STRUKTURA BIOLOŠKIH MAKROMOLEKULA HEMIJSKE I BIOHEMIJSKE REAKCIJE TRANSPORT RAST I DAJE ČVRSTINU (TURGOR) VODA

Transcript

1 Snabdevenost biljke vodom je jedan od najvažnijih faktora koji utiče na rastenje i razviće biljaka. Od svih resursa potrebnih biljci voda je najrasprostranjenija, najobilnija i ujedno najveći ograničavajući faktor. VODA

2 STRUKTURA BIOLOŠKIH MAKROMOLEKULA HEMIJSKE I BIOHEMIJSKE REAKCIJE TRANSPORT RAST I DAJE ČVRSTINU (TURGOR) VODA

3 POIKILOHIDRIČNE BILJKE (biljke koje vaskrsavaju) Poikilohidre su biljke sa promenjivom vlažnošću. Ovaj tip biljaka uzima vodu čitavom površinom tela, kapilarnim silama i bubrenjem u vlažnoj atmosferi. Kada dođe do smanjenja vlažnosti na staništu, usporavaju metaboličku aktivnost i prelaze u stanje mirovanja ili anabioze. Sposobne su da podnesu kompletnu dehidrataciju. Ramonda serbica Asplenium ceterach

4 HOMOJOHIDRIČNE BILJKE Homojohidrične vrste imaju relativno stabilnu vlažnost tela. Od vitalnog značaja za ovaj tip biljaka je kontrola i optimizacija vodnog režima: velika, centralna vakuola stabilizuje vodne odnose u ćeliji; zaštitini slojevi kutikule na površini listova; stome; snažni korenov sistem; hormoni;

5 PROMET VODE U BILJCI 1. Usvajanje vode 2. Transport vode 3. Odavanje vode Vodni režim Vodni balans odnos između primljene i odate vode. Vodni deficit - suša Vodni suficit stresa anoksije/hipoksije stres poplave

6 Vodni balans biljke određuju: vodni potencijal osmotski potencijal ukupna količina vode relativni sadržaj vode vodni deficit intezitet transpiracije

7 Ukupna količina vode Ukupna količina vode određuje se merenjem i obračunavanjem promena u težini između sveže i suve mase u odnosu na svežu masu. FW DW UKUPNA KOLIČINA VODE = x 100 (%) FW FW sveža težina DW suva težina

8 Relativni sadržaj vode - RWC RWC određuje količinu vode u biljnim tkivima (organima) u odnosu na stanje pune turgescentnosti (potpuna zasićenost tkiva vodom). (FW DW) RWC = (SW DW) FW sveža težina DW suva težina SW turgescentna težina Vodni deficit = 100 RWC (%)

9 STRES DEFICITA VODE (SUŠA) Meteorolški period u kome je količina vodenih taloga manja od normalne vrednosti koja čini višegodišnji prosek datog područja. Fiziološki količina vode koja datoj biljci u određenoj fazi ontogeneze nedostaje do potpunog zasićenja tkiva vodom, odnosno smanjenje turgescentnosti tkiva u odnosu na maksimalnu vrednost. Poljoprivredni period suvog vremena koji izaziva značajno smanjenje prinosa određene kulture u odnosu na prosek.

10 FIZIČKA SUŠA - kada proces transpiracije premašuje apsorpciju vode iz zemljišta. Zemljišna suša smanjena vlaga u zemljištu. Vazdušna suša - smanjena vlažnost vazduha povećan intenzitet strujanja vazduha povećana temperatura vazduha temperaturni šok

11 FIZIOLOŠKA SUŠA - bez obzira na visok sadržaj vode u zemljištu biljka nije u stanju da je iskoristi. Hladna suša - kada biljke ne mogu da usvoje vodu iz tla zbog niske temperature tla. Vlažna suša privremeno stanje kod koga biljke transpiracijom gube vodu više nego što mogu da je usvoje korenom. Slana suša kada zbog izuzetno niskog vodnog potencijala zemljišnog rastvora (usled visoke koncentracije jona i mineralnih soli biljke) nisu u stanju da usvoje vodu.

