ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ ΦΥΤΩΝ Φωτοσύνθεση σε καρπούς: ανατομική και φυσιολογική μελέτη ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Δημήτριος Καλαχάνης Βιολόγος ΠΑΤΡΑ, ΙΟΥΝΙΟΣ 2011
ΠΡΟΛΟΓΟΣ - ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η εργασία αυτή είναι το αποτέλεσμα πολυετούς προσπάθειας, κατά τη διάρκεια της οποίας συνεργάσθηκα αλλά και ήρθα σε επαφή με κάποιους ανθρώπους, στους οποίους οφείλω δίχως άλλο να αφιερώσω δύο λόγια. Πρώτα από όλα, θέλω να πω ένα μεγάλο Ευχαριστώ στον Επιβλέποντα Καθηγητή της Διδακτορικής Διατριβής μου, κ. Γ. Ψαρά. Η συνεργασία μας με το κ. Ψαρά ξεκίνησε εδώ και μία περίπου δεκαετία, όταν, ως προπτυχιακός φοιτητής ξεκίνησα την εκπόνηση της διπλωματικής μου εργασίας. Ακολούθησε η μεταπτυχιακή μου διατριβή αλλά και η διδακτορική, πάντα υπό την επίβλεψή του. Υπήρξε για μένα ένας μεγάλος δάσκαλος. Τον ευχαριστώ για όσα μου προσέφερε. Το φυσιολογικό κομμάτι της διατριβής δεν θα μπορούσε να ολοκληρωθεί χωρίς την αρωγή του κ. Γ. Μανέτα, ο οποίος ήταν και μέλος της Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής. Με υπομονή αλλά και επιμονή στάθηκε δίπλα μου σε κάθε βήμα αυτής της προσπάθειας. Τον ευχαριστώ θερμά. Ο κ. Γραμματικόπουλος αλλά και η κ. Πετροπούλου, ο μεν πρώτος ως μέλος της Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής, αμφότεροι δε ως μέλη της Επταμελούς Εξεταστικής Επιτροπής συνέδραμαν στην ολοκλήρωση αυτής της εργασίας με τη γνώμη και την πρόθυμη συμβουλή τους. Τους ευχαριστώ πολύ. Ένα μεγάλο Ευχαριστώ θα ήθελα επίσης να πω στα υπόλοιπα μέλη της Επταμελούς Εξεταστικής Επιτροπής, τους κκ. Καραμπουρνιώτη, Φασσέα και Κυπαρίσση. Οι εύστοχες παρατηρήσεις τους συνέβαλαν στη βελτίωση του τελικού κειμένου και με βοήθησαν να δω από διαφορετική σκοπιά τη διατριβή μου.
Όλα αυτά τα χρόνια είχα τη χαρά να δουλέψω δίπλα σε συναδέλφους με τους οποίους μοιραστήκαμε κοινές σκέψεις, προβληματισμούς αλλά και στόχους. Τόσο οι παλαιότεροι - ο Β. Κιτρίδης - όσο αυτοί με τους οποίους, λίγο πολύ, είχαμε κοινή πορεία - ο Χ. Γιώτης, ο Κ. Νικηφόρου και η Κ. Ζέλιου - αλλά και τα πιο νέα παιδιά του εργαστηρίου - η Α. Κυζερίδου και η Α. Μπεσσόνοβα - συνέβαλαν στη δημιουργία ενός ήρεμου και δημιουργικού κλίματος εντός αλλά και εκτός εργαστηρίου. Τους ευχαριστώ. Επίσης θέλω να ευχαριστήσω την Ιωάννα. Με την έμπρακτη συμπαράστασή της σε ικανό κομμάτι της εργασίας αλλά και με τη γνώμη και την υπομονή της υπήρξε ακόμα ένα στήριγμα για μένα. Τέλος θέλω να εκφράσω την απεριόριστη ευγνωμοσύνη μου στην οικογένεια μου, την μητέρα μου Βασιλική και την αδερφή μου Αδαμαντία. Χωρίς την παρουσία τους, τη στήριξη και την υλική και πνευματική συμπαράστασή τους δεν θα ήταν δυνατή όχι μόνο η διεκπεραίωση αυτής της δουλειάς αλλά και γενικότερα η όλη πορεία μου στο Πανεπιστήμιο αυτά τα χρόνια. Εύχομαι να είναι πάντα καλά και πάντα στο πλάι μου. Πάτρα 2011
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περίληψη σελ. 1 Abstract σελ. 5 Εισαγωγή σελ. 8 Υλικά και Μέθοδοι σελ. 41 Αποτελέσματα σελ. 79 Συζήτηση σελ. 167 Βιβλιογραφία σελ. 184
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η φωτοσύνθεση των καρπών έχει μελετηθεί σε έναν αριθμό ειδών κατά το παρελθόν. Σε αυτές τις εργασίες έγινε, κατά βάση, χρήση των παραδοσιακών μεθόδων εκτίμησης της φωτοσυνθετικής ικανότητας και από αυτές κατέστη σαφές ότι οι ρυθμοί αφομοίωσης του διοξειδίου του άνθρακα είναι εξαιρετικά χαμηλοί στο χλωρέγχυμα των καρπών εν συγκρίσει με αυτούς των αντιστοίχων φύλλων. Κατά τα τελευταία έτη έχουν καταβληθεί λιγοστές προσπάθειες προσέγγισης του ζητήματος με τη βοήθεια νέων τεχνικών φθορισμού της χλωροφύλλης και φαίνεται ότι η γραμμική ροή ηλεκτρονίων είναι περιορισμένη στους χλωροπλάστες των καρπών. Ωστόσο, δεν διαπιστώθηκαν σημαντικές διαφορές σε ότι αφορά τη μέγιστη φωτοχημική ικανότητα του φωτοσυστήματος ΙΙ. Για το λόγο αυτό προτάθηκε ότι η φωτοσύνθεση των ιστών αυτών εξυπηρετεί στην επανάκτηση του από την αναπνοή προερχομένου διοξειδίου του άνθρακα. Εντούτοις, βιβλιογραφικές αναφορές που να επιβεβαιώνουν μία τέτοια υπόθεση είναι εξαιρετικά σπάνιες. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής μελετήθηκε η φωτοσύνθεση των καρπών τεσσάρων φυτών που αναπτύσσονται στα μεσογειακά οικοσυστήματα. Συγκεκριμένα δε των φυτών Acacia cyanophylla, Ailanthus altissima, Nerium oleander και Quercus coccifera. Χρησιμοποιήθηκαν νέες και καινοτόμες τεχνικές του φθορισμού της χλωροφύλλης σε συνδυασμό με παραδοσιακές μεθόδους με σκοπό να προσδιορισθούν τα βήματα εκείνα στα οποία η φωτοσύνθεση των καρπών συναντά περιορισμούς. Κάτι τέτοιο καθίσταται δυνατό με την ανάλυση της κινητικής της επαγωγής του φθορισμού της χλωροφύλλης, το λεγόμενο JIP-test, το οποίο για πρώτη φορά εφαρμόσθηκε σε αυτούς τους ιστούς. Παράλληλα, μελετήθηκε, η μορφολογία 1
