχι μεγαλομορίων στο σύστημα, (iv) την επίδραση της βαρύτητας δηλαδή: Ψw = Ψs + Ψp+ Ψm+ Ψg (2) (Ψs: ωσμωτικό δυναμικό, Ψp: δυναμικό πίεσης, Ψm: δυναμικό μάζης και Ψg: συνιστώσα οφειλόμενη στη βαρύτητα) Το ωσμωτικό δυναμικό για αραιά διαλύματα μη ηλεκτρολυτών αποδίδεται από την εξίσωση (3) του van t Hoff: Από την εξίσωση αυτή γίνεται φανερό ότι το Ψ s παίρνει αρνητικές τιμές.

5 5 Ψ s = RTc s (3) (Ψs: το ωσμωτικό δυναμικό ύδατος, εκφρασμένο σε μονάδες πίεσης συνήθως σε MPa (MegaPascal) ή σε atm (10 atm = MPa), c: η συγκέντρωση του διαλυμένου σώματος σε (mol L -1 ), R: η παγκόσμιoς σταθερά των αερίων (0,082 L atm mol -1 Τ -1 ) και T: η απόλυτος θερμοκρασία θερμοκρασία σε C) Για τη φυσιολογία φυτών ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχει η έκφραση του δυναμικού ύδατος Ψw συναρτήσει της σχετικής υγρασίας ατμοσφαίρας η οποία είναι η ακόλουθη: Ψw =RT/V w ln(rh) (4) ή Ψw = 4.623bars.deg -1 X2.303TXlog(RH) (5) (R και Τ όπως παραπάνω, V w ο μερικός γραμμομοριακός όγκος του νερού και RH η σχετική υγρασία) Οι μηχανισμοί κίνησης του νερού Οι δυνατοί μηχανισμοί κίνησης του νερού είναι τρεις: η διάχυση, ώσμωση και η μαζική ροή: Διάχυση: Dn/Dt = -Dax(Dc/l) (6) Ώσμωση: Ψ s = RTc s (3) Μαζική ροή: VFR=(πr 4 /8η)(ΔΨp/Δχ) (7) Η διάχυση είναι μια διαδικασία η οποία απορρέει αποκλειστικά και μόνο από διαφορά συγκέντρωσης. Ο νόμος ο οποίος διέπει τη διάχυση είναι γνωστός σαν πρώτος νόμος του Fick και εκφράζεται από τη σχέση: Dn/Dt = -Dax(Dc/l) (6) Dn/Dt: είναι ο αριθμός των διαχεομένων μορίων ανά μονάδα επιφανείας στη μονάδα του χρόνου (mol.m -2.sec -1 ), Da ο συντελεστής διάχυσης του διαχεόμενου σώματος και εκφράζει τα mol που διαχέονται ανά μονάδα επιφανείας στη μονάδα του χρόνου όταν η διαφορά συγκέντρωσης στη μονάδα μήκους είναι 1 mol και Dc/l η διαφορά συγκέντρωσης ανά μονάδα μήκους Η Ώσμωση δίνεται από την εξίσωση του van t Hoff (3) η οποία εκφρασμένη με τη μορφή ωσμωτικού δυναμικού (osmotic potential) Ψ s παίρνει αρνητικές τιμές, ενώ με

6 6 τη μορφή ωσμωτικής πίεσης (osmotic pressure) p, παλαιότερη κυρίως μορφή έκφρασης, παίρνει θετικές τιμές ήτοι: και Ψ s = RTc s (3) p = RTc s (8) Η σχέση επομένως που συνδέει τα δύο μεγέθη είναι: Ψ s = p (9) Osmotic potential = osmotic pressure 1.5. Τα φυτικά κύτταρα ως ωσμωτικά συστήματα Υπάρχουν ιδιαιτερότητες που διαφοροποιούν καθοριστικά τα φυτικά κύτταρα από τα συνήθη διαλύματα. Οι σημαντικότερες είναι η παρουσία του κυτταρικού τοιχώματος και η πολυπλοκότητα του πρωτοπλάστη, λόγω της παρουσίας μεγαλομορίων πληθώρας μεμβρανών κ.ά. Στην κατάσταση της σπαργής λόγω της επαφής του ζωντανού περιεχομένου του κυττάρου με το κυτταρικό τοίχωμα ασκούνται δύο ίσες και αντίθετες πιέσεις: μία από το ζωντανό περιεχόμενο προς το κυτταρικό τοίχωμα η πίεση σπαργής (ψ p : δυναμικό πίεσης) και μια αντίθετη της από το κυτταρικό τοίχωμα προς το ζωντανό περιεχόμενο του κυττάρου η πίεση τοιχωμάτων (σαν αντίδραση στην πίεση σπαργής). Ισχύει δηλαδή: πίεση σπαργής= - πίεση τοιχωμάτων Αν δεν υπήρχαν άλλες συνιστώσες το δυναμικό του νερού του κυττάρου θα ήταν η συνισταμένη του δυναμικού του νερού του κυττάρου λόγω της υπόστασής του σαν ωσμωτικό σύστημα (αρνητικές τιμές) αυξημένη κατά το ποσοστό που προέρχεται από την πίεση τοιχωμάτων (θετικές τιμές). Ψ w,κυτ = Ψ s + Ψ p (10) (Ψ w, κυτ : δυναμικό νερού του κυττάρου Ψ s : ωσμωτικό δυναμικό κυττάρου Ψ p : δυναμικό πίεσης)

7 7 Στην εικόνα που ακολουθεί δίνονται παραδείγματα του δυναμικού ύδατος και των επί μέρους στοιχείων του σε διαλύματα και σε κύτταρα σε σπαργή και σε πλασμόλυση. Παρουσιάζεται επίσης η συμπεριφορά των κυττάρων αυτών όταν βρεθούν σε διαλύματα διαφόρων ωσμωτικών πιέσεων καθώς και η κατάσταση που προκύπτει στην περίπτωση που δεχτούν συμπίεση. Εικόνα 1.2. Πέντε παραδείγματα σχετικά με την έννοια του δυναμικού ύδατος και των επί μέρους στοιχείων του. (Α) καθαρό νερό. (Β) Διάλυμα σακχαρόζης 0.1 Μ. (C) η συμπεριφορά πλασμολυμένου κυττάρου με Ψw μικρότερο του διαλύματος σακχαρόζης. Μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας το κύτταρο επανήλθε σε σπαργή και απόκτησε Ψw ίσο με αυτό του εξωτερικού διαλύματος. (D) Η συμπεριφορά κυττάρου σε σπαργή με Ψw= MPa μετά την τοποθέτησή του σε διάλυμα σακχαρόζης ωσμωτικής πίεσης Ψs= MPa. Με την απώλεια νερού το ζωντανό περιεχόμενο του κυττάρου αποκολλάται από το κυτταρικό τοίχωμα.τέλος η συμπεριφορά κυττάρου με Ψw= MPa στην περίπτωση που τεθεί σε διάλυμα ωσμωτικής πίεσης Ψs= MPa αλλά συμπιεσθεί για να χάσει νερό. Στην περίπτωση αυτή μεταβάλλονται και το ωσμωτικό δυναμικό και η πίεση σπαργής του κυττάρου. Η μαζική ροή συνήθως απορρέει από διαφορές πίεσης (π.χ. ροή ποταμών, βροχή, αυτόματο πότισμα) και εκφράζεται από την εξίσωση του Poiseuille (σε m -3 /sec -1 ):

8 8 VFR=(πr 4 /8η)(ΔΨp/Δχ) (7) (VFR (Volume flow rate): ο ρυθμός ροής υγρού, r η ακτίνα του αγωγού, n το ιξώδες του υγρού και ΔΨp/Δχ η διαφορά πίεσης ανά μονάδα μήκους, η οποία είναι και η κινητήρια δύναμη) Η εξίσωση αυτή δηλώνει ότι η ακτίνα του αγωγού επηρεάζει εκθετικά την ταχύτητα ροής. Η εξίσωση αυτή αν διαιρεθεί με το εμβαδόν διατομής αγωγού πr 2 μας δίνει τη ροή εκφρασμένη σε m.sec -1. q = (r 2 /8n) (ΔΨp/Δχ) (11) 5. Η κίνηση του νερού στις κυτταρικές μεμβράνες μαζικά δια μέσου των πόρων των υδατοπορινών (aquaporins). Η πρόσφατη διαπίστωση της παρουσίας των υδατοπορινών στις μεμβράνες των φυτικών κύτταρων έδωσε νέα στοιχεία για την κίνηση του νερού αλλά και ιόντων. Οι υδατοπορίνες είναι πρωτεΐνες των κυτταρικών μεμβρανών οι οποίες δημιουργούν εκλεκτικά κανάλια εισόδου του νερού αλλά και ιόντων και μικρών μορίων στα φυτικά κύτταρα. Η ενεργότητα των υδατοπορινών ρυθμίζεται μέσω της φωσφορυλίωσης ή της αποφωσφορυλίωσης κάποιων αμινοξέων τους. Εικόνα 1.3. Οι υδατοπορίνες θεωρείται ότι δημιουργούν πόρους οι οποίοι διευκολύνουν τη μαζική εισροή των μορίων του νερού στο κύτταρο. Εκτός από το νερό από τους πόρους αυτούς μπορούν να διέρχονται εκλεκτικά και μόρια ιόντων. Οι υδατοπορίνες των φυτικών κυττάρων δημιουργούν τετραμερή, με καθένα από τα μονομερή του να λειτουργεί ανεξάρτητα. Στην εικόνα 4 παρουσιάζεται η υποτιθέμενη μορφή ενός τέτοιου μονομερούς το οποίο δομείται από 6 υπομονάδες. Η φορά κίνησης του νερού μέσω των διόδων που δημιουργούν οι aquaporins στις κυτταρικές μεμβράνες