12 EFEKAT SUŠE I REAKCIJE BILJKE FIZIOLOŠKE REAKCIJE BIOHEMIJSKE REAKCIJE MOLEKULARNE REAKCIJE Prepoznavanje signala iz korena Gubitak turgora i osmotska adaptacija Redukcija vodnog potencijala u listu (ψ) Smanjenje stomaterne propustljivosti Trenutno smanjenje fotohemijske produktivnosti Smanjenje efikasnosti RUBISCO Akumulacija stresnih metabolita kao što su glutation, poliamini, tokoferol... Povećanje koncentracije antioksidativnih enzima Genska ekspresija uslovljena stresom Povećanje ekspresije gena za biosintezu ABA Ekspresija gena indukovana ABA Sinteza specifičnih proteina kao što su LEA, HSP, RAB Redukcija unutrašnje koncentracije CO 2 Redukcija akumulacije reaktivnih oksidativnih vrsta Tolerancija na stres izazavan sušom Smanjenje fotosinteze Redukcija stope rasta

13 EFEKAT SUŠE I REAKCIJE BILJKE Primarni efekti Sekundarni efekti Vodni potencijal Dehidratacija ćelija Hidraulični otpor Redukcija izduživanja ćelija/lista Smanjenje metaboličkih aktivnosti Zatvaranje stoma Inhibicija fotosinteze Opadanje listova Destabilizacija membrana i proteina Sinteza ROS Toksičan efekat jona PCD Promene u propustljivosti ćelijskih membrana i ultrastrukturi citoplazme. Pad turgora dovodi do promena u hidrataciji i organizaciji proteina (membranskih). Smanjenje volumena ćelije, promene koncentracije molekula i viskoznosti citoplazme. Smanjuje se aktivnost enzima i razmena materije između različitih kompartmenata ćelije.

14 EFEKAT SUŠE I REAKCIJE BILJKE Smanjenje transpiracione površine. Ubrzano rastenje korena u odnosu na nadzemni deo. Od svih fizioloških procesa rastenje ćelija je najosetljivije na opadanje turgora, zatim sinteza proteina, provodljivost stoma, fotosinteza. Efekat suše zavisi i od faze ontogeneze. V = F ( π Y) V = stopa povećanja volumena dv/dt izraženog u cm 3 F = rastegljivost ćel. zida π = razlika u osmotskom potencijalu između vakuole i spoljašnje sredine Y = prag turgorovog pritiska

15 EFEKAT SUŠE I REAKCIJE BILJKE Rastenje lista je rezultat deoba i rastenja/povećenja ćelija lista. Rastenje ćelije prati rastenje ćelijskog zida. Efekat umerene suše na ćelije je rezultat biofizičkih i biohemijskih promena, prvenstveno na nivou ćelijskog zida. Biofizičke promene uslovljene su mehaničkim osobinama. Biohemijske promene dejstvom enzima (ekspanzini, endotransglukozilaza XET, peroksidaze), kanala akvaporina i dejstvom hormona (ABA i auksina) i ph vrednosti apoplasta. Opadanje turgora u ćelijama smanjuje plastičnost ćelijskog zida i povećava aktivnost enzima koji inhibiraju rastenje ćelijskog zida (peroksidaze). Inaktivacija P-ATPaza i promene ph ćeljskog zida.

16 STOME Ćelije stominog aparata su posebno diferencirane i njihova funkcija je da regulišu razmenu gasova između biljke i spoljašnje sredine. One imaju zadatak da uspostave balans između dva ključna procesa i da u svim prilikama omoguće primanje maksimalne količine CO 2 i svedu u isto vreme gubitak vode na minimum.

17 Turgor stominih ćelija zavisi od koncentracije osmotski aktivnih čestica, tj. od osmotskog potencijala ćelijskog soka. U stominim ćelijama se akumuliraju K + joni nasuprot elektrohemijskom gradijentu (sekundarni aktivni transport). Ostvaruje se osmotski efekat, voda ulazi u ćelije i raste turgor stominih ćelija i dolazi do otvaranja stoma.

18 Na otvaranje stoma utiče: svetlost koncentracija CO 2 snabdevanje biljke vodom vlažnost vazduha

19 Transpiracija snižava vodni potencijal u ćelijama mezofila lista, dovodi do porasta koncentracije ABA, efluksa kalijuma i zatvaranje ćelija zatvaračica. Zatvaranjem stoma održava se ili povećava potencijal vode u ćelijama mezofila.

20 FOTOSINTEZA Efekat suše na fotosintezu je primarno posledica stomaterne ili nestomaterne inhibicije. Stomaterna inhibicija smanjenja otvorenosti stoma i fiksacije CO 2. Nestomaterna inhibicija suša pogađa transport elektrona u membranama hloroplasta, posebno aktivnost fotosistema PSII, aktivnost RUBISKO enzima.