του φωτοσυνθετικού ιστού των καρπών αυτών, αφού αυτή διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση των χαρακτηριστικών της φωτοσύνθεσης. Ελήφθησαν επίσης σοβαρά υπ όψιν οι ιδιάζουσες συνθήκες που επικρατούν στο εσωτερικό των ιστών και συγκεκριμένα, οι διαφορετικές συγκεντρώσεις των αερίων που εμπλέκονται άμεσα ή έμμεσα στη φωτοσύνθεση και οι χαμηλότερες εντάσεις φωτός. Τα περικάρπια των τριών φυτών παραμένουν πράσινα μέχρι και πριν την ωρίμανση του καρπού. Οι καρποί της A. cyanophylla και του N. oleander διαρρηγνύονται απελευθερώνοντας τα σπέρματα ενώ στη περίπτωση του Q. coccifera ολόκληρη η βάλανος απελευθερώνεται από το κυάθιο. Το A. altissima αποτελεί εξαίρεση καθώς οι καρποί παραμένουν στο μητρικό φυτό για μεγάλο χρονικό διάστημα. Σημαντικό είναι να τονισθεί ότι στη περίπτωση της A. cyanophylla και του N. oleander πράσινα παραμένουν και τα σπέρματα, γεγονός το οποίο επέτρεψε τη μελέτης φωτοσύνθεσης και αυτών των ιστών. Ο αριθμός των στομάτων στα περικάρπια των A. cyanophylla, N. oleander και A. altissima είναι κατά πολύ μικρότερος του αντιστοίχου των φύλλων ενώ στο Q. coccifera δεν υπάρχουν καθόλου στόματα. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με τη παρουσία ελάχιστων μεσοκυττάριων χώρων στο εσωτερικό του καρπού αλλά και τους έντονους μεταβολικούς ρυθμούς του ιστού οδηγεί σε ένα ιδιαίτερο μικροπεριβάλλον αερίων που δεν συναντάται ποτέ στα φύλλα. Αυτό ακριβώς το μικροπεριβάλλον έχει διαδραματίσει καταλυτικό ρόλο στη διαμόρφωση των χαρακτηριστικών της φωτοσύνθεσης του καρπού. Στους ιστούς του καρπού των A. cyanophylla, A. altissima και N. oleander η συγκέντρωση των φωτοσυνθετικών χρωστικών είναι μικρότερη από των φύλλων. Επίσης διαπιστώθηκε ότι η γραμμική ροή ηλεκτρονίων συναντά εμπόδια στην αναγωγική αλλά και την οξειδωτική πλευρά του φωτοσυστήματος ΙΙ. Αυτά τα 2
προσκόμματα έχουν ως αποτέλεσμα μία εξαιρετικά χαμηλή γραμμική ροή ηλεκτρονίων. Παράλληλα, η μη φωτοχημική απόσβεση του φθορισμού είναι υψηλότερη στους εν λόγω ιστούς πράγμα το οποίο ενδεχομένως να συνδέεται με τον επίσης υψηλότερο λόγο συνολικών καροτενοειδών προς συνολικές χλωροφύλλες. Συνεπώς, η υπόθεση ότι η φωτοσύνθεση των καρπών επανακτά το πλεονάζον CO 2 δεν επιβεβαιώνεται για τα τρία αυτά φυτά. Η χαμηλή γραμμική ροή ηλεκτρονίων ωστόσο δεν συνοδεύεται από αντίστοιχα χαμηλή κυκλική ροή. Μάλιστα, το μικρότερο μέγεθος των τελικών υποδοχέων ηλεκτρονίων του φωτοσυστήματος Ι και ο λιγοστός χρόνος που απαιτείται για την κατά το ήμισυ αναγωγή τους καταδεικνύουν ότι η κυκλική ροή ηλεκτρονίων μάλλον ευνοείται. Υπενθυμίζουμε εδώ ότι στο εσωτερικό καρπών επικρατούν ιδιάζουσες συνθήκες. Συγκεκριμένα, η συγκέντρωση του CO 2 τείνει να αυξηθεί ενώ ταυτόχρονα αυτή του O 2 είναι εξαιρετικά χαμηλή εξ αιτίας των υψηλών ρυθμών αναπνοής των σπερμάτων. Οι καρποί είναι συνεπώς ιστοί εξόχως επιρρεπείς στην υποξία. Η χαμηλή γραμμική ροή ηλεκτρονίων σε συνδυασμό με μία ενισχυμένη κυκλική ροή έχουν ως αποτέλεσμα την αύξηση του λόγου ATP/NADPH ο οποίος σε περιπτώσεις υποξίας εμφανίζεται μειωμένος. Ως εκ τούτου, προτείνεται από τον γράφοντα ότι οι χλωροπλάστες των καρπών των τριών αυτών φυτών λειτουργούν ως ρυθμιστές του λόγου ATP/NADPH και αποτρέπουν τις συνέπειες της υποξίας στους ευαίσθητους αυτούς ιστούς. Η περίπτωση του Q. coccifera διαφέρει από των υπολοίπων τριών φυτών. Οι συνολικές φωτοσυνθετικές χρωστικές είναι περισσότερες ανά μονάδα επιφάνειας στο χλωρέγχυμα της βαλάνου από ότι στα αντίστοιχα φύλλα. Η δε τιμή της ταχύτητας της γραμμικής ροής ηλεκτρονίων αλλά και η ικανότητα αφομοίωσης του CO 2 δεν παρουσιάζουν διαφορές μεταξύ των φύλλων και των περικαρπίων. Τα γεγονότα αυτά 3
σε συνδυασμό με την υψηλή πιθανότητα τα φύλλα του φυτού να φωτοαναστέλλονται την περίοδο της ανάπτυξης του καρπού υποστηρίζουν την άποψη που έχει ήδη διατυπωθεί για τη φωτοσύνθεση των καρπών, ότι δηλαδή συμβάλλει στο συνολικό ισοζύγιο άνθρακα του φυτού σε μία δυσμενή γι αυτό περίοδο. 4