9 9 καθορίζεται από την ενεργειακή του κατάσταση και δεν μπορεί να ανατραπεί (όπως άλλωστε ισχύει σε όλους τους μηχανισμούς κίνησης του νερού). Εικόνα 1.4. H υποτιθέμενη δομή ενός μονομερούς υδατοπορινών το οποίο δομείται από 6 υπομονάδες. 2. ΔΙΑΠΝΟΗ ΚΑΙ ΥΔΑΤΙΚΕΣ ΣΧΕΣΕΙΣ ΦΥΤΟΥ- ΕΔΑΦΟΥΣ- ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Διαπνοή (transpiration) είναι η εξάτμιση του νερού από τα φύλλα προς την ατμόσφαιρα μέσω των στοματίων. H διαδρομή που διανύει το νερό που εξατμίζεται με τη διαπνοή -διαπνευστικό ρεύμα (transpiration stream) είναι: εδαφικό διάλυμα απορρόφηση από το ριζικό σύστημα του φυτού μεταφορά προς το μεσόφυλλο και τους υποστομάτιους χώρους μέσω των αγγείων του ξύλου εξάτμιση του νερού με διάχυση του προς την ατμόσφαιρα με τη μορφή υδρατμών μέσω των στοματίων. Κινητήρια δύναμη της διαπνοής είναι η διαφορά της τάσης των ατμών ύδατος στον αέρα και την υποστοματική κοιλότητα Οι αρνητικές επιπτώσεις διαπνοής Οι γενικότερες αρνητικές επιπτώσεις στο οικοσύστημα είναι οι τεράστιες ποσότητες νερού που απαιτεί η εξυπηρέτηση της διαπνοής. Η διαπνοή επιβάλλει μέχρι και 100πλάσιες ποσότητες H 2 O σε σχέση με την περιεκτικότητα του φυτικού σώματος σε νερό. Από το γεγονός αυτό γίνεται φανερή η μεγάλη σημασία της άρδευσης και το πρόβλημα των υδάτινων πόρων σε παγκόσμια κλίμακα. Εφόσον δεν εξυπηρετούνται οι διαπνευστικές ανάγκες του φυτού προκύπτουν:

10 10 άμεσο κλείσιμο των στοματίων άμεση μείωση ως και πλήρη διακοπή της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας υδατική καταπόνηση και άμεσος ή και μακράς διάρκειας προσανατολισμός του μεταβολισμού του φυτού για την αντιμετώπιση της καταπόνησης Οι θετικές επιπτώσεις της διαπνοής Απορρόφηση νερού από ευρύτερες εδαφικές μάζες Εκμετάλλευση μεγαλύτερων ποσοτήτων εδαφικού διαλύματος για απορρόφηση θρεπτικών στοιχείων Διατήρηση χαμηλών θερμοκρασιών στα φύλλα (λόγω της ταχείας εξάτμισης του H 2 O στην περιοχή των στοματίων ) 2.3. Η κινητήρια δύναμη της διαπνοής Η διαφορά της τάσης των ατμών ύδατος στον αέρα σε σχέση με το φύλλο είναι η κινητήρια δύναμη της διαπνοής. Η διαφορά δυναμικού ύδατος εδαφικού διαλύματος έναντι του δυναμικού ύδατος του ριζικού συστήματος του φυτού επηρεάζει την δυνατότητα απορρόφησης νερού του φυτού από το έδαφος. Ψκυτ φύλλου= - crt (10 ως 20 atm ή 1-2 MPa στα μεσόφυτα) Ψw air =4,623 atm.deg -1.2,303T. ln(rh) Για Τ=25 o C και RH=80/100 Ψw air =307 atm ή 30 MPa 2.4. Η διαβάθμιση του δυναμικού ύδατος από το έδαφος μέσω του φυτού μέχρι την ατμόσφαιρα Η πορεία του διαπνευστικού ρεύματος (κίνησης του νερού από το έδαφος προς την ατμόσφαιρα μέσω του φυτού) φαίνεται στην εικόνα που ακολουθεί

11 11 Εικόνα 2.1. H διαδρομή του διαπνευστικού ρεύματος από το έδαφος μέσω του φυτού μέχρι την ατμόσφαιρα. Στην εικόνα που ακολουθεί παρουσιάζεται η διαβάθμιση του δυναμικού ύδατος στο σύστημα έδαφος-φυτό-ατμόσφαιρα σε MPa για δένδρο ύψους 20 μέτρων και σχετική υγρασία ατμόσφαιρας 50% (κυμαίνεται μεταξύ -0.5 καί -95 MPa)

12 12 Εικόνα 2.2. H διαβάθμιση του δυναμικού ύδατος στο σύστημα έδαφος-φυτό-ατμόσφαιρα για δένδρο ύψους 20 μέτρων και σχετική υγρασία ατμόσφαιρας 50% 2.5. Η κίνηση του νερού από το έδαφος προς το ριζικό σύστημα Στην εικόνα που ακολουθεί φαίνεται η κίνηση του νερού από το εδαφικό διάλυμα προς τα ριζικά τριχίδια. Εικόνα 2.3. H κίνηση του νερού από το εδαφικό διάλυμα προς τα ριζικά τριχίδια Στο έδαφος οι παράμετροι που έχουν ιδιαίτερη σημασία για την κίνηση του νερού προς το φυτό είναι: Το πορώδες εδάφους Το νερό που συγκρατείται με τριχοειδείς δυνάμεις Η υδατοϊκανότητα του εδάφους Το δυναμικό ύδατος του εδαφικού διαλύματος Ψm του εδαφικού ύδατος (λόγω της συγκράτησής του από τα εδαφικά τεμαχίδια) Το σημείο μόνιμης μάρανσης είναι το δυναμικό του εδαφικού ύδατος στο οποίο επέρχεται μόνιμη μάρανση του φυτού και αντανακλά την ικανότητα του φυτού να απορροφά νερό από το συγκεκριμένο έδαφος (περί το 3 ΜPa). Στην εικόνα που ακολουθεί φαίνεται ότι ο ρυθμός απορρόφησης του νερού κατά μήκος της ρίζας είναι μεγαλύτερος στην περιοχή των ριζικών και παρουσιάζει απότομη πτώση στην περιοχή που αρχίζει η αποφέλλωση της ρίζας.

13 13 Εικόνα 2.4. ο ρυθμός απορρόφησης του νερού κατά μήκος της ρίζας είναι μεγαλύτερος στην περιοχή των ριζικών 2.6. Η κίνηση του νερού στην περιοχή της ρίζας Όπως φαίνεται στην εικόνα που ακολουθεί η κίνηση του νερού μέχρι να φτάσει στην περιοχή του ξύλου στον κεντρικό κύλινδρο μπορεί να είναι: αποπλασμική (μέσω των μεσοκυττάριων χώρων) και συμπλασμική (μέσω του μεμβρανών και του συμπλάσματος) Εικόνα 2.5. H συμπλασμική και η αποπλασμική διαδρομή του νερού από το έδαφος προς τον κεντρικό κύλινδρο της ρίζας.

14 Η ανοδική κίνηση του νερού στον κεντρικό κύλινδρο του φυτού Η ανοδική κίνηση του νερού στον κεντρικό κύλινδρο του φυτού εξυπηρετείται από το σύστημα των αγωγών ιστών του ξύλου (αγγεία του ξύλου και τραχεΐδες). Εικόνα 2.6: Λεπτομέρειες της δομής των στοιχείων του ξύλου (τραχεϊδες, αγγεία ξύλου) μέσω του οποίου διακινείται το ανοδικό ρεύμα. Τα κύτταρα αυτά δημιουργούν σύστημα σωλήνων στην περίπτωση μάλιστα των αγγείων του ξύλου τα εγκάρσια κυτταρικά τοιχώματα είναι διαλυτοποιημένα εν μέρει ή στο σύνολό τους 2.8. Η κίνηση του νερού στην περιοχή του φύλλου και η ανταλλαγή των αερίων μεταξύ φύλλου και ατμόσφαιρας Στην εικόνα που ακολουθεί παρουσιάζονται η κατάσταση που υπάρχει στο μεσόφυλλο και στην ατμόσφαιρα σε ότι αφορά την τάση των ατμών και τη συγκέντρωση του CO 2. Στη μεγέθυνση παρουσιάζονται οι αντιστάσεις στην περιοχή του στοματικού πόρου