21 Pad turgora u ćelijama i povećanje propustljivosti ćelijskih membrana utiče na promenu ph vrednosti i transport jona, što se odražava na aktivnost enzima prvenstveno RUBISCO, LHC komplekse i elektron-transportne sisteme hloroplasta. Dolazi do povećanja fotorespiracije, zbog smanjenje koncentracije CO 2. Sušu obično prate visoke temperature i visok intezitet svetlosti što dovodi do oksidativnog stresa.

22 Nedostatak vode dovodi do inteziviranja hidrolitičkih procesa, mobilizacije skroba i povećanje količine supstrata za disanje (akumulacija prostih šećera glukoze i fruktoze usled povećane aktivnosti enzima invertaze). Transport floemom zavisi od vodnog potencijala, pa pad vodnog potencijala inhibira transport asimilata iz nadzemnog dela u koren. Usporeno je usvajanje hranljivih elemenata iz zemljišta kao i njihov transpot kroz biljku. Suša pogađa i metabolizam azota; dovodi do inhibicije nitratreduktaze i povećanja sadržaja neorganskog azota u korenu.

23 HORMONI U uslovima suše smanjena sinteza auksina, citokinina i giberelina, ali povećana etilena i ABA. Koncentracija auksina je smanjena zbog povećane aktivnosti enzima auksin-oksidaze i redukovanog polarnog transporta. Koncentracija citokinina je smanjena zdog inhibicije sinteze u korenu. U stresnim uslovima pojačana je sinteza ABA-e i u korenu i u izdancima. Koncentracija ABA-e raste i 100 puta u korenu i ksilemskom soku. ABA se sintetiše, u korenu kao odgovor na rane faze suše. U listu se intenzivno oslobađa ABA iz konjugovanog oblika. Gen ABA4 odgovoran je za de novo sintezu ABA tokom vodnog stresa.

24 ABA, ph hipoteza ABA je slaba kiselina koja može da primi ili otpusti H + zavisno od ph vrednosti apoplasta i simplasta. U uslovima suše ph ksilema/apoplasta postaje alkalnija (ph = 7,2) u odnosu na optimalne uslove (ph = 6,3). Alkalizacija ksilema favorizuje disocijaciju ABAH u anjonsku formu ABA -, što smanjuje usvajanje od strane ćelija mezofila, pa se ABA lakše transportuje do stoma.

25 Kad su stome zatvorene, koncentracija kalijuma je manja u ćelijama zatvaračicama nego u okolnim ćelijama. Jedan od ključnih koraka u otvaranja stoma je aktivacija H + -ATPaza na plazmalemi, što dovodi do hiprepolarizacije membrane i otvaranja jonskih kanala za ulaz kalijuma i aktivacije kotransportera za ulaz hlora. Influks i efluks kalijuma, u ćeliju, obavlja se različitim jonskim kanalim koji su po tipu voltažni. Kalijumovi joni, iz citoplazme u vakuolu, ulaze takođe aktivnim transportom, preko kotransportera (antiport sa protonima). Kada se u vakuoli postigne visoka koncentracija jona, snižava se osmotski potencijal i dolazi do ulaska vode u ćeliju. ABA izaziva zatvaranje stoma, menjajući aktivnost nekih jonskih kanala.

26 ABA izaziva zatvaranje stoma. Ca 2+ - nezavistan put indukuje depolarizaciju membrane, aktivira anjonske kanale ili/i inhibira H + - ATPaze. Ca 2+ - zavistan put dovodi do porasta koncentracije Ca 2+ u citoplazmi, blokira H+-ATPazu i ulazne kanale za kalijum, a aktivira izlazne kanale za kalijum. Kalijum izlazi iz vakuole u citoplazmu, zatim u ćelije pomoćnice. Visoka [Ca] 2+ stimuliše fosforilaciju H + -ATPaza Inhibicija H + -ATPaza povećava ph što pospešuje efluks kalijuma iz vakuole. Aktiviraju se i anjonski kanali za hlor i malat, što dovodi do depolarizacije i inhibicije ulaznih kanala za kalijum, a povećava aktivnost izlaznih kanala za kalijum. Dolazi do gubitka turgora i zatvaranja stoma.