ABSTRACT Fruit photosynthesis has been studied in the past in a number of species. Traditional methods of estimating photosynthetic capacity have been used and CO 2 uptake rate of fruit chlorenchyma has been found to be significantly lower when compared to the one of respective leaves. During the recent years, attempts to clarify the phenomenon have been made using chlorophyll fluorescence methods and it appears that electron transport rate (ETR) is inhibited in fruit chloroplasts. Hence, maximum photosynthetic capacity of PSII was found to be similar to that of the leaves. Therefore, it was proposed that fruit photosynthesis may contribute to the refixation of respiratory carbon dioxide. Nevertheless, scarce reports regarding the phenomenon can be found in the literature. In the present work fruit photosynthesis of four species of the Mediterranean basin was studied. Namely, of Acacia cyanophylla, Ailanthus altissima, Nerium oleander and Quercus coccifera. New and innovative chlorophyll fluorescence techniques were used along with traditional methods in order to locate possible limiting steps in photosystem function in exposed, non-stressed green fruits, while corresponding leaves served as controls. This was possible due to the analysis of polyphasic (O-K-J-I-P) fast chlorophyll fluorescence transient, which was for the first time used in these tissues. The anatomy of the fruit parenchyma was also studied, given that it plays a significant role in the shaping of photosynthetic characteristics. The specific aerial microenvorment as well as the different levels of penetrating light into the fruit chlorenchyma have also been taken into account. 5
The pericarps of three out of four studied species remain green until just before fruit maturation. A. cyanophylla and N. oleander fruits dehiscent and the seeds are then dispersed, while the cork of Q. coccifera fruit is detached from the cap-shaped bracts. A. altissima appears to be an exception to this rule as fruits remain on the maternal plant long after fruit maturation. It is notable that in the case of A. cyanophylla and N. oleander the seeds are as well green during fruit development which allowed the study of photosynthesis in these remote tissues. The number of stomata in the pericarps of A. cyanophylla, A. altissima and N. oleander is much lower than the one of corresponding leaves, while no stomata occur in Q. coccifera pericarps. This fact when combined with the presence of limited intercellular spaces in the fruits chlorenchyma as well as the high metabolic rates of the tissue, results to a specific aerial microenvironment never encountered by leaves. It is proposed that such a microenvironment has affected fruit photosynthesis characteristics. Fruits of A. cyanophylla, A. altissima and N. oleander contain less chlorophyll than leaves. Electron flow was also found to be limited both at the donor and the acceptor side of PSII. Such a limitation results in considerable reduction of the electron transport rate (ETR) values. At the same time, non photochemical quenching (NPQ) is higher in fruit tissues, which is probably related to the high Car/Chl ratio found in those tissues. Low linear electron flow does not necessarily predispose a low cyclic electron flow. As a matter of fact, the size of PSI electron end acceptors pool and the time needed for its half reduction indicate that cyclic electron flow is facilitated in these tissues. It is here important to remind the specific conditions of the fruits inside. CO 2 concentration is always higher and O 2 concentration is always lower than in the outer 6
atmosphere because of high respiration rates. Therefore, fruit tissues may suffer from hypoxia. A low linear electron flow combined with a higher cyclic electron flow elevates the ATP/NADPH ratio, which is regularly lower in hypoxic tissues. So, a function for fruit chloroplasts of these three species as valves for the adjustment of ATP/NADPH ratios is proposed. The case of Q. coccifera differs from the other species studied. The pericarps of the plant contain more chlorophylls than the respective leaves. Moreover, electron transport rates and CO 2 assimilation rates were found to be similar with these of the leaves. These findings along with potential photoinhibition of the plant leaves during fruit development support the hypothesis already stated for fruit photosynthesis, namely that it may contribute to the overall carbon equilibrium of the plant. 7