15 15 Εικόνα 2.7. Ο μηχανισμός της διαπνοής στην περιοχή του στοματίου. Στην εικόνα αυτή φαίνεται ο διττός ρόλος των στοματίων για τη φωτοσύνθεση έναντι διαπνοής 2.9. Μαθηματική προσέγγιση της κίνησης του νερού στο φυτό και της ταχύτητας διαπνοής Η ταχύτητα της διαπνοής ακολουθεί το νόμο της διάχυσης του Fick Dn/Dt = -Dax(Dc/l) Dn/Dt: είναι ο αριθμός των διαχεομένων μορίων ανά μονάδα επιφανείας στη μονάδα του χρόνου (mol.m -2.sec -1 ), Da ο συντελεστής διάχυσης του διαχεομένου σώματος Dc/l η διαφορά συγκέντρωσης ανά μονάδα μήκους και έχει τη μορφή

16 16 Ταχύτητα διαπνοής Τ =Da x(e φύλλου -e αέρα )/l όπου e: οι μερικές πιέσεις των υδρατμών Αν ληφθούν υπόψη οι αντιστάσεις που συναντά το Η 2 Ο στο φύλλο και το στρώμα αέρα πάνω στο στοματικό πόρο τότε η ταχύτητα διαπνοής μπορεί να αποδοθεί συναρτήσει των αντιστάσεων με τη σχέση: Ταχύτητα διαπνοής Τ = (e φύλλου -e αέρα )/ΣR όπου ΣR το σύνολο των αντιστάσεων από το μεσόφυλλο ως την ατμόσφαιρα Τα υδατώδη Σε μερικά φυτά εκτός από τη συνήθους διαδρομή του διαπνευστικού ρεύματος μέσω των στοματίων απώλεια νερού συμβαίνει στην περιφέρεια της επιδερμίδας του φύλλου από ειδικές κατασκευές που ονομάζονται υδατώδη. Τα υδατώδη είναι πόροι οι οποίοι θεωρείται ότι προέρχονται από εξέλιξη στοματίων. Σε ευνοϊκές συνθήκες υγρασίας τις πρωινές ώρες δημιουργούνται στα υδατώδη σταγόνες κυτταρικού χυμού. Τα υδατώδη θεωρείται ότι συμβάλλουν στη δημιουργία μεγαλύτερης ταχύτητας ανοδικού ρεύματος και άρα μεγαλύτερου ρυθμού απορρόφησης ιόντων από το εδαφικό διάλυμα. Στα αλόφυτα στην περιοχή των υδατωδών δημιουργούνται κρύσταλλοι προερχόμενοι από συσσώρευση των μεγάλων σχετικά ποσοτήτων αλάτων που περιέχει ο κυτταρικός χυμός των φυτών αυτών. Στην εικόνα που ακολουθεί φαίνονται οι σταγόνες κυτταρικού χυμού στα υδατώδη στην περιφέρεια των φύλλων της φράουλας. Εικόνα 2.8: Σταγόνες κυτταρικού χυμού στα υδατώδη στην περιφέρεια των φύλλων της φράουλας.

17 Παράμετροι του περιβάλλοντος που επηρεάζουν την ταχύτητα διαπνοής Σχετική υγρασία Θερμοκρασία Άνεμος Στην εικόνα που ακολουθεί παρουσιάζεται η επίδραση της θερμοκρασίας και της σχετικής υγρασίας στην ταχύτητα διαπνοής στο φυτό Phragmitis communis Εικόνα 2.8: H επίδραση της θερμοκρασίας και της σχετικής υγρασίας στην ταχύτητα διαπνοής στο φυτό Phragmitis communis Ανάλογα με τις μεταβολές των παραμέτρων αυτών επηρεάζεται η διαπνοή και συνακόλουθα η υδατική κατάσταση των φυτικών ιστών η οποία παρουσιάζει: Ημερήσιες διακυμάνσεις Εποχιακές διακυμάνσεις Σε συνθήκες ξηρασίας το δυναμικό ύδατος τόσο του εδάφους όσο και της ρίζας αλλά ακόμη εντονότερα των φύλλων μειώνεται σταδιακά από μέρα σε μέρα σε αρνητικότερες τιμές Συνέχιση της κατάστασης μπορεί να οδηγήσει σε μάρανση και νέκρωση του φυτού Προσαρμοστικοί μηχανισμοί στην υδατική καταπόνηση Τα φυτά σε συνθήκες υδατικής καταπόνησης (όχι μόνο ξηρασίας αλλά και πλημμύρας) ενεργοποιούν γονίδια και αναπτύσσουν προσαρμοστικούς μηχανισμούς. Ανάλογα με τη διάρκεια της καταπόνησης οι μηχανισμοί μπορεί να

18 18 είναι παροδικοί ή μόνιμοι και αφορούν φυσιολογικές και φυσικοχημικές διεργασίες αλλά και μορφολογικά χαρακτηριστικά όπως: Κλείσιμο στοματίων Διακίνηση ιόντων για ωσμορρυθμιστικό σκοπό Διακίνηση/βιοσύνθεση ΑΒΑ, Μείωση απόδοσης φωτοσυνθετικού μηχανισμού Απόπτωση οργάνων Δημιουργία νέων οργάνων με ξηροφυτικά χαρακτηριστικά Είσοδο του οργανισμού σε ληθαργική κατάσταση κ.λ.π. Σε συνθήκες πλημμύρας οι προσαρμοστικοί μηχανισμοί είναι πολύ λιγότερο αποδοτικοί συγκριτικά με τις συνθήκες ξηρασίας Η σύσταση του ανιόντος χυμού στα αγγεία του ξύλου Ο ανιόν χυμός αποτελείται από: Ιόντα ανοργάνων στοιχείων Οργανικά μόρια λόγω δημιουργίας συμπλόκων των ανοργανων ιόντων και αναδιανομής των σακχάρων από τη ρίζα προς το βλαστό Ορμόνες (Κυτοκινίνες, ΑΒΑ) Ένζυμα (Ξυλοποίησης αγγείων ξύλου) Οι παράμετροι που επηρεάζουν τη σύνθεση του ανιόντος χυμού είναι: Είδος Φυτού Θρεπτική κατάσταση Στάδιο ανάπτυξης Εποχή του έτους Υδατική κατάσταση εδάφους Οργανικά συστατικά Παρουσία νιτρικών στο έδαφος Οι κόμβοι στο βλαστό είναι περιοχές εκτεταμένης μεταφοράς στοιχείων από το ξύλο προς τον ηθμό λόγω των αναστομώσεων που υπάρχουν στις θέσεις αυτές Η σύσταση του κατιόντος χυμού στον ηθμό χαρακτηρίζεται από: Μεγάλη περιεκτικότητα σε σάκχαρα Σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις K, Φωσφορικών, Μαγνησίου, Θείου

19 19 Χαμηλή συγκέντρωση Ca Ορμόνες (Αυξίνες, Γιββερελλίνες) Διαφορές ηθμού-ξύλου Στα αγγεία του ξύλου ο ανιόν χυμός αποτελείται εκτός από το νερό και από ιόντα ανοργάνων και ορμόνες που βιοσυντίθενται στη ρίζα αλλά και από ανακυκλούμενα συστατικά τα οποία έχουν προέλθει από το βλαστό. Ηθμοσωλήνες είναι ζωντανά κύτταρα με εγκάρσια τοιχώματα και με παρουσία μεγάλων συγκεντρώσεων σακχάρων με κατευθυνόμενη αποφόρτιση προς όργανα καταβόθρες. Η κάλλωση είναι πρωτείνη η οποία έχει προστατευτικό ρόλο όταν προκύψουν βλάβες σε κύτταρα του ηθμού. Το ασβέστιο ενισχύει τη δημιουργία καλλόζης στους ηθμοσωλήνες Μηχανισμός αποφόρτισης ηθμού Η εισροή ύδατος λόγω του αρνητικού δυναμικού ύδατος που προκαλεί η μεγάλη συγκέντρωση σακχάρων οδηγεί στην αποφόρτιση του ηθμού Η πλευρική μεταφορά μεταξύ ηθμού και ξύλου Η διακίνηση ανοργάνων μέσω του ηθμού (από τα φύλλα ή από το ξύλο) Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα εισροώνεκροών/αποφόρτισης του ηθμού Η ηλικία των φύλλων Η ένταση του μεταβολισμού Το αναπτυξιακό στάδιο του φυτού Η παρουσία ανθέων και καρπών

20 20 3. ΑΝΑΠΤΥΞΗ, ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗ, ΑΥΞΗΣΗ (Development, differentiation, Growth) 3.1. Ορισμοί και έννοιες Ανάπτυξη: Διαφοροποίηση + Αύξηση Διαφοροποίηση σε κυτταρικό επίπεδο: το σύνολο των φυσιολογικών ανατομικών και δομικών αλλαγών που υφίστανται τα μεριστωματικά κύτταρα κατά τη μετάβασή τους στην έμμονη κατάσταση. Οδηγούν σε