27 Joni kalcijuma potiču iz spoljašnje sredine, vakuole i unutrašnjih vezikula. Pored kalcijuma i drugi medijatori koji ispoljavaju sinergističko dejstvo sa ABA. ABA indukuje sintezu NO i vodonik peroksida.

28 EFEKAT ABA NA RASTENJE Ćelijski ciklus u regulaciji ključnu ulogu ima kompleks ciklini i ciklin zavisna kinaza (CDK). Ciklini određuju specifičnost za supstrat, vreme delovanja kao i subcelularnu aktivnost; imaju regulatornu funkciju. Aktivnost CDK ostvaruje se sintezom, razgradnjom ciklina ili fosforilacijom/defosforilacijom CDK. U uslovima deficita vode dolazi do smanjenja broja ćelijskih deoba, smanjuje se aktivnost CDK, ali se aktiviraju inhibitori (ICK1). ABA indukuje ekspresiju ICK1 inhibitora CDK. Inhibicija izduživanja ćelija - ABA inhibira protonske pumpe na plazmalemi, sprečava acidifikaciju ćelijskog zida i izduživanje ćelija. ABA utiče na promenu sastava proteina u ćelijskom zidu, povećava ekspresiju gena za sintezu proteina bogatih prolinom (strukturni proteini), a koji mogu inhibirati ekstenzibilnost zida. ABA stimuliše usvajanje vode korenom Povećanje koncentracije endogene ABA je neophodno za održavanje rasta primarnog korena. Povećana koncentracija ABA u apikalnom delu korena indukuje povećanje koncentracije prolina u uslovima deficita vode (osmoregulacija). Akumulacija ABA u korenu je neophodna za ekspresiju aktivnosti XET enzima (izduživanje ćelija).

29 Etilen inhibira rastenje. ETILEN Smanjena količina ABA u izdancima uslovljava etilenom indukovanu inhibiciju rastenja nadzemnog dela, dok veća količina ABA u korenu sprečava etilen da inhibira rastenje korena. ABA kontroliše da koncentracija etilena previše ne poraste i inhibira rastenje.

30 SIGNALI SUŠE Deficit vode u zemljištu dovodi do redukcije turgora u ćelijama korena ova promena hidraulični signal suše se prenosi od korena do nadzemnih delova i izaziva redukciju rastenja i zatvaranje stoma. Hemijski signali suše koren je senzor promena u zemljištu, u korenu se sintetišu hemijski signali koji obaveštavaju nadzemni deo. Hemijski signali suše su: ABA, ph ksilema i apoplasta, citokinini, etilen i joni kalcijuma.

31 SIGNALI SUŠE U uslovima suše dolazi do povećanja ph ksilemskog soka. U parenhimskim ćelijama oko ksilema dolazi do smanjenja aktivnosti protonskih ATPaza, što utiče na promenu ph ksilema i apoplasta. Na povećanje ph utiču i promene u aktivnosti nitrat reduktaze u korenu i listu. U stresu se menja i sastav ksilemskog soka. Dolazi do povećanja sadržaja nitrata u ksilemu. Šećeri mogu sinergistički da deluju sa ABA. ABA aktivira invertazu u vakuolama, pa koncentracija šećera u ćelijama raste.

32 PERCEPCIJA I TRANSDUKCIJA SIGNALA SUŠE Osmosenzor dvokomponentna histidin kinaza Receptor aktivira fosfolipazu C (PLC) koja hidrolizuje fosfatidilinozitol-4,5-bifosfat do inozitol-1,4,5-trifosfata (IP 3 ) i diacilglicerola koji su sekundarni glasnici. IP 3 izaziva oslobađanje kalcijuma i aktivaciju kalcijum zavisne kinaze (CDPK). Dolazi i do aktivacije MAPK i DERB transkripcionih faktora, koji regulišu ekspresiju gena odgovornih za toleranciju.