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο καρπός 1. Ορισμός Τα στοιχειώδη μέρη του καρπού προέρχονται από την ωοθήκη, και αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο στο καρπό είχε αποδοθεί παλαιότερα ο όρος γονιμοποιημένη ωοθήκη. Ένας τέτοιος ορισμός είχε ωστόσο περιορισμούς, καθώς σε πολλά είδη συμμετέχουν και άλλα τμήματα του άνθους στη δημιουργία του καρπού. Σε αυτές τις περιπτώσεις χρησιμοποιείτο ο όρος ψευδείς καρποί. Αργότερα ο καρπός ορίσθηκε ως το ώριμο γυναικείον για να συμπεριλάβει με τον τρόπο αυτό τους ιστούς που περιβάλλουν τα καρπόφυλλα. Πιο ακριβής θεωρείται ο όρος άνθος κατά τη περίοδο της ωρίμανσης των σπερμάτων έτσι ώστε να λαμβάνονται επίσης υπ όψιν τα σέπαλα, τα πέταλα, οι στήμονες, τα βράκτια, ή όποιο άλλο μέρος του άνθους συμμετέχει στη δημιουργία του καρπού (Roth, 1977). Κι ένας τέτοιος ορισμός ωστόσο μπορεί να μην είναι απολύτως επαρκής, καθώς υπάρχουν καρποί που σχηματίζονται χωρίς να αναπτυχθούν σπέρματα (παρθενοκαρπία), όπως σε κάποια είδη μπανανιάς, πορτοκαλιάς κ.α.. Εν πάσει περιπτώσει, σύγχρονοι συγγραφείς αποδεχόμενοι εν πολλοίς τον τελευταίο ορισμό αναφέρουν τον καρπό ως το όργανο εκείνο του φυτού που προέρχεται από το άνθος, περικλείει τα σπέρματα μέχρι να ωριμάσουν και συμμετέχει με διάφορους τρόπους στην επιτυχή διάδοσή τους (Χριστοδουλάκης & Ψαράς, 2001). 8
2. Κατηγοριοποίηση των καρπών Η κατηγοριοποίηση των καρπών παραμένει ένα δυσεπίλυτο πρόβλημα, παρά τις πολυάριθμες και επίπονες προσπάθειες προς αυτή την κατεύθυνση. Αρκετοί επιστήμονες επεχείρησαν να κατατάξουν τους καρπούς συγκρίνοντας ομόλογες δομές, ωστόσο σε κάθε περίπτωση δόθηκε μεγαλύτερη έμφαση σε διαφορετικά μορφολογικά γνωρίσματα με αποτέλεσμα να προκύψουν διαφωνίες. Η Roth (1977) συνόψισε όλα τα χαρακτηριστικά εκείνα, τα οποία έχουν χρησιμοποιηθεί για να κατηγοριοποιηθούν οι καρποί. Ονομαστικά, τα γνωρίσματα αυτά είναι τα εξής: i. διάταξη των καρποφύλλων ii. βαθμός συμφύσεως καρποφύλλων iii. αριθμός καρποφύλλων iv. τύπος πλακούντα v. συμμετοχή του ανθικού άξονα στη δημιουργία του καρπού vi. αριθμός σπερμάτων vii. διάρρηξη καρπού viii. διαχωρισμός του καρπού σε μερικάρπια ix. σύσταση του περικαρπίου x. ύπαρξη πρόσθετων τμημάτων xi. σύμπτυξη καρπών σε συγκάρπια Η ανάλυση των διαφωνιών που έχουν προκύψει κατά τη κατηγοριοποίηση των καρπών και οι επί μέρους κατατάξεις δεν αποτελούν σκοπό αυτής της εργασίας. Ακολουθεί μια κατάταξη (Φοίτος, 1984) η οποία κρίνεται επαρκής για τη παρούσα διατριβή κατά τη γνώμη του γράφοντος. 9
I. Ξηροί καρποί Στην κατηγορία αυτή το περικάρπιο είναι σκληρεγχυματικό. Αναλόγως του αν οι καρποί αυτοί διαρρηγνύονται κατά την ωρίμανση και ελευθερώνουν τα σπέρματα ή παραμένουν κλειστοί, διακρίνονται σε διαρρηκτούς και αδιάρρηκτους. A. Διαρρηκτοί (Εικόνα 1) 1. Λοβός ή χέδρωψ: Προέρχεται από ένα καρπόφυλλο και ανοίγει με δύο επιμήκεις σχισμές, κατά μήκος της ραφής και του μέσου νεύρου του καρποφύλλου (π.χ. φασόλι). 2. Θύλακος: Προέρχεται από ένα καρπόφυλλο και ανοίγει μόνο κατά μήκος της ραφής. 3. Κάψα: Προέρχεται από δύο καρπόφυλλα και ανοίγει με διάφορους τρόπους (π.χ. παπαρούνα). Συγκεκριμένα: i. Φραγμορραγής: ανοίγει κατά μήκος της ραφής των καρποφύλλων. ii. Τοιχορραγής: ανοίγει με μία ραχιαία σχισμή κάθε καρποφύλλου. iii. iv. Φραγμόλυτη: ανοίγει με εγκάρσια σχισμή. Πορορραγής: ανοίγει με πόρους σε καθορισμένες θέσεις της κάψας 4. Κέρας: Προέρχεται από δύο καρπόφυλλα, μεταξύ των οποίων υπάρχει διάφραγμα που φέρει τα σπέρματα (π.χ. λάχανο). 5. Θραυστόκαρπος: Προέρχεται από δύο η περισσότερα καρπόφυλλα, τα οποία κατά την ωρίμανση χωρίζονται σε μονόσπερμα τμήματα (π.χ. βασιλικός). 10
Εικόνα 1. Διαγράμματα τυπικών ξηρών διαρρηκτών καρπών. B. Αδιάρρηκτοι (Εικόνα 2) 1. Κάρυο: Καρπός του οποίου το περικάρπιο είναι δερματώδες ή ξηρό και πολύ συχνά σκληρό και ξυλώδες (π.χ. φουντούκι). 2. Αχαίνιο: Καρπός ανάλογος του καρύου, ωστόσο μικρότερος. Επιπλέον το σπέρμα στηρίζεται στο περικάρπιο με τον ομφαλικό ιμάντα (π.χ. μαργαρίτα). 3. Καρύοψη: Καρπός επίσης ανάλογος με το κάρυο, με τη διαφορά ότι το περισπέρμιο είναι ενωμένο με το περικάρπιο (π.χ. σιτάρι). 4. Σαμάρα: Κάρυο, του οποίου το περικάρπιο σχηματίζει πτέρυγες και συνήθως έχει συμμετρική κατασκευή. 5. Σχιζόκαρπος: Διαθέτει περισσότερα από δύο μονόσπερμα καρπόφυλλα, τα οποία κατά την ωρίμανση διαχωρίζονται και παραμένουν κρεμάμενα σε ένα μεσαίο στύλο, που ονομάζεται καρποφόριο (π.χ. γεράνι). 11
Εικόνα 2. Διαγράμματα τυπικών ξηρών αδιάρρηκτων καρπών. II. Σαρκώδεις καρποί (Εικόνα 3) A. Απλοί σαρκώδεις καρποί Οι καρποί αυτοί προέρχονται από μία ωοθήκη και διακρίνονται σε: 1. Ράγα: Το περικάρπιο είναι σαρκώδες και μερικές φορές έχει δερματώδες περίβλημα. Προέρχεται από ένα ή περισσότερα καρπόφυλλα και έχει ένα ή πολλά σπέρματα (π.χ. τομάτα) 2. Δρύπη: Το περικάρπιο διαφοροποιείται σε λεπτό εξωκάρπιο, σαρκώδες μεσοκάρπιο και πολύ σκληρό ξηλώδες ενδοκάρπιο, που περιβάλλει μόνο ένα σπέρμα (π.χ. μήλο). Εικόνα 3. Διάγραμμα τυπικού σαρκώδους καρπού. 12