21 21 διαφοροποιηση ιστών οργάνων μέχρι και σε αλλαγή φάσης ολόκληρου του φυτικού σώματος Αύξηση κυττάρου: η μη αντιστρεπτή αύξηση του μεγέθους του κυττάρου συνοδεύεται και από αύξηση της ξηράς μάζας του κυττάρου. Οδηγεί σε αύξηση ιστών, οργάνων, ολόκληρου του φυτικού σώματος Μορφογένεση (morphogenesis): Οι διεργασίες που οδηγούν στην τελική μορφή του φυτικού σώματος (Σύζευξη, Ζυγωτό, εμβρυογένεση, βλάστηση σπερμάτων, μεριστωματική δραστηριότητα και αύξηση, δημιουργία ενήλικου φυτού, αλλαγή φάσης, μετάβαση στην αναπαραγωγική φάση, δημιουργία γαμετών Εμβρυογένεση (embryogeny): Το σύνολο των διεργασιών που πραγματοποιούνται στον εμβρυόσακκο μέχρι να δημιουργηθεί το έμβρυο στο σπέρμα Μεριστωματική δραστηριότητα: Οι μιτωτικές διαιρέσεις που πραγματοποιούνται στα διάφορα αναπτυξιακά στάδια του φυτού στα κορυφαία, τα δευτερογενή και τα ένθετα μεριστώματα Είναι αναγκαία όχι όμως και ικανή συνθήκη για την αύξηση φυτικών ιστών και οργάνων Γήρανση (senescence): Το σύνολο των εκφυλιστικών διεργασιών που συμβαίνουν με την αύξηση της ηλικίας φυτικού οργάνου ή ολόκληρου φυτικού οργανισμού Απόπτωση ή αποκοπή (abscission): Αποχωρισμός φυτικού οργάνου από το μητρικό φυτό Λήθαργος (dormancy): Η αναστολή των διεργασιών της ανάπτυξης φυτικού οργάνου σε ρυθμούς που σχεδόν δεν γίνονται αντιληπτοί 3.2. Πού και πώς πραγματοποιούνται οι διεργασίες της ανάπτυξης Στην εμβρυογένεση στο αναπτυσσόμενο σπέρμα Στα αναπτυσσόμενα έμβρυα κατά τη βλάστηση των σπερμάτων Στα μεριστώματα του διαμορφωμένου φυτικού σώματος Στην εικόνα που ακολουθεί παρουσιάζεται ο βιολογικός κύκλος του αραβοσίτου

22 22 Eικόνα 3.1. Ο βιολογικός κύκλος αγγειόσπερμου φυτού: Ενήλικο σποριόφυτο αραβοσίτου σε αναπαραγωγική φάση δημιουργεί θηλυκά και αρσενικά αναπαραγωγικά όργανα στα οποία με μείωση δημιουργούνται οι γαμέτες (το ωοκύτταρο και οι σπερματικοί πυρήνες αντίστοιχα). Με τη σύζευξη δημιουργείται το ζυγωτό από το οποίο με εξέλιξη δημιουργείται το έμβρυο στο αναπτυσσόμενο σπέρμα (ταυτόχρονα το πολικό κύτταρο με τη σύζευξή του με το δεύτερο σπερματικό πυρήνα καταλήγει στη δημιουργία του ενδοσπερμίου). Το σπέρμα με τη βλάστησή του και την ανάπτυξη του εμβρύου δίνει το θυγατρικό φυτό και έτσι ολοκληρώνεται ο βιολογικός κύκλος H εμβρυογένεση (δημιουργία του εμβρύου στο αναπτυσσόμενο σπέρμα) καθορίζει : Την ακτινωτή διάταξη των ιστών στα φυτικά όργανα Τη δημιουργία βλαστικού άξονα κορυφή-βάση Τα πρωτογενή μεριστώματα τα οποία δημιουργούν τους ιστούς του φυτικού σώματος κατά τη βλάστηση των σπερμάτων και την ανάπτυξη του εμβρύου Στις εικόνες που ακολουθούν παρουσιάζονται τα πρώιμα στάδια της εξέλιξης του ζυγωτού και η εμβρυογένεση στο Aridopsis.

23 23 Eικόνα 3.2. Τα πρώιμα στάδια της εξέλιξης του ζυγωτού Eικόνα 3.3. Τα στάδια της εμβρυογένεσης στο Arabidpsis Στη βλάστηση των σπερμάτων: με τη δραστηριότητα των κορυφαίων μεριστωμάτων δημιουργούνται: H πρωτογενής διάπλαση βλαστού και ρίζας Tα πρωτογενή μεριστώματα

24 24 Tα δευτερογενή μεριστώματα Eικόνα 3.4. Η πορεία βλάστησης του σπέρματος και τα όργανα που δημιουργεί Στα μεριστώματα στα ανεπτυγμένα φυτά: Τα κορυφαία μεριιστώματα που υπάρχουν στο βλαστό δίνουν νέα όργανα βλαστικά ή και αναπαραγωγικά, στη ρίζα επιμηκύνουν την ήδη υπάρχουσα δομή, ενώ το περικύκλιο δίνει νέες πλάγιες ρίζες.το κάμβιο δίνει στοιχεία που δημιουργούν την κατά πάχος αύξηση και το φελλοκάμβιο νέους προστατευτικούς ιστούς. Άλλα μεριστώματα έχουν ειδικούς

25 25 ρόλους (π.χ. ένθετα, μεριστώματα φυματίων). Στην εικόνα 5 που ακολουθεί παρουσιάζεται η θέση το μεριστωμάτων στο φυτικό σώμα ενήλικου φυτού. Eικόνα 3.5. Τα μεριστώματα σε ενήλικο φυτικό οργανισμό 3.4. Πώς μπορεί να προσδιοριστεί η ανάπτυξη των φυτών Οι χαρακτήρες που μπορεί να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό της ανάπτυξης μπορεί να είναι ποσοτικοί και ποιοτικοί όπως: Γενικά μορφολογικά χαρακτηριστικά Οι διαστάσεις των οργάνων ή ολόκληρου του φυτού Το νωπό βάρος οργάνων ή ολόκληρου του φυτού

26 26 Το ξηρό βάρος ή ολόκληρου του φυτού Μεριστωματική δραστηριότητα και αριθμός κυττάρων Δείκτες όπως στάθμη σακχάρων, οξέων, λιπών (ιδίως σε καρπούς και σπέρματα) Ανατομική και ιστοχημική μελέτη Ενζυμική δραστηριότητα Επιπλέον μπορεί να χρησιμοποιηθούν μέθοδοι που σχετίζονται με τη μεταγραφή και τη μετάφραση γόνων Άλλες μέθοδοι Η επιλογή της ή των παραμέτρων καθορίζεται από τον ή τους στόχους και τον προσανατολισμό της έρευνας. Να σημειωθεί ότι σε πολλές περιπτώσεις η διαδικασία που ακολουθείται επιβάλει την καταστροφή οργάνων ή ολόκληρου του φυτού. Η μαθηματική προσέγγιση της αύξησης αρχικά μελετήθηκε σε βακτήρια, άλγη και άλλους μονοκύτταρους οργανισμούς (στις αρχές του 2 ου αιώνα) και αργότερα σε πολυκύτταρους οργανισμούς. Στους μονοκύτταρους οργανισμούς η αύξηση παρουσιάζει τρεις φάσεις: υστέρησης, λογαριθμική και σταθερή (Εικόνα 6). Εικόνα 3.6. Η αύξηση του μονοκύτταρου άλγους Chlamydomonas όταν τοποθετείται σε νέο θρεπτικό υπόστρωμα. Σε πρώτη φάση παρουσιάζεται μια υστέρηση στην ανάπτυξη και τη δημιουργία νέων κυττάρων, στη συνέχεια εκδηλώνεται λογαριθμική αύξηση και η πορεία καταλήγει σε σταθεροποίηση του αριθμού των κυττάρων. Στους πολυκύτταρους οργανισμούς η ανάπτυξη των επί μέρους οργάνων παρουσιάζει ανάλογη εικόνα, ωστόσο η συνολική εικόνα της αύξησης είναι περισσότερο πολύπλοκη. Στην εικόνα 7 που ακολουθεί παρουσιάζεται η αύξηση στην περιοχή του ακρορριζίου του καλαμποκιού και στην εικόνα 8 η περιοδικότητα στην αύξηση του βλαστού σε πολυετές δένδρο.

27 27 Εικόνα 3.7. Η αύξηση στην περιοχή του ακρορριζίου του καλαμποκιού: Αριστερά η εικόνα του ακρορριζίου και δεξιά η τροχιά της αύξησης σε διάφορες αποστάσεις από την καλύπτρα συναρτήσει του χρόνου. Εικόνα 3.8. Η περιοδική αύξηση του βλαστού στο τροπικό δένδρο Theobroma cacao σε ελεγχόμενες συνθήκες ανάπτυξης εκφρασμένη σε επιμήκυνση του βλαστού και των φύλλων του κατά την περίοδο από την έναρξη μέχρι το τέλος της βλαστητικής περιόδου Ενδογενής και εξωγενής έλεγχος της ανάπτυξης των φυτών