33 OTPORNOST NA STRES SUŠE Otpornost biljaka je skup reakcija koje omogućuju preživljavanje u uslovima suše. Različitim mehanizmima biljke izbegavaju da budu izložene efektu suše ili ako su već izložene suši, razvijaju mehanizme kojima izbegavaju/tolerišu niske vrednosti potencijala vode. 1. Izbegavanje suše 2. Tolerancija na stres suše

34 Izbegavanje suše Beg od suše (drought escape) brza smena fenofaza ili periodom dormancije. Kada su biljke izložene suši prva reakcija je da izbegnu nastanak niskih vrednosti vodnog potencijala i da održe vodni režim tkiva: 1. smanjuju odavanje vode 2. povećavaju usvajanje vode

35 Izbegavanje suše Smanjeno odavanje vode stome (broj, veličina, položaj) deblja kutikula, pojava dlaka na listu sitnije ćelije epidermisa i mezofila, veći broj mezofilnih slojeva, veća debljina lista razviće vaskularnih elemenata lista uvijanje listova Povećano usvajanje vode rastenje korena je manje inhibirano u odnosu na rastenje izdanka

36 Tolerancija na sušu Mehanizmi kojima se izbegava dehidratacija Mehanizmi kojima se toleriše dehidratacija

37 Mehanizmi kojima se izbegava dehidratacija Osmoregulacija (osmotsko prilagođavanje) je aktivan proces sinteze i akumulacije jedinjenja koja imaju ulogu osmotikuma. Osmotski aktivna jedinjenja su joni ili različita organska jedinjenja. Kod većine biljaka akumuliraju se organska jedinjenja: aminokiseline i amidi (prolin, alanin, glutamin, asparagin), kvarterne amoniju baze (glicin, beatin), različiti šećeri i alkoholi (manitol, sorbitol). Najznačajniji efekat osmoregulacije je održavanje otvorenosti stoma i određenog inteziteta fotosinteze.

38 Mehanizmi kojima se toleriše dehidratacija U uslovima suše specifični osmoliti učestvuju u održavanju hidratisanosti protoplazme i zaštiti makromolekula stabilizacijom proteina i lipida. Prolin učestvuje u zaštiti ćelijskih struktura od dehidratacije, regulaciji ph ćelije, detoksikaciji slobodnih radikala. Oligosaharidi imaju ulogu osmoprotektanata (rafinoza i galaktinol) i stabilizaciju molekularne strukture enzima i otklanjanju ROS (traheloza i manitol). Poliamini (spermin, spermidin i puterscin) učestvuju u inaktivaciji ROS.

39 Mehanizmi kojima se toleriše dehidratacija Mezofite otporne na sušu (tolerišu dehidrataciju) u uslovima jake suše mogu da održe strukturu ćelija, posebno membrana. PROTEINI SUŠE LEA proteini hidrofilni, citoplazmatični proteini, otkriveni su u semenima soje i pamuka. Ovu grupu čini 18 familija proteina. Dehidrini se akumuliraju u uslovima jakog stresa suše, soli i niskih temperatura. Termostabilni proteini, veoma hidrofilni. Neki od dehidrina zamenjuju vodeni omotač oko ćelijskih membranskih struktura, drugi sekvestiriraju jone čija koncentracija raste. Mogu da reaguju sa hidrofobnim delovima delimično denaturisanim proteinima, spreče agregaciju proteina. RAB proteini (Responsive to ABA) - aplikacija egzogene ABA izaziva ekspresiju gena za sintezu ovih proteina.

40

41 Mehanizmi kojima se toleriše dehidratacija PROTEINI SUŠE Proteini toplotnog udara - HSPs (Heat Shock Proteins) njihova ekspresija je povezana sa izlaganjem povišenim temperaturama, ali i drugim stresorima. Na osnovu molekulske težine, ali i funkcije i mehanizma delovanja, proteini toplotnog udara se dele na klase Hsp100, Hsp90, Hsp70, Hsp60, Hsp40 i na proteine toplotnog udara sa malom molekulskom masom. Ova grupa proteina ponaša se kao molekularni šaperoni, odnosno stabilizuju druge proteine prisutne u ćeliji, održavajući ih u nativnoj konformaciji i sprečavajući njihovu nekontrolisanu oksidaciju, redukciju ili agregaciju. Ubikvitini vezuju za sebe proteine koji su potencijalno štetni i uklanjaju ih iz ćelija.