B. Συγκάρπια ή κοινοκάρπια (Εικόνα 4) Καρποί που προκύπτουν από τη σύμφυση των τοιχωμάτων των ωοθηκών ενός άνθους. Εικόνα 4. Διάγραμμα τυπικού συγκαρπίου. Γ.Σύνθετοι σαρκώδεις καρποί (Εικόνα 5) Συνίστανται από ένα σύνολο ξεχωριστών απλών καρπών, που προέρχονται από τις μη συμφυώμενες ωοθήκες των ανθέων μιας ταξιανθίας και συγκρατούνται κατά την ωρίμανσή τους από τον ανθικό άξονα ή από άλλα μέρη του άνθους. Εικόνα 5. Διαγράμματα τυπικών σύνθετων καρπών. 13
3. Το περικάρπιο Τα τοιχώματα της γονιμοποιημένης ωοθήκης κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης μετατρέπονται στο περικάρπιο του ώριμου καρπού. Στη δρύπη το περικάρπιο διαφοροποιείται συνήθως σε τρία διακριτά στρώματα: το εξωκάρπιο, το μεσοκάρπιο και το ενδοκάρπιο. Για το εξωκάρπιο χρησιμοποιείται και ο όρος επικάρπιο ενώ το μεσοκάρπιο αναφέρεται συχνά στους σαρκώδεις καρπούς ως σαρκοκάρπιο. Καθώς στο περικάρπιο πολλών καρπών και όχι αποκλειστικά αυτών που ανήκουν στη κατηγορία δρύπη διακρίνονται εσωτερικά και εξωτερικά στρώματα, οι όροι εξωκάρπιο, μεσοκάρπιο και ενδοκάρπιο είναι επίσης σε χρήση. Το εξωκάρπιο συνιστά το προστατευτικό περίβλημα του καρπού και συνήθως αποτελείται από μονόστοιβη επιδερμίδα, στην οποία σε πολλά είδη εντοπίζονται στόματα. Δεν είναι όμως σπάνια η παρουσία υποεπιδερμικών στρωμάτων, όπως επί παραδείγματι κολλεγχυματικές υποδερμίδες, τα οποία συμπεριλαμβάνονται με την ευρεία έννοια στο εξωκάρπιο. Το μεσοκάρπιο βρίσκεται μεταξύ του εξωκαρπίου και του ενδοκαρπίου και αποτελείται συνήθως από συμπαγή παρεγχυματικό ιστό. Το ενδοκάρπιο, υπό την αυστηρή έννοια, δεν είναι παρά η εσωτερική επιδερμίδα του περικαρπίου, η οποία, όπως και η άνω, μπορεί να διαθέτει στόματα. Ωστόσο και εδώ σχηματίζονται υποεπιδερμικά στρώματα σκληρεγχυματικής συνήθως φύσεως (σκληροκάρπιο) με σκοπό τη προστασία του σπέρματος, και τα οποία συμπεριλαμβάνονται στο γενικό όρο ενδοκάρπιο. Το περικάρπιο επιτελεί πλήθος διαφορετικών λειτουργιών και συνήθως η δομή του είναι συνδεδεμένη με αυτές τις λειτουργίες. Κατ αρχάς, το περικάρπιο προστατεύει και περικλείει το σπέρμα. Για το λόγο αυτό είναι πολύ συχνή η παρουσία σκληρεΐδων και σκληρεγχυματικών κυττάρων. Σε μερικές μάλιστα ακραίες περιπτώσεις το περικάρπιο μπορεί να είναι πλήρως σκληροποιημένο. Αξίζει δε να 14
τονισθεί ότι υπάρχει σχέση μεταξύ της σκληρότητας του περικαρπίου και αυτής του σπερματικού περιβλήματος. Όταν το περικάρπιο είναι αρκετά σκληρό, το σπερματικό περίβλημα μπορεί να αποτελείται μονό από παρεγχυματικά κύτταρα ή και να αποικοδομείται τελείως. Αντιθέτως, όταν το σπερματικό περίβλημα είναι αρκούντως σκληρό, το πάχος του περικαρπίου μειώνεται και ο βαθμός σκληροποίησής του είναι σαφώς μικρότερος. Ένας επίσης σημαντικός ρόλος, τον οποίο καλείται να διαδραματίσει το περικάρπιο, είναι η διασπορά των σπερμάτων. Εν προκειμένω, είναι πολύ σημαντική η δομή του περικαρπίου. Σε διαρρηκτούς καρπούς απαιτείται η ύπαρξη συγκεκριμένων μορφολογικών χαρακτηριστικών καθώς και διαφοροποιημένων ιστών, ώστε να επιτευχθεί η διάρρηξη. Στους σαρκώδεις καρπούς, το σαρκοκάρπιο είναι αυτό που βοηθά στη διασπορά των σπερμάτων προσελκύοντας καταναλωτές. Στους δε ξηρούς και αδιάρρηκτους καρπούς συγκεκριμένα τμήματα του καρπού, όπως τα πτερύγια και οι τρίχες, συμβάλλουν στη διασπορά με την αρωγή βέβαια του ανέμου ή των ζώων. Επιπλέον, το περικάρπιο φροντίζει για την ομαλή ανάπτυξη των σπερμάτων. Αφενός μεν διατηρεί μια ικανοποιητική υγρασία, αφετέρου δε αποθηκεύει τεράστιες ποσότητες υλικών, τα όποια χρειάζεται το σπέρμα για να ωριμάσει. Συνοψίζοντας λοιπόν, ο κύριος ρόλος του περικαρπίου είναι να προστατέψει το σπέρμα, να το θρέψει αλλά και να φροντίσει για την επιτυχέστερη δυνατή διάδοσή του. Τις παραπάνω λειτουργίες τις εγγυώνται τα διαφορετικά ανά περίσταση μορφολογικά χαρακτηριστικά του. 15