28 28 Εξωτερικά ερεθίσματα πιθανού ελέγχου της ανάπτυξης των φυτών Θερμοκρασία Φωτοπερίοδος Φώς Το μικροπεριβάλλον εδαφικό και ατμόσφαιρας στο οποίο αναπτύσσεται το κάθε φυτό Εσωτερικές αντιδράσεις ελέγχου της ανάπτυξης των φυτών Αντίληψη από τα φυτικά κύτταρα επαγωγικών σημάτων Έκφραση γόνων που εξειδικεύουν την ταυτότητα των κυττάρων Έκφραση γόνων που απαιτούνται για τις εξειδικευμένες λειτουργίες και τη δομή των διαφοροποιημένων κυττάρων Δράση των προϊόντων που προκύπτουν από την ενεργότητα γόνων και δομικές αλλαγές απαραίτητες για τη διαφοροποιημένη λειτουργία των κυττάρων των διαφόρων ιστών Στην εικόνα που ακολουθεί παρουσιάζεται η μορφή τριών μεταλλαγμάτων Arabidopsis στα οποία λείπουν τα γονίδια ελέγχου διαφόρων οργάνων ή παραμέτρων της ανάπτυξης. Εικόνα 3.9. Η μορφή τριών μεταλλαγμάτων Arabidopsis στα οποία λείπουν τα γονίδια ελέγχου διαφόρων οργάνων ή παραμέτρων της ανάπτυξης:στο Α το GURKE (ελέγχει τη δημιουργία του κορυφαίου μεριστώματος του βλαστού), στο Β το MONOPTEROS (ελέγχει τη δημιουργία της πρωτογενούς ρίζας) και στο Γ το GNOM (ελέγχει την πολικότητα του βλαστικού άξονα). Αριστερά σε κάθε φωτογραφία παρουσιάζεται ο μάρτυρας και δεξιά το μεταλλαγμένο φυτό 4. ΡΥΘΜΙΣΤΕΣ ΤΗΣ ΑΥΞΗΣΗΣ ΤΩΝ ΦΥΤΩΝ (Plant Growth Regulators)

29 29 Δύο κατηγορίες παραγόντων ελέγχουν την ανάπτυξη των φυτών: Χημικοί παράγοντες (ενδογενείς ή εξωγενείς) Περιβαλλοντικοί παράγοντες (φως, φωτοπερίοδος, θερμοκρασία) 4.1. Ορισμοί και έννοιες Ρυθμιστές της αύξησης των φυτών (χημικοί): Είναι οργανικές ουσίες (ενδογενείς ή εξωγενείς) οι οποίες δρουν σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις (συνήθως μικρότερες του μm) και διεγείρουν, τροποποιούν ή παρεμποδίζουν μια βιοχημική ή φυσιολογική διεργασία του φυτού χωρίς να έχουν ενεργειακό, δομικό ή καταλυτικό ρόλο. Οι ενδογενείς παράγονται σε συγκεκριμένα όργανα ή περιοχές του φυτικού σώματος και συνήθως μεταφέρονται σε άλλα όργανα όπου και εκδηλώνουν τη ρυθμιστική τους δράση. Χαρακτηρίζονται από: Το ή τα σημεία βιοσύνθεσής τους Τη διακίνησή τους στον ή τους στόχους δράσης Τη διεργασία που διεγείρουν, τροποποιούν ή παρεμποδίζουν στο στόχο δράσης Τα χαρακτηριστικά αυτά προέρχονται από παραλληλισμό με τις ζωικές ορμόνες, ωστόσο στα δεν έχουν απόλυτη ισχύ. Οι εξωγενείς είναι συνθετικά παράγωγα με δομή ίδια, συναφή ή και διαφορετική από εκείνη των ενδογενών. Έχουν δράση συναφή ή αντίθετη από εκείνη των ενδογενών. Εφαρμόζονται σε διάφορα στάδια ανάπτυξης των φυτών για να διεγείρουν, να τροποποιήσουν ή να παρεμποδίσουν κάποια βιοχημική ή φυσιολογική διεργασία με σκοπό την επίτευξη ενός συγκεκριμένου αποτελέσματος στην παραγωγική διαδικασία ή την έρευνα. Προωθητές (promoters) # παρεμποδιστές (inhibitors) της αύξησης των φυτών: Οι πρώτοι έχουν προωθητική επίδραση στις συνήθεις συγκεντρώσεις (σε μεγάλες συγκεντρώσεις μπορεί να έχουν αρνητική επίδραση) π.χ.: αυξίνες, γιββερελλίνες, κυτοκινίνες, μπρασσινοστεροειδή. Οι δεύτεροι έχουν αρνητική επίδραση στις συνήθεις συγκεντρώσεις, κυρίως αμψισικό οξύ, αλλά και διάφορα συνθετικά παράγωγα π.χ. παρεμποδιστές των γιββερελλινών. Ενεργός (active) # ανενεργός (inactive) μορφή ρυθμιστού αύξησης: Η ενεργός είναι εκείνη η μορφή της χημικής ουσίας η οποία εκδηλώνει την επίδραση (ορμονική δράση). Η ανενεργός μορφή δεν εκδηλώνει ρυθμιστική δράση. Η αδρανοποίηση μπορεί να προκύψει με συμπλοκοποίηση, σύζευξη (π.χ. γλυκοζίδια) ή αποδόμηση της ενεργούς μορφής.

30 30 Ερέθισμα (stimulus): Είναι οποιοσδήποτε ενδογενής ή εξωγενής παράγων ο οποίος μπορεί να προκαλέσει κάποιο σήμα για να ξεκινήσει η ρύθμιση μιας βιοχημικής ή φυσιολογικής διεργασίας στο φυτό. Σήμα (signal): To έναυσμα το οποίο προκαλεί το ερέθισμα (εσωτερικό ή εξωτερικό) ώστε να ξεκινήσει η ρύθμιση μιας βιοχημικής ή φυσιολογικής διεργασίας στο φυτό. Μεταφορά σήματος (Signal transduction): To σύνολο της αλληλουχίας των βιοχημικών διεργασιών οι οποίες ενισχύουν το αρχικό σήμα και τελικά καταλήγουν στην έκφραση ή την παρεμπόδιση της έκφρασης κάποιων γόνων Αποδέκτης σήματος (receptor): Παράγοντας (συνήθως εντοπίζεται στις κυτταρικές μεμβράνες), ο οποίος δέχεται το σήμα το οποίο έχει προκληθεί από το ερέθισμα Αγγελιοφόρος (messenger): Παράγοντας ο οποίος παρεμβάλλεται στη μεταφορά του σήματος από τον αποδέκτη προς τον πυρήνα του κυττάρου. Ευαισθησία (sensitivity): Το συγκριτικό μέγεθος της αντίδρασης- ανταπόκρισης κυττάρου, ιστού οργάνου ή φυτικού οργανισμού στην εφαρμογή κάποιου ρυθμιστικού παράγοντα. Η δράση των ρυθμιστών της αύξησης μπορεί να είναι ανταγωνιστική, αθροιστική, συνεργιστική. Η βιολογική σημασία του ορμονικού συστήματος των φυτών είναι απόρροια του ρόλου τους δηλαδή της διέγερσης ή τροποποίησης ή παρεμπόδισης βιοχημικών ή φυσιολογικών διεργασιών του φυτού η οποία μπορεί να προκύψει από οποιοδήποτε εσωτερικό ή εξωτερικό ερέθισμα Οικονομική, Βιοτεχνολογική σημασία ρυθμιστών αύξησης: Το οικονομικό μέγεθος της παραγωγής ρυθμιστών της αύξησης των φυτών έπεται εκείνου των φυτοφαρμάκων και των λιπασμάτων. Ευρείας εφαρμογής τομείς είναι: η δημιουργία φυτών σε in vitro συνθήκες, η ωρίμανση καρπών, η αραίωση καρπών, η καρποσυλλογή, η ριζοβολία μοσχευμάτων, η παρεμπόδιση δημιουργίας ανθοφόρου βλαστού κ.α. Το βιοτεχνολογικό ενδιαφέρον: προσανατολίζεται στη δημιουργία ποικιλιών ανθεκτικών στην ξηρασία, την αλατότητα του εδάφους, τις υψηλές θερμοκρασίες, το χρόνο διατήρησης των καρπών αλλά και νάνων ποικιλιών φυτών κ.α Μέθοδοι Ανάλυσης και Μελέτης των Ρυθμιστών της αύξησης των φυτών Φυσικοχημικές μέθοδοι ανίχνευσης (Χρωματογραφία, φασματογραφία μάζας)

31 31 Βιολογικές Δοκιμές (Κλασσικές βιολογικές δοκιμές, Ανοσολογικές δοκιμές, ιστοχημικός εντοπισμός) Εξωγενής εφαρμογή και μελέτη των αντιδράσεων των φυτών Δημιουργία και μελέτη μεταλλαγμένων φυτών τα οποία δεν έχουν τη δυνατότητα να βιοσυνθέτουν ορμόνες ή έχουν κάποιο άλλο χαρακτηριστικό που σχετίζεται με το μεταβολισμό τους 4.3. Οι βασικές κατηγορίες ενδογενών ρυθμιστών της αύξησης των φυτών 1. Αυξίνες (auxins) 2. Γιββερελλίνες (gibberellins GAs) 3. Κυτοκινίνες (cytokinin K ) 4. Αιθυλένιο (ethylene Eth) 5. Αψισικό οξύ (abscisic acid ABA) 6. Μπρασσινοστεροειδή (bassinosteroids BRs) 7. Λοιπές κατηγορίες ουσιών με ρυθμιστική δράση 4.4. Συνοπτική παρουσίαση των ρυθμιστών της αύξησης των φυτών Τα στοιχεία που θα παρουσιαστούν στην κάθε ομάδα είναι: Καθοριστικοί Σταθμοί στην ανακάλυψη τους Δομή των κυριότερων ενδογενών μορφών Μεταβολισμός τους Βιοσύνθεση/Διακίνηση/Καταβολισμός Αδρανοποίηση-Δευσμευμένες μορφές Ελεγχος της στάθμης (ενδο/εξωγενής) Επιδράσεις /Ανάλυση των σημαντικότερων επιδράσεων Συνθετικά Παράγωγα με συναφή δράση Εφαρμογές Μηχανισμοί δράσης τους Στην εικόνα που ακολουθεί παρουσιάζεται συνοπτικά το ορμονικό σύστημα του φυτικού σώματος και ειδικότερα οι θέσεις βιοσύνθεσης, ο τρόπος διακίνησης τους και τα όργανα στόχοι προς τα οποία διακινούνται οι: αυξίνες, γιββερελλίνες, κυτοκινίνες και αψισικό οξύ.