42 ANAEROBNI STRES Biljke su često izložene delimičnom ili potpunom nedostatku kiseonika odnosno pojavi anaerobioze. Anaerobni uslovi se javljaju nakon obilnih kiša i poplava i kao posledica navodnjavanja obradivih površina. Anaerobni stres može predstavljati i metabolički status biljke koji se javlja u toku ontogeneze. Biljke su obligatni aerobni organizmi i nedostatak kiseonika na staništu predstavlja oštar stres, kome su najčešče izloženi korenovi biljaka, semena ali i nadzemni delovi biljaka. Promena koncentracije kiseonika u spoljašnjoj sredini izaziva pojavu anaerobnog stresa i stanja: hipoksije (niska dostupnost kiseonika) anoksije (potpuno odsustvo kiseonika)

43 Plavljena zemljišta se odlikuju: padom sadržaja kiseonika, zbog otežane difuzije i slabe rastvorljivosti u vodi zbos spore difuzije gasova (etilena) dolazi do nagomilavanja ugljen-dioksida denitrifikacije formiranja toksičnih jona, vodonik-sulfida i metana

44 Efekti anaerobnog stresa i reakcije biljke Ukoliko uslovi plavljenja traju nedeljama, tada anaerobne bakterije ( u respiraciji koriste vodonik-sulfid) mogu mogu prevesti sulfatni jon u vodoniksulfid, koji blokira respiratorne enzime i oksidaze. Metanogene bakterije redukuju ugljen-dioksid do metana. Smatra se da se miliona tona metana emituje svake godine sa pirinčanih polja. Ugljen-dioksid i metan predstavljaju najznačajnija jedinjenja koja doprinose globalnom zagrevanju. Povećanje produkata anaerobnog metabolizma dovodi do akumulacije organskih kiselina u zemljištu i korenovima. Organske kiseline i ugljen-dioksid utiču na ph vrednost zemljišta, koji potom ima efekat na procese mineralizacije i nitrifikacije. Fakultativni anaerobi redukuju nitrat u procesu denitrifikacije, čineći ga nedostupnim za korenove. U uslovima anaerobnog stresa dolazi i do akumulacije toksičnih soli kao što su redukovane forme mangana, dvovalentnog gvožđa.

45 Efekti anaerobnog stresa i reakcije biljke Primarni efekti Hipoksija Anoksija Sekundarni efekti Redukcija disanja Anaerobni metabolizam Sinteza ROS Zatvaranje stoma

46 EFEKTI NA FIZIOLOŠKE I METABOLIČKE PROCESE Usporavanje rasta korena nastaje kad se koncentracija kiseonika smanji ispod 15%. Jako izražen nedostatak kiseonika izaziva degeneraciju korena i pojavu negativnog geotropizma. Povećanje koncentracije ugljen-dioksida (preko 2%) dovodi do inhibicije deoba u apikalnom delu korena. U okolini korena dolazi do promena u fizičko-hemijskom sastavu zemljišta, smanjuje se redoks potencijal zemljišta (indikator prisutnosti kiseonika), pristupačnost i koncentracija neophodnih elemenata. U anaerobnim uslovima dolazi do smanjenog usvajanja vode, pada vodnog potencijala i zatvaranja stoma. Promena u vodnom režimu dovodi do fiziološke suše (korenovi stradaju od suše).

47 EFEKTI NA FIZIOLOŠKE I METABOLIČKE PROCESE Smanjuje se intezitet transpiracije i dolazi do promena u transportu hranljivih elemenata pojava hloroze. Prevremena senescencija listova zbog realokacije N, P, K u mlađe listove. Intezitet usvajanja jona se smanjuje kiseonik je neophodan za mikrobiološke procese u kojima se oslobađaju pristupačni oblici za biljke. Pojava osmotskog stresa. Stomaterna inhibicija fotosinteze stome su zatvorene. Nestomaterna inhibicija fotosinteze smanjenje koncentracije hlorofila i regeneracije RUBISCO enzima, redukcije lisne površine. Smanjena sinteza šećera, inhibicija transporta asimilata iz lista u koren, akumulacija skroba u listovima (pogođen transport floemom) i pojava rane senescencije lista.

48 EFEKTI NA FIZIOLOŠKE I METABOLIČKE PROCESE Usled nedostatka kiseonika prekida se elektron-transportni lanac i oksidativna fosforilacija u mitohondrijama (kiseonik je krajnji akceptor elektrona) redukuje se sinteza ATP i regeneracija redukovanih koenzima. Prekida se Krebsov ciklus, pa se glukoza ne oksiduje do krajnjih produkata (vode i ugljen-dioksida). U uslovima anoksije dolazi do razaranja membrana, oštećenja mitohondrija i inhibicije enzima. Nedostatak ATP u početku se prevazilazi prelaskom na supstratnu fosforilaciju ADP, a zatim se aktiviraju procesi glikolize i vrenja (anaerobni procesi).