4. Το σπέρμα Μετά τη γονιμοποίηση, η σπερματική βλάστη μετατρέπεται σε σπέρμα. Οι μεταβολές που αυτή υφίσταται κατά τη μετατροπή της σε σπέρμα είναι οι εξής: α. ανάπτυξη του ζυγώτη σε έμβρυο β. δημιουργία ενδοσπερμίου από το αντίστοιχο κύτταρο γ. μετατροπή των χιτώνων της σπερματικής βλάστης σε σπερματικό περίβλημα δ. απορρόφηση ή αποδιοργάνωση του ιστού nucellus. Σε κάποια είδη ο ιστός nucellus μπορεί να παραμείνει στο σπέρμα ως περισπέρμιο. Το έμβρυο προκύπτει από το διπλοειδές ζυγωτικό κύτταρο και διαθέτει μία ή δύο κοτυληδόνες. Το σπερματικό περίβλημα είναι σκληρό για την καλύτερη δυνατή προστασία του εμβρύου, αν και, όπως προανεφέρθη, το περικάρπιο μπορεί να υποκαταστήσει το σπερματικό περίβλημα σε αυτό το ρόλο. Σε πολλά είδη το ενδοσπέρμιο και το περισπέρμιο χρησιμοποιούνται από το έμβρυο για την ανάπτυξή του, ενώ σε άλλα το ενδοσπέρμιο αποθηκεύει πληθώρα υλικών με σκοπό την υποστήριξη της ανάπτυξης του αρτιβλάστου (π.χ. αγρωστώδη). Τα σπέρματα εξασφαλίζουν τη διάδοση των φυτών και τη διατήρηση τους κατά τη διάρκεια δυσμενών περιόδων. Γι αυτό το σκοπό, έχουν αναπτύξει μια σειρά μορφολογικών και άλλων γνωρισμάτων. Επί παραδείγματι, πολλά σπέρματα είναι ελαφριά και διαθέτουν ειδικά εξαρτήματα (π.χ. πάππος) που διευκολύνουν τη διάδοση μέσω του ανέμου (ανεμοχωρία). Άλλα σπέρματα διασπείρονται με τη βοήθεια των ζώων είτε αγκιστρούμενα σε αυτά με διάφορα εξαρτήματα, είτε με τη κατανάλωση από τα ζώα του περικαρπίου και την αποβολή εν συνεχεία των σπερμάτων μέσω των περιττωμάτων (ζωωχωρία). Τέλος, πολλά σπέρματα επιπλέουν στο νερό και κατ αυτόν τον τρόπο διασπείρονται (υδροχωρία). 16
Φωτοσύνθεση 1. Εισαγωγή Όλη η ενέργεια που καταναλώνεται από τα βιολογικά συστήματα στο πλανήτη προέρχεται από την ηλιακή ενέργεια, την oποία τα φυτά καθώς και άλλοι οργανισμοί (κυανοβακτήρια, φύκη) έχουν την ικανότητα να παγιδεύουν μέσω της φωτοσύνθεσης. Η φωτοσύνθεση είναι μία αναβολική διαδικασία, η οποία στα ανώτερα φυτά λαμβάνει χώρα σε εξειδικευμένα κυτταρικά οργανίδια, τους χλωροπλάστες. Η βασική της εξίσωση είναι παραπλανητικά απλή: φως Η 2 Ο + CO 2 (CH 2 O) + O 2 Ωστόσο, στη πραγματικότητα η φωτοσύνθεση είναι μία εξαιρετικά πολύπλοκη διαδικασία, η οποία διαχωρίζεται σε δύο επιμέρους τμήματα. Τις φωτεινές και τις λεγόμενες σκοτεινές αντιδράσεις. Οι φωτεινές αντιδράσεις αποτελούν το καθαρά φωτοεξαρτώμενο τμήμα της φωτοσύνθεσης, και κατά τη διάρκειά τους η ηλιακή ενέργεια παγιδεύεται στους χλωροπλάστες και μετατρέπεται σε χρήσιμη ενέργεια υπό μορφή μορίων υψηλής ελεύθερης ενέργειας (ATP) και αναγωγικής δύναμης (NADPH). Τα προϊόντα αυτά των φωτεινών αντιδράσεων χρησιμοποιούνται άμεσα στις σκοτεινές αντιδράσεις, οι οποίες αποτελούν το καθαρά βιοσυνθετικό στάδιο της διαδικασίας, δηλαδή αυτό κατά το οποίο καθηλώνεται το CO 2 της ατμόσφαιρας. Πριν όμως αναφερθούμε εκτενέστερα στα δύο αυτά τμήματα της φωτοσύνθεσης, κρίνεται αναγκαία η παρουσίαση των οργανιδίων, στα οποία λαμβάνει χώρα η φωτοσύνθεση στα ανώτερα φυτά, αλλά και των βιομορίων αυτών που είναι υπεύθυνα για τη παγίδευση της φωτεινής ενέργειας. 17
2. Χλωροπλάστες Οι χλωροπλάστες (Εικόνα 6) ανήκουν στα πλαστίδια, τα οποία είναι μια ομάδα οργανιδίων, τυπικών των ευκαρυωτικών κυττάρων. Στα θυλακοειδή πλαστίδια ανήκουν, Εικόνα 6. Τρισδιάστατη αναπαράσταση χλωροπλάστη. εκτός των χλωροπλαστών, τα προπλαστίδια, οι χρωμοπλάστες, οι ωχροπλάστες και οι λευκοπλάστες. Διαθέτουν, όπως και τα μιτοχόνδρια, την ικανότητα να διαιρούνται αυτοτελώς και μπορούν να παράγουν αρκετές από τις πρωτεΐνες που χρειάζονται για τη λειτουργία τους. Περιβάλλονται, όπως ο πυρήνας και τα μιτοχόνδρια, από διπλή μεμβράνη, η οποία καλείται πλαστιδιακός φάκελος. Διαθέτουν εσωτερικό σύστημα αναδιπλούμενων μεμβρανών. Το σύστημα αυτών των μεμβρανών είναι εν συγκρίσει με τα υπόλοιπα πλαστίδια ιδιαιτέρως ανεπτυγμένο στους χλωροπλάστες. Τα πλατιά σακίδια μεμβρανών που διατρέχουν το στρώμα καλούνται θυλακοειδή του στρώματος. Σε κάποια σημεία τα θυλακοειδή αναδιπλώνονται και σχηματίζουν συστοιχίες, τα λεγόμενα grana. Τα θυλακοειδή αυτά καλούνται θυλακοειδή των grana. Στις μεμβράνες των θυλακοειδών είναι αγκιστρωμένες οι φωτοσυνθετικές χρωστικές. Επίσης, εντοπίζονται ένζυμα και μόρια τα οποία συμμετέχουν στη μεταφορά ηλεκτρονίων, όπως κινόνες και κυτοχρώματα. Στο στρώμα εντοπίζονται DNA, RNA, ριβοσώματα, ένζυμα απαραίτητα για τη καθήλωση του CO 2 καθώς και διάφορα έγκλειστα. 18