32 32 Eικόνα 1. Σχηματική απεικόνιση των οργάνων βιοσύνθεσης και της διακίνησης των ορμονών στο φυτικό σώμα) (ΙΑΑ: auxin, GA: gibberellins, K: cytokinins, ABA: abscisic acid) 1. ΑΥΞΙΝΕΣ

33 Οι καθοριστικοί Σταθμοί στην ανακάλυψη των αυξινών Τα πειράματα της αντίδρασης φωτοτροπισμού της κορυφής του κολεόπτιλου αγρωστωδών συνέβαλαν αποφασιστικά στη ανακάλυψη των αυξινών (Darwin 1880, Boysen-Jensen 1913, Paal 1919, Went 1926). Η συμβολή των πειραμάτων του Went θεωρείται καθοριστική για τη διαπίστωση της βιοσύνθεσης των αυξινών στο κορυφαίο μερίστωμα του βλαστού και τη βασιπέταλη διακίνησή τους Η δομή των κυριότερων ενδογενών μορφών Στην εικόνα που ακολουθεί παρουσιάζεται δομή του ΙΑΑ, κύριας ενδογενούς μορφής των αυξινών και δύο ακόμη μορφών από τις οποίες το ΙΒΑ χρησιμοποιείται σαν συνθετικό σκεύασμα σε μεγάλη κλίμακα. Eικόνα 1.1. Η δομή τριών από τις επικρατέστερες ενδογενείς μορφές αυξινών. Το ΙΑΑ είναι καθολικής διάδοσης, ενώ κάποια άλλα συναφή παράγωγα με δράση αυξίνης έχουν διαπιστωθεί σε κάποια φυτά 1.3. Ο μεταβολισμός των αυξινών Βιοσύνθεση των αυξινών Το ΙΑΑ συντίθεται από την τρυπτοφάνη ή το ινδόλιο κυρίως στις καταβολές των φύλλων των κορυφαίων μεριστωμάτων, στα νεαρά φύλλα και στα αναπτυσσόμενα σπέρματα (Εικόνα 1). Βιοσυντίθενται επίσης στους στήμονες, το στύλο, την ωοθήκη, τις φυλλικές καταβολές, το σπέρμα, το ενδοσπέρμιο, το υποκοτύλιο και το επικοτύλιο, το κορυφαίο μερίστωμα της ρίζας το οποίο πάντως εξατάται από τη βασιπέταλλη διακίνησή του ΙΑΑ από το καρυφαίο μερίστωμα του βλαστού. Σε κυτταρικό επίπεδο το κυτόπλασμα και οι χλωροπλάστες είναι περιοχές αυξημένης στάθμης αυξινών με διαφοροποιημένο πάντως μεταβολισμό στην κάθε περιοχή. Στην

34 34 εικόνα που ακολουθεί παρουσιάζονται τα βιοσυνθετικά μονοπάτια των αυξινών, καθώς και τα ένζυμα που των ενδιάμεσων αντιδράσεων. Eικόνα 1.2. Τα δύο βιοσυνθετικά μονοπάτια των αυξινών από την τρυπτοφάνη Η διακίνηση των αυξινών Το ΙΑΑ μεταφέρεται από κύτταρο σε κύτταρο χημειωσμωτικά και από το βλαστό προς τη ρίζα πολικά μέσω των παρεγχυματικών κυττάρων του ηθμού. Τέσσερα είναι τα βασικά βήματα στη διεργασία της πολικής διακίνησης:

35 35 1. Το ΙΑΑ εισέρχεται στο κύτταρο είτε παθητικά χωρίς οποιαδήποτε σύζευξη (ΙΑΑΗ) μορφή ή με δευτερογενή ενεργό συμμεταφορά στη μορφή του (ΙΑΑ - ). 2. Το κυτταρικό τοίχωμα συντηρεί όξινο ph με την δράση της Η-ΑΤΡάσης του πλασμαλήμματος. 3. Στο κυτόπλασμα, το οποίο έχει ουδέτερο ph επικρατεί η ανιονική μορφή (ΙΑΑ - ). 4. Η ανιονική μορφή εξέρχεται από το κύτταρο μέσω φορέων, οι οποίοι είναι συσσωρευμένοι στην κατώτερη πλευρά του κυττάρου προς την κατακόρυφη κατεύθυνση. Eικόνα 1.3. Η χημειοσμωτική θεωρία διακίνησης των αυξινών από κύτταρο σε κύτταρο Ο καταβολισμός των αυξινών Ο καταβολισμός των αυξινών μπορεί να γίνει τόσο με αποκαρβοξυλίωση, όσο και χωρίς αποκαρβοξυλίωση. Ιδιαίτερη σημασία για τον μεταβολισμό του ΙΑΑ έχει η ενεργότητα της οξειδάσης του ΙΑΑ, η οποία επηρεάζεται από πολλούς ενδογενείς και εξωγενείς παράγοντες.

36 36 Eικόνα 1.4. Ο καταβολισμός των αυξινών με αποκαρβοξυλίωση (αριστερά) και καταβολισμός του ΙΑΑ χωρίς αποκαρβοξυλίωση με τη δημιουργία συζυγών μορφών στο Zea mays και το Vicia faba (δεξιά) 1.4. Αδρανοποίηση-Δευσμευμένες μορφές Η αδρανοποίηση των αυξινών μπορεί να γίνει με σύζευξη τους με σάκχαρα 1.5.Έλεγχος της στάθμης των αυξινών (ενδο/εξωγενής) Ιδιαίτερη σημασία για τον μεταβολισμό του ΙΑΑ έχει η ενεργότητα της οξειδάσης του ΙΑΑ, η οποία επηρεάζεται από πολλούς ενδογενείς και εξωγενείς παράγοντες. Από τις ενδογενείς ορμόνες θετική επίδραση στη στάθμη των αυξινών ασκούν οι κυτοκινίνες και οι γιββερελλίνες, ενώ το αμψισικό οξύ αυξάνει την αποδόμησή τους. Από τους παράγοντες του περιβάλλοντος το φώς, η θερμοκρασία και η βαρύτητα εμπλέκονται τόσο στη βιοσύνθεση, όσο και στη διακίνηση των αυξινών Κυριώτερες Διαπιστωμένες Επιδράσεις των Αυξινών Αύξηση των κυττάρων: διεγείρει την αύξηση του όγκου των κυττάρων και την αύξηση του στελέχους Κυτταρική διαίρεση: διεγείρει τις κυτταροδιαιρέσεις στο κάμβιο και, σε συνδυασμό με την κυτοκινίνη τις κυτταροδιαιρέσεις σε καλλιέργειες ιστών in vitro Ενεργοποίηση καμβίου: Η ενεργοποίηση του καμβίου την άνοιξη συμβαδίζει με αύξηση του ρεύματος της πολικής μεταφοράς της αυξίνης κατά την άνοιξη Διαφοροποίηση αγωγών ιστών:η αυξίνη διεγείρει τη διαφοροποίηση προς ηθμό και ξύλο

37 37 Επαγωγή ριζογένεσης: επάγει τη ριζογένεση σε μοσχεύματα, τη δημιουργία πλάγιων ριζών, καθώς και τη διαφοροποίηση κάλλου προς ρίζες σε in vitro καλλιέργειες Αντιδράσεις τροπισμού (φωτο/γεωτροπισμού): υπεισέρχεται σε αντιδράσεις τροπισμού (κάμψη) του βλαστού και της ρίζας υπό την επίδραση του φωτός και της βαρύτητας Κυριαρχία κορυφής: Η αυξίνη που προέρχεται από τον κορυφαίο οφθαλμό παρεμποδίζει την αύξηση των πλαγίων οφθαλμών Γήρανση φύλλων: Η αυξίνη επιβραδύνει τη γήρανση των φύλλων Απόπτωση φύλλων και καρπών: μπορεί να επιβραδύνει ή να προωθήσει μέσω του αιθυλενίου την απόπτωση φύλλων και καρπών. Το αποτέλεσμα της δράσης της είναι συνάρτηση του χρόνου και της θέσης εφαρμογής της Καρπόδεση και αύξηση καρπών: προωθεί τις διεργασίες καρπόδεσης σε κάποια φυτά Διακίνηση μεταβολιτών: αυξάνει τη διακίνηση μεταβολιτών προς όργανα με μεγάλη συγκέντρωση αυξίνης, επηρεάζοντας πιθανόν τη διακίνηση μέσω του ηθμού Ωρίμανση καρπών: επιβραδύνει την ωρίμανση των καρπών Άνθηση, αύξηση ανθικών οργάνων: προωθεί την άνθηση σε φυτά της οικογένειας Bromeliaceae (ανανάς) Δημιουργία θηλέων ανθέων: προωθεί τη δημιουργία θηλέων ανθέων (μέσω του αιθυλενίου) Η αυξίνη σε πολλές περιπτώσεις δρα παρεμποδιστικά όταν ξεπερνά κάποιες συγκεντρώσεις. Η παρεμπόδιση αυτή προέρχεται από την αύξηση που προκαλεί η αυξίνη στη βιοσύνθεση του αιθυλενίου Αυξίνες και φωτοτροπισμός Στην εικόνα που ακολουθεί παρουσιάζεται πείραμα με κολεόπτιλο αραβοσίτου και η επίδραση που προκαλεί μονόπλευρος φωτισμός. Η παράμετρος ου μετράται είναι η κλίση του κολεοπτίλου από την κατακόρυφη θέση. Η διάταξη αποκαλύπτει την πλευρική διακίνηση της αυξίνης και ειδικότερα στην περίπτωση D του πειράματος. Eικόνα 1.5. Η επίδραση του μονόπλευρου φωτισμού στη διακίνηση της αυξίνης