49 Anaerobno disanje je manje efikasno zbog male količine ATP (2 ATP po molu glukoze). U korenu dolazi do fermentacije piruvata uz pomoć laktat-dehidrogenaze (ph = 7). U glikolizi i ostalim metaboličkim procesima dolazi do produkcije protona i usporavanja transporta H + iz citoplazme preko tonoplasta i plazmamembrane. Smanjeno je i recikliranje NADH/NAD +. Dolazi do snižavanja ph citoplazme, inhibicije aktivnosti laktat-dehidrogenaze i aktiviranja enzima piruvat-dekarboksilaze i alkoholna - dehidrogenaze što vodi povećanju koncentracije etanola kao krajnjeg produkta alkoholnog vrenja. Ukoliko je izražena anoksija, nizak ph citoplazme se održava duže vreme i izaziva citosolnu acidozu, koja ireverzibilno oštećuje metabolizam i povezana je sa PCD.

50 EFEKTI NA FIZIOLOŠKE I METABOLIČKE PROCESE Usled prekidanja elektron-transportnog lanca u mitohondrijama u toku hipoksije javlja se oksidativni stres. Dolazi do produkcije različitih ROS formi (superoksida), peroksidacije membrana, denaturacije proteina, oštećenja ugljenih hidrata i nukleinskih kiselina. Nedostatak kiseonika u korenu stimuliše sintezu ABA u starijim listovima, a zatim se ABA transportuje u mlađe listove. Povećana koncentracija ABA dovodi do zatvaranja stoma, redukuje izduživanje. Hipoksija ubrzava sintezu prekursora etilena ACC (1-aminociklopropan-1- karboksilna kiselina) u vrhu korena, koji ksilemom se transportuje u stablo i izdanke i u kontaktu sa kiseonikom prelazi u etilen. Etilen utiče na formiranje aerenhimskog tkiva u korenu tolerantnih vrsta, pojavu epinastije i u interakciji sa auksinom na indukciju i formiranje adventivnih korenova.

51 PERCEPCIJA I PRENOS SIGNALA Primarni signal smanjena koncentracija kiseonika u zemljištu. Percepcija nedostatka kiseonika može se ostvariti: 1. Direktnim mehanizmom podrazumeva učešće molekula koji vezuju ili koriste kiseonik. 2. Indirektnim mehanizmom uključuje promene u homeostazi ćelije i metaboličkim procesima, a na koje verovatno utiče fluks kalcijuma, odnos redukovanog/oksidovanog glutationa ili raspoloživost ugljenih hidrata.

52 PERCEPCIJA I PRENOS SIGNALA Hemoglobin direktno detektuje nedostatak kiseonika; ima kao prostetičnu grupu hem i visok afinitet prema kiseoniku. U uslovima hipoksije hemoglobin: 1. nosač kiseonika i tako čuva respiraciju u mitohondrijama 2. učestvuje kao elektron-transferni protein 3. deluje kao senzor kiseonika, reguliše ekspresiju gena 4. pomaže održavanju procesa glikolize

53 PERCEPCIJA I PRENOS SIGNALA U percepciji i transdukciji signala može da učestvuje i azot-monoksid (NO). Sinteza NO u apoplastu zavisi od ph i koncentracije nitrita. Mitihondrije opadanje koncentracije kiseonika smanjuje aerobno disanje i sintezu ATP (indirektni senzor). Dolazi do obrazovanja ROS formi koje imaju značajnu ulogu u percepciji i transdukciji signala. Opadanje ph menja metabolizam i favorizuje alkoholnu fermentaciju. Hormoni (ABA, etilen) i joni kalcijuma

54 Mehanizmi tolerancije na stres Morfo-anatomske osobine Plitki i adventivi korenovi Hipertrofirane lenticele Aerenhimsko tkivo Plitki i adventivni korenovi obezbeđuju iskorišćavanje kiseonika u površinskim slojevima. Adventivni korenovi imaju veliku propustljivost za kiseonik; njihovo formiranje i rast je vezan za sintezu etilena i NO. Hipertrofirane lenticele javljaju se u bazi stabla, ispod površine vode; nastaju radijalnim deobama. Deobe i izduživanje kontrolišu auksin i etilen. Osnovna uloga je da olakšaju difuziju O 2.