2. Φωτοσυνθετικές χρωστικές Τα μόρια τα οποία παγιδεύουν τη φωτεινή ενέργεια φωτοσυνθετικές καλούνται χρωστικές και κατατάσσονται σε δύο κύριες κατηγορίες: τις χλωροφύλλες και τα καρωτινοειδή. χλωροφύλλες Οι (χλωροφύλλη a/chla και χλωροφύλλη Εικόνα 7. Αναπαράσταση μορίου χλωροφύλλης. b/chlb) είναι λιποδιαλυτές οργανικές ενώσεις και κατατάσσονται στις πορφυρίνες (Εικόνα 7). Αποτελούνται από τέσσερις πυρρολικούς δακτυλίους. Τα τέσσερα άτομα αζώτου των δακτυλίων συνδέονται με ένα άτομο μαγνησίου, το οποίο τοποθετείται στο κέντρο του μορίου. Στο δεύτερο πυρρολικό δακτύλιο η Chla φέρει μεθυλομάδα, ενώ η Chlb αλδεϋδομάδα. Στον δε τέταρτο πυρρολικό δακτύλιο συνδέεται με εστερικό δεσμό μία πλευρική αλυσίδα αποτελούμενη από 20 άτομα άνθρακα, η φυτόλη. Η φυτόλη είναι μία τερπενική αλκοόλη απαρτιζόμενη από 4 μονάδες ισοπρενίου και αποτελεί τη λιπόφιλη ουρά του μορίου. Εξυπηρετεί στη διευθέτηση των μορίων χλωροφύλλης πάνω στις μεμβράνες των θυλακοειδών. Οι χλωροφύλλες έχουν μέγιστα απορρόφησης στη κυανή και ερυθρή περιοχή του ορατού φάσματος και σε αυτό το γεγονός οφείλεται το πράσινο χρώμα των φύλλων (Εικόνα 8). Συγκεκριμένα, σε διάλυμα αιθέρα το φάσμα απορρόφησης της Chla εμφανίζει αιχμές στα 430 nm και στα 662 nm. Τα αντίστοιχα μέγιστα για τη Chlb είναι στα 445 nm και στα 643 nm. Τα φάσματα απορρόφησης in vitro 19
εξαρτώνται από το χρησιμοποιούμενο διαλύτη ενώ in vivo μετατοπίζονται αιτίας συμπλόκων εξ των που σχηματίζουν οι Εικόνα 8. Φάσματα απορρόφησης χλωροφυλλών χρωστικές με πρωτεΐνες. Τα καρωτινοειδή είναι τερπενοειδείς ενώσεις αποτελούμενες από οκτώ μονάδες ισοπρενίου, δηλαδή 40 άτομα άνθρακα. Κατατάσσονται δε σε δύο κατηγορίες: α. τα καροτένια που αποτελούνται μόνο από C και H (καθαροί υδρογονάνθρακες) β. τις ξανθοφύλλες που αποτελούνται από C, H και Ο (οξειδωμένες μορφές καροτενίων). Τα καρωτινοειδή απορροφούν κυρίως στη Απορρόφηση κυανή περιοχή του ορατού φάσματος και λιγότερο στη πράσινη (Εικόνα 9). Το κυριότερο καροτένιο είναι το β-καροτένιο και οι συχνότερα απαντώμενες Μήκος κύματος nm Εικόνα 9. Φάσμα απορρόφησης του β- καροτένιου. ξανθοφύλλες είναι η λουτεΐνη, η βιολαξανθίνη και η νεοξανθίνη. 20
Οι φωτοσυνθετικές χρωστικές από λειτουργικής απόψεως διακρίνονται σε κύριες ή φωτοχημικά ενεργές και βοηθητικές. Κύριες φωτοσυνθετικές χρωστικές είναι αυτές στις οποίες η απορρόφηση φωτός οδηγεί στη μεταφορά ενός ηλεκτρονίου. Με τον τρόπο αυτό μπαίνει σε κίνηση η γραμμική ροή ηλεκτρονίων η οποία θα καταλήξει στη παραγωγή αναγωγικής δύναμης (NADPH) και ATP όπως θα αναλυθεί εκτενώς στην επόμενη ενότητα. Βοηθητικές είναι οι φωτοσυνθετικές χρωστικές οι οποίες αποδιεγείρονται μεταφέροντας την ενέργειά τους σε γειτονικό μόριο χλωροφύλλης. Κύριες φωτοσυνθετικές χρωστικές είναι συνεπώς μόνο τα μόρια της χλωροφύλλης a που βρίσκονται στο φωτοχημικό κέντρο των δύο φωτοσυστημάτων, για τα οποία ιδιαίτερη μνεία θα γίνει στην επόμενη ενότητα. Βοηθητικές φωτοσυνθετικές χρωστικές είναι τα υπόλοιπα μόρια της χλωροφύλλης a, τα μόρια της χλωροφύλλης b καθώς και τα καρωτινοειδή. Αυτές οι χρωστικές μεταφέρουν την ενέργεια που απορροφήθηκε μέσω μεταφοράς παλμού στις κύριες φωτοσυνθετικές χρωστικές. Σε ορισμένα είδη φυκών απαντώνται και άλλες βοηθητικές χρωστικές, συγκεκριμένα δε η χλωροφύλλη c και η χλωροφύλλη d αντί της χλωροφύλλης b. Τέλος, στα αναερόβια βακτήρια εντοπίζονται ειδικές μορφές χλωροφυλλών, οι βακτηριοχλωροφύλλες. 3. Φωτεινές αντιδράσεις Οι φωτεινές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα στα θυλακοειδή των χλωροπλαστών. Στην Εικόνα 10 αποδίδονται σχηματικά. Εξ αιτίας του σχήματος καθίσταται κατανοητός ο λόγος για τον οποίο στις φωτεινές αντιδράσεις έχει αποδοθεί ο όρος σχήμα Ζ της φωτοσύνθεσης. Για να μπει σε κίνηση η γραμμική ροή ηλεκτρονίων είναι απαραίτητη η αρμονική συνεργασία δύο συμπλόκων: του φωτοσυστήματος Ι (PSI) και του φωτοσυστήματος ΙΙ (PSII). 21
Εικόνα 10. Το σχήμα Ζ της φωτοσύνθεσης Το φωτοσύστημα II αποτελείται από μία φωτοσυλλεκτική κεραία, έναν πυρήνα με ένα φωτοχημικό κέντρο αντίδρασης και από το σύμπλοκο έκλυσης οξυγόνου (oxygen evolving complex OEC). Η φωτοσυλλεκτική κεραία (Light Harvesting Complex, LHC II), αποτελείται από περίπου 200 μόρια χλωροφύλλης a και χλωροφύλλης b, δεσμευμένα πάνω σε πολυπεπτιδικές αλυσίδες. Τα μόρια αυτά απορροφούν ηλιακή ενέργεια και διεγείρονται. Αποδιεγειρόμενα μεταφέρουν συντονισμένα την ενέργεια στο κέντρο αντίδρασης του φωτοσυστήματος ΙΙ και συγκεκριμένα σε ένα μόριο χλωροφύλλης a, το οποίο παρουσιάζει μέγιστο απορρόφησης στα 680 nm (P680). Η απορρόφηση της ενέργειας από αυτό το μόριο έχει ως αποτέλεσμα τη μεταφορά ηλεκτρονίου σε μία δεσμευμένη πορφυρίνη, τη φαιοφυτίνη, την οποία και ανάγει. Ταχύτατα, το ηλεκτρόνιο μεταφέρεται σε μία δεσμευμένη κινόνη, τη κινόνη Α (Q A ), η οποία αποτελεί τον πρώτο σταθερό αποδέκτη ηλεκτρονίων. Η κινόνη Α μεταφέρει το ηλεκτρόνιο σε μία δεύτερη κινόνη, την κινόνη Β (Q B ). Όταν, με την ίδια διαδικασία, και δεύτερο ηλεκτρόνιο μεταφερθεί στη κινόνη Β, αυτή αποδεσμεύεται από τα θυλακοειδή και απελευθερώνεται συνδεδεμένη με μία πρωτεΐνη μοριακού βάρους 32 kd στην υδρόφοβη περιοχή της 22