38 38 Αυξίνες και ριζογένεση Η επίδραση των αυξινών στη ριζογένεση βρίσκει ευρεία εφαρμογή στη γεωργική πράξη, ιδιαίτερα στην ριζοβολία μοσχευμάτων για την παραγωγή πολλαπλασιαστικού υλικού αλλά και σε in vitro συνθήκες. Στις εικόνες που ακολουθούν παρουσιάζονται η επίδραση του ινδολοβουτυρικού (ΙΒΑ) στη ριζογένεση φυλλοφόρων μοσχευμάτων Escalonia, καθώς και του ΙΑΑ σε συνδυασμό με την κινετίνη σε in vitro συνθήκες στην εξέλιξη κάλλου εντεριώνης καπνού. Eικόνα 1.6. Η επίδραση διαφόρων συγκεντρώσεων ινδολοβουτυ ρικού (ΙΒΑ) στη ριζογένεση φυλλοφόρων μοσχευμάτω ν Escalonia

39 39 Eικόνα 1.7. Η επίδραση του ΙΑΑ και της κινετίνης στη διαφοροποίηση κάλλου εντεριώνης καπνού. Αύξηση της αυξίνης αυξάνει τη δημιουργία ριζών. Αύξηση της κινετίνης αυξάνει τη βλαστογένεση Αυξίνες και κυριαρχία της κορυφής Το ακραίο κορυφαίο μερίστωμα (ακραίος οφθαλμός) του βλαστού αποτελεί το κατ εξοχήν κέντρο βιοσύνθεσης των αυξινών, ενώ τα υποκείμενα πλάγια κορυφαία μεριστώματα (μασχαλιαίοι οφθαλμοί) υστερούν έναντι του ακραίου κορυφαίου. Η κατάσταση αυτή δημιουργεί πλεονεκτική κατάσταση στο μερίστωμα αυτό από την άποψη της μεριστωματικής δραστηριότητας και των οργάνων που προκύπτουν από αυτή. Με άλλα λόγια είναι το μάτι που εκπτύσσεται πρώτο ενώ τα πλάγια μπορεί και να μην εκπτυχθούν καθόλου και επιπλέον οι βλαστοί που προκύπτουν είναι πιο εύρρωστοι. Η άποψη που επικρατεί είναι ότι η μεγαλύτερη συγκέντρωση αυξίνης καθιστά τον ακραίο οφθαλμό κέντρο «προσέλκυσης» μεταβολιτών. Πάντως εκτός των άλλων το αγγειακό σύστημα επικοινωνίας του οφθαλμού αυτού με το υπόλοιπο φυτό επίσης πλεονεκτεί έναντι των πλάγιων οφθαλμών. Στην εικόνα που ακολουθεί φαίνεται η συνέπεια της αφαίρεσης της κορυφής σε βλαστό φασολιού. Η αφαίρεση της κορυφής του βλαστού είναι αναγκαία καλλιεργητική φροντίδα σε πολλά φυτά και σκοπό έχει να δώσει τη δυνατότητα στους κατώτερους οφθαλμούς να εκπτυχθούν και να δημιουργηθούν πλάγιοι βλαστοί.

40 40 Eικόνα 1.8. Η επίδραση του ΙΑΑ στην κυριαρχία της κορυφής στο Phaseolus vulgaris έναντι των πλάγιων οφθαλμών. Η αφαίρεση της κορυφής οδηγεί στην άμεση έκπτυξη των πλάγιων οφθαλμών. (Α): Οι πλάγιοι οφθαλμοί δεν εκπτύσσονται λόγω της παρουσίας του ακραίου οφθαλμού. (Β): Η αφαίρεση του ακραίου οφθαλμού επιτρέπει την έκπτυξη των πλάγιων οφθαλμών. (C): Η εφαρμογή εξωγενώς αυξίνης στο σημείο τομής της κορυφής του βλαστού (με τη βοήθεια agar ή λανολίνης) επιφέρει το αποτέλεσμα που προκαλεί η παρουσία της κορυφής Αυξίνες και αύξηση των κυττάρων Μια από τις βασικές επιδράσεις των αυξινών είναι η αύξηση των κυττάρων και μάλιστα η επιμήκυνσή τους. Η επίδραση αυτή προκύπτει από τη μεταφορά πρωτονίων από το εσωτερικό του κυττάρου προς τα κυτταρικά τοιχώματα με αποτέλεσμα το σπάσιμο των δεσμών Η + μεταξύ των ξυλογλυκανών και των μικροϊνιδίων της κυτταρίνης, τη χαλάρωση του κυτταρικού τοιχώματος και τη δυνατότητα επιμήκυνσης του κυττάρου. Η αυξίνη στη διαδικασία αυτή ενεργοποιεί την ΑΤΡάση που μεταφέρει τα πρωτόνια από το κυτόπλασμα προς το κυτταρικό τοίχωμα ή ενεργοποεί τα γονίδια που κωδικοποιούν τη βιοσύνθεση αυτής της ΑΤΡάσης. Η συγκεκριμένη επίδραση αποτέλεσε παλαιότερα μία από τις κλασικές βιοδοκιμές προσδιορισμού των αυξινών.

41 41 Eικόνα 1.9. Η επίδραση της αυξίνης στην αύξηση τμημάτων κολεοπτίλου της βρώμης. (Α): ο μάρτυρας (κολεόπτιλα σε καθαρό νερό) και (Β): τμήματα κολεοπτίλων σε εκχύλισμα που περιέχει αυξίνη στα οποία είναι εμφανής η αύξηση του μήκους τους συγκριτικά με το μάρτυρα Μηχανισμοί δράσης των αυξινών Σημειώθηκε ήδη ότι μια από τις βασικές επιδράσεις των αυξινών είναι η αύξηση των κυττάρων μέσω της ενεργοποίησης της Η + -ΑΤΡάσης ή μέσω της ενεργοποίησης των γόνων που κωδικοποιούν τη βιοσύνθεση της Η + -ΑΤΡάσης. Στην εικόνα που ακολουθεί παρουσιάζονται αναλυτικά τα στάδια των μηχανισμών για τις δύο υποθέσεις που θεωρείται ότι ισχύουν στην αύξηση των κυττάρων. Ο δεύτερος περιλαμβάνει και τα βήματα στη διαδικασία ενεργοποίησης πρωτεϊνοσύνθεσης από την αυξίνη. Στα κύτταρα μπορεί να ισχύει ένας από τους δύο ή και οι δύο μηχανισμοί: Η υπόθεση ενεργοποίησης της Η + -ΑΤΡάσης: Η αυξίνη (ΙΑΑ) συνδέεται με μια πρωτεΐνη (ΑΒΡ1 auxin binding protein) η οποία μπορεί να βρίσκεται στο πλασμάλημμα ή στο κυτόπλασμα. Το σύμπλοκο ΙΑΑ- ΑΒΡ1 αντιδρά στη συνέχεια απευθείας με την Η + -ΑΤΡάση του πλασμαλήματος για να διεγείρει την άντληση πρωτονίων ( στην εικόνα βήμα 1). Στη διαδικασία αυτή μπορεί να εμπλέκονται και δεύτεροι αγγελιοφόροι όπως το Ca ή το ενδοκυτταρικό ph. Η υπόθεση της βιοσύνθεσης της Η + -ΑΤΡάσης: Οι δεύτεροι αγγελιοφόροι τους οποίους επάγει το ΙΑΑ ενεργοποιούν (στην εικόνα βήμα 2) την έκφραση γόνων που κωδικοποιούν την Η + -ΑΤΡάση του πλασμαλήμματος (στην εικόνα βήμα 3). Η ΑΤΡάση βιοσυντίθεται στο κυτόπλασμα