55 Mehanizmi tolerancije na stres

56 Mehanizmi tolerancije na stres Najefikasniji i najzastupljeniji način za izbegavanje nedostatka kiseonika na staništu je razvoj ekstenzivnog sistema aerenhima u korteksu korena. Aerenhimsko tkivo - sistem intercelularnih šupljina i kanala kojim se obezbeđuje dotok kiseonika iz vazdušne sredine u delove biljke koji se nalaze u anaerobnim uslovima istovremeno omogućava aeraciju i ventilaciju tkiva odnosno oslobađanje tkiva od štetnih materija. Aerenhimsko tkivo razvija se kod svih hidrofita, ali i kod gajenih biljaka koje su izložene plavljenju (kukuruz, suncokret, detelina, pšenica) Submerzni uslovi, etilen i ROS promovišu nastanak aerenhima. Povećana sinteza etilena u vrhu korena u uslovima hipoksije vodi dezintegraciji i smrti ćelija u korteksu korena, stvarajući veliki broj intercelulara. Povećana koncentracija NO dovodi do PCD.

57 Mehanizmi tolerancije na stres Aerenhim se može formirati lizogeno ili šizogeno. Lizogeno formiranje aerenhima je proučavano na korenovima pirinča i kukuruza, kada pod dejstvom spoljašnjeg faktora dolazi do parcijalnog razlaganja tkiva odnosno do programirane ćelijske smrti ćelija kore korena. Smatra se da je vodonik peroksid signalni molekul neophodan za programiranu ćelijsku smrt indukovanu etilenom. Šizogeno formiranje - nezavisno od spoljašnjih faktora dolazi do razaranja tkiva korena u toku razvoja. Lokalno razdvajanje ćelija formira velike intercelularne prostore ispunjene vazduhom. Stadijumi u formiranju aerenhima: 1) ćelije parenhima najpre gube inegritet membrana; 2) liza ćelija počinje u centru i širi se radijalno; 3) formirani aerenhim (Prerađeno prema Steffens, 2011)

58 Mehanizmi tolerancije na stres Metaboličke adaptacije Anaerobni procesi i regulacija ph jedan od efekata anaerobnog metabolizma je zakišeljavanje citoplazme i akumulacija produkata fermentacije (etanol). Potrebno je regulisati ph oko 6,8 za funkcionisanje enzima pre svega laktatdehidrogenaze. Tolerantne vrste kontrolišu ph vrednost (alanina, sukcinata, γ-aminobuterna kiselina). Biljke tolerantne na anoksiju imaju sposobnost mobilizacije i korišćenja rezervnih ugljenih hidrata zahvaljujući sintezi enzima koji omogućavaju uključivanje ugljenih hidrata u anaerobni metabolizam.

59 Hemoglobin i NO Detoksikacija NO (jako reaktivan i toksičan slobodni radikal) obavlja se preko metaboličkog puta Hb/NO ciklusa uz pomoć specifičnoh hemoglobina Class-1 Hb (sastavna komponenta sistema NO dioksgenaze) koji ima visok afinitet prema kiseoniku. Class- 1 Hb ima ulogu i u regeneraciji koenzima NAD + /NADH potrebnih za procese glikolize. Nitrati nastali oksidacijom NO se uz pomoć nitratreduktaze i NO-reduktaze redukuju u azot monoksid

60 Mehanizmi tolerancije na stres Ekspresija gena anoksija izaziva veoma brze promene u ekspresiji, indukuju se geni odgovorni za degradaciju skroba i procese glikolize ili fermentaciju akohola. U hipoksiji dolazi do povećane ekspresije HIP gena čiji produkti su anaerobni polipeptidi (ANPs). Ovi polipeptidi su prvi put detektovani u koleoptilima pirinča koji je klijao u anaerobnim uslovima. ANPs su neophodni za aklimatizaciju u uslovima hipoksije i tu spadaju svi enzimi anaerobnog metabolizma, enzimi neophodni za regulaciju ph, detoksikaciju ROS, formiranje aerenhima. U uslovima hipoksije dolazi do indukcije sinteze sledećih anaerobnih proteina: 1. enzima glikolize (aldolaza, gliceraldehid-3-fosfatna dehidrogenaza, enolaza itd.) 2. enzima fermentacije etanola (piruvat dekarboksilaza i alkoholna dehidrogenaza) 3. enzima koji učestvuju u metabolizmu ugljenih hidrata (α-amilaza i saharozna sintaza) 4. enzimi uključeni u formiranje aerenhima (ksiloglukan endotransglikozilaza - XET) 5. enzimi uključeni u regulaciju ph citoplazme (malat dekarboksilaza)