42 42 στο αδρό ενδοπλασμικό δίκτυο (Rouph ER), (στην εικόνα βήμα 4) και κατευθύνεται μέσω του απεκκριτικού μονοπατιού προς το πλασμάλημμα (στην εικόνα βήματα 5,6) Η αύξηση στην άντληση πρωτονίων από το κυτόπλασμα προς το κυτταρικό τοίχωμα προκύπτει από την αύξηση των αντλιών πρωτονίων ΑΤΡασών στο πλασμάλημμα. Eικόνα Η επίδραση της αυξίνης στην αύξηση τμημάτων κολεοπτίλου της βρώμης. (Α): ο μάρτυρας (κολεόπτιλα σε καθαρό νερό) και (Β): τμήματα κολεοπτίλων σε εκχύλισμα που περιέχει αυξίνη στα οποία είναι εμφανής η αύξηση του μήκους τους συγκριτικά με το μάρτυρα Συνθετικά Παράγωγα Tα συνθετικά παράγωγα τα οποία έχουν δράση ανάλογη με αυτή των αυξινών και πολλά από αυτά χρησιμοποιούνται στη γεωργική πράξη ως συνθετικές αυξίνες ή ως ζιζανιοκτόνα κατατάσσονται στις παρακάτω ομάδες: ινδολικού οξέος, ναφθαλινικού οξέος, χλωροφαινοξεικού οξέος, βενζοϊκού οξέος, πικολινικού οξέος. Οι κυριότεροι τομείς εφαρμογής είναι οι:

43 43 Iστοκαλλιέργεια Ριζοβολία μοσχευμάτων Ζιζανιοκτονία 2. ΓΙΒΒΕΡΕΛΛΙΝΕΣ (Gibberellic Acids: GAs) 2.1. Καθοριστικοί Σταθμοί στην ανακάλυψη των GAs Το 1926 ο Kurosawa απομονώνει Gas από το μύκητα Gibberella fujikuroi, υπεύθυνο για το πλάγιασμα του ρυζιού (ασθένεια foolish seedlings ή Bakanae disease). To 1956 διαπιστώθηκε ότι οι γιββερελλίνες είναι ενδογενής φυτική ορμόνη καθολικής διάδοσης. Οι γιββερελλίνες είναι μια ομάδα ενώσεων η οποία έχει δομή ανάλογη με αυτή του ent-gibberellane. Υπάρχουν δύο κατηγορίες γιββερελλινών: με 19 ή με 20 άτομα άνθρακα. Η περισσότερο διαδεδομένη ένωση είναι η GA 3, ή γιββερελλινικό οξύ, η οποία είναι παράγωγο που υπάρχει στους μύκητες, ενώ η περισσότερο ενδιαφέρουσα μορφή που υπάρχει στα φυτά είναι η GA 1. Αυτή είναι η κύρια υπεύθυνη μορφή για την επιμήκυνση του στελέχους των φυτών. Πολλές άλλες μορφές είναι πρόδρομοι της βιοσύνθεσης της GA 1. Eικόνα 2.1. Η δομή του μορίου των ent-gibberellane, βασικού κορμού του μορίου των γιββερελλινών και των GA 1, GA 3 και GA 12

44 Μεταβολισμός των GAs Βιοσύνθεση των GAs Οι γιββερελλίνες συντίθενται σε νεαρούς ιστούς του βλαστού και στα αναπτυσσόμενα σπέρματα. Δεν είναι βέβαιο κατά πόσο συντίθενται και στη ρίζα (Εικόνα 1). Οι GAs έχουν κοινό βιοσυνθετικό μονοπάτι τόσο με το αμψισικό οξύ, όσο και με τις κυτοκινίνες και τα μπρασσινοστεροειδή. Eικόνα 2.2. Το κοινό βιοσυνθετικό μονοπάτι τεσσάρων ομάδων φυτικών ορμονών (γιββερελλινών, κυτοκινινών, αμψισικού οξέος και μπρασσινοστεροειδών Τα στάδια της βιοσύνθεσης των γιββερελλινών είναι τρία και πραγματοποιούνται σε διαφορετικές κυτταρικές περιοχές: 1. Το πρώτο πραγματοποιείται στα πλαστίδια και περιλαμβάνει τη μετατροπή του γερανυλγερανυλοδιφωσφορικό (GGPP) σε ent-καυρένιο μέσω του entκοπαλυλοδιφωσφορικό (CPP).

45 45 2. Το δεύτερο στάδιο πραγματοποιείται στο ενδοπλασμικό δίκτυο και περιλαμβάνει τη μετατροπή του ent-καυρενίου στην GA 12 ή την GA Το τρίτο στάδιο πραγματοποιείται στο κυτόπλασμα και περιλαμβάνει τη μετατροπή των GA 12 ή GA 53 μέσω οξειδωτικών διεργασιών σε άλλες μορφές ενεργών ή μη ενεργών γιββερελλινών

46 Διακίνηση των GAs Οι γεββερελλίνες διακινούνται στο φυτικό σώμα μέσω του ηθμού, με το ρεύμα διακίνησης των μεταβολιτών. Η διακίνηση μέσω του ξύλου που επίσης έχει διαπιστωθεί θεωρείται ότι είναι αποτέλεσμα της πλευρικής διακίνησης από τον ηθμό προς το ξύλο (Εικόνα 1) Καταβολισμός- Αδρανοποίηση των GΑs Οι γιββερελλίνες αδρανοποιούνται είτε με τη μετατροπή του μορίου τους σε άλλες μη ενεργές μορφές GΑs (Εικόνα 2.3), είτε με τη σύζευξή τους με σάκχαρα και τη δημιουργία γλυκοζιδίων Ελεγχος της στάθμης των GAs (ενδο/εξωγενής) Οι κυτοκινίνες ασκούν θετική επίδραση στη στάθμη των GAs, ενώ το ΑΒΑ ασκεί θετική ή αρνητική επίδραση ανάλογα με τα όργανα και τις φυσιολογικές διεργασίες. Από τους παράγοντες του περιβάλλοντος ιδιαίτερη σημασία για τη στάθμη των γιββερελλινών έχουν η φωτοπερίοδος και το ψύχος. Στη γεωργική πράξη και ιδίως στην ανθοκομία η στάθμη των γιββερελλινών ελέγχεται με την εφαρμογή παρεμποδιστών της βιοσύνθεση των Gas (Εικόνα 2.4). Eικόνα 2.4. Συνθετικά παράγωγα παρεμποδιστές της βιοσύνθεσης των GAs

47 Επιδράσεις των Gas Αύξηση του στελέχους: Οι γιββερελλίνες προκαλούν υπερβολική επιμήκυνση του στελέχους των φυτών διεγείροντας κυτταροδιαιρέσεις αλλά και επιμήκυνση των κυττάρων του στελέχους. Τα φυτά αυτά έχουν πολύ μεγαλύτερη ανάπτυξη από εκείνη των νάνων φυτών Eικόνα 2.5. Η επίδραση διαφόρων συγκεντρώσεων GΑs στην επιμήκυνση του στελέχους φυταρίων ρυζιού. Στα φυτάρια ηλικίας 4 ημερών έγινε ψεκασμός με διαφορετικές συγκεντρώσεις GAs και αφέθηκαν για περαιτέρω ανάπτυξη επί μία ημέρα (αριστερά ο μάρτυρας) Επιμήκυνση στελέχους σε φυτά μακράς ημέρας: Οι γιββερελλίνες διεγείρουν την έεπιμήκυνση του στελέχους υποκαθιστώντας την επίδραση συνθηκών μακράς ημέρας. Αντίθετα χρήση παρεμποδιστών της βιοσύνθεσης των GAs όπως το ΑΜΟ δεν επιτρέπουν τη βιοσύνθεσή της και έτσι τα φυτά διατηρούνται σε μορφή ροζέττας. Το οικονομικό ενδιαφέρον είναι μεγάλο ιδιαίτερα σε λαχανοκομικές καλλιέργειες (Εικόνα 2.6).

48 48 Eικόνα 2.6. Η επίδραση της GΑ 3 και του παρεμποδιστή της βιοσύνθεσης των GAs ΑΜΟ-1618 στην επιμήκυνση του μίσχου των φύλλων σπανακιού. Τα φυτά του σπανακιού παραμένουν στη μορφή ροζέττας όταν αναπτύσονται σε συνθήκες βραχείας ημέρας και μόνο όταν μεταφερθούν σε συνθήκες μακράς ημέρας επιμηκύνονται οι μίσχοι τους. Αριστερά η παρεμπόδιση βιοσύνθεσης GAs από το ΑΜΟ Στο κέντρο η άρση της παρεμπόδισης του ΑΜΟ-1618 με εφαρμογή εξωγενούς GΑ 3. Δεξιά η φυσιολογική εξέλιξη των μίσχων των φύλλων του σπανακιού σε συνθήκες μακράς ημέρας Έλεγχος της ανάπτυξης του στελέχους (νάνα/ κανονικά φυτά): Εξωγενής εφαρμογή προκαλεί κανονική ανάπτυξη του στελέχους και μορφή ανάπτυξης των νάνων φυτών ανάλογη με εκείνη των κανονικών φυτών ενώ δεν έχει επίδραση στα κανονικά φυτά (Εικόνα 2.7). Eικόνα 2.7. Η επίδραση της εξωγενούς GΑ 3 στην ανάπτυξη νάνων και κανονικών φυτών καλαμποκιού. Από αριστερά προς τα δεξιά νάνο φυτό μάρτυρας, η μορφή νάνου φυτού μετά από εφαρμογή εξωγενώς GΑ 3, κανονικό φυτό που δέχτηκε εφαρμογή εξωγενούς GΑ 3 και δεξιά κανονικό φυτό μάρτυρας Επαγωγή της βλάστησης των σπερμάτων: Οι γιββερελλίνες διεγείρουν τη βλάστηση των σπερμάτων στα σπέρματα μερικών φυτικών ειδών τα οποία κανονικά