μεμβράνης. Το ενεργό κέντρο του PSII, έχοντας μεταφέρει το ηλεκτρόνιο στη φαιοφυτίνη, είναι μία ισχυρή οξειδωτική ουσία. Η αναγωγή της επιτυγχάνεται μέσω της διάσπασης του νερού με τη βοήθεια ενός υδροδιασπόντος ενζύμου. Το ένζυμο αυτό περιέχει στο καταλυτικό κέντρο του ένα σύμπλοκο με τέσσερα ιόντα μαγγανίου. Το σύμπλοκο αυτό οξειδώνεται από το ανηγμένο κέντρο αντίδρασης του PSII διερχόμενο διαδοχικά πέντε καταστάσεις με διαφορετικούς αριθμούς οξείδωσης και τελικά απελευθερώνει μοριακό Ο 2. Η αξία του συμπλόκου έγκειται στην ικανότητά του να συσσωρεύει ηλεκτρικό φορτίο και να παράγει O 2 χωρίς την παράλληλη δημιουργία επιβλαβών μερικά ανηγμένων ενδιάμεσων. Τα ηλεκτρόνια που προέρχονται από το PSII έχουν αποθηκευτεί στην ελεύθερη κινόνη Β ή πλαστοκινόνη (PQ). Επόμενος σταθμός στη ροή ηλεκτρονίων είναι το σύμπλοκο κυτοχρωμάτων bf. Αυτό καταλύει τη μεταφορά ηλεκτρονίων στη πλαστοκυανίνη (PC) αντλώντας παράλληλα πρωτόνια διαμέσου της μεμβράνης των θυλακοειδών. Το φωτοσύστημα Ι διαθέτει μία επικουρική και μία κύρια φωτοσυλλεκτική κεραία (LHC I). Η επικουρική περιέχει 70 μόρια χλωροφύλλης a αλλά και χλωροφύλλης b, ενώ η κύρια 130 μόρια χλωροφύλλης a. Η φωτεινή ενέργεια διοχετεύεται προς τη κύρια φωτοσυνθετική χρωστική του κέντρου αντίδρασης του PSI (μέγιστο απορρόφησης στα 700 nm P700) και τούτο έχει ως αποτέλεσμα τη μεταφορά ηλεκτρονίου σε μία χλωροφύλλη δέκτη, την Α 0. Το κέντρο αντίδρασης δέχεται εν συνεχεία ένα ηλεκτρόνιο από την πλαστοκυανίνη και επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση. Από την ανηγμένη A 0 το ηλεκτρόνιο θα καταλήξει μέσω μίας σειράς σιδηροθειούχων πρωτεϊνών στη φερρεδοξίνη, η οποία είναι μία υδατοδιαλυτή πρωτεΐνη που περιέχει ένα κέντρο 2Fe-2S. Τα ηλεκτρόνια δύο μορίων φερρεδοξίνης μεταφέρονται στο NADP + για τη παραγωγή του NADPH 2. Κατά τη διάρκεια αυτής 23
της διαδικασίας επιπλέον πρωτόνια αντλούνται διαμέσου της μεμβράνης και εντείνεται η βαθμίδωση πρωτονίων μεταξύ των δύο πλευρών, με όξινη την εσωτερική πλευρά. Αυτή ακριβώς η βαθμίδωση πρωτονίων είναι η κινητήριος δύναμη για τη παραγωγή ATP μέσω ενός ενζύμου, της ATP συνθετάσης που εδράζεται στις μεμβράνες των θυλακοειδών. Η διαδικασία αυτή καλείται φωτοφωσφορυλίωση. Η ροή ηλεκτρονίων, όπως εκτενώς περιγράφηκε στις προηγούμενες παραγράφους είναι γραμμική και ως αποτέλεσμα έχει τη παραγωγή ενέργειας υπό μορφή ATP και αναγωγικής δύναμης υπό μορφή NADPH 2. Τα προϊόντα αυτά θα χρησιμοποιηθούν άμεσα στις σκοτεινές αντιδράσεις για την αναγωγή του CO 2 του περιβάλλοντος σε υδατάνθρακες και άλλα μόρια. Ωστόσο, υπάρχει και μία εναλλακτική ροή ηλεκτρονίων. Εν προκειμένω, τα ηλεκτρόνια της φερρεδοξίνης δεν καταλήγουν στο NADP + αλλά στο σύμπλοκο κυτοχρωμάτων bf. Ουσιαστικά πρόκειται για μία κυκλική ροή γύρω από το PSI. Το αποτέλεσμα είναι να μην παράγεται NADPH 2 αλλά να ενισχύεται η βαθμίδωση πρωτονίων, γεγονός το οποίο οδηγεί σε μεγαλύτερη παραγωγή ATP. Η διαδικασία αυτή καλείται κυκλική φωτοφωσφορυλίωση και σε αυτή δε συμμετέχει το PSII. Κατά κανόνα συμβαίνει όταν δεν υπάρχει διαθέσιμο NADP + λόγω υψηλού λόγου NADPH 2 προς NADP +. Επίσης, φαίνεται να ευνοείται σε περιπτώσεις που πρέπει να ρυθμιστεί ο λόγος NADPH/ATP. 4. Σκοτεινές αντιδράσεις Οι σκοτεινές αντιδράσεις αποτελούν το καθαρά βιοχημικό τμήμα της φωτοσύνθεσης. Σε αυτό το στάδιο καθηλώνεται το CO 2 της ατμόσφαιρας και παράγονται ανηγμένες οργανικές ενώσεις. Το ένζυμο που καθηλώνει το CO 2 ονομάζεται καρβοξυλάση - οξυγονάση της 1,5-διφωσφορικής ριβουλόζης (στα 24
αγγλικά σε συντομογραφία Rubisco), το οποίο εντοπίζεται στο στρώμα του χλωροπλάστη. Αποτελείται από οκτώ μεγάλες υπομονάδες (L, 56 kd) και οκτώ μικρές (S, 14 kd). Βρίσκεται σε πολύ μεγάλες ποσότητες στους χλωροπλάστες, αποτελώντας πολύ μεγάλο ποσοστό της συνολικής πρωτεΐνης τους. Το μόριο δέκτης του CO 2 είναι η 1,5-διφωσφορική ριβουλόζη, ένα σάκχαρο με 5 άτομα άνθρακα και δύο φωσφορικές ομάδες. Από την καρβοξυλίωση την οποία καταλύει η Rubisco παράγεται ένα ασταθές προϊόν με έξι άτομα άνθρακα που διασπάται ταχύτατα σε δύο μόρια 3-φωσφογλυκερινικού οξέος (PGA). Εν συνεχεία, το PGA ανάγεται σε 3-φωσφογλυκεριναλδεΰδη (τριόζη). Πρόκειται περί μίας ενδεργονικής αντίδρασης. Για να πραγματοποιηθεί καταναλώνονται τα προϊόντα των φωτεινών αντιδράσεων. Συγκεκριμένα, ένα μόριο ATP και ένα μόριο NADPH 2 για κάθε μόριο PGA που ανάγεται. Το τελικό στάδιο της διαδικασίας είναι αυτό κατά το οποίο αναγεννάται το μόριο δέκτης. Τα 5/6 των παραγόμενων μορίων της τριόζης χρησιμοποιούνται για την αναγέννηση της 1,5-διφωσφοριβουλόζης και το 1/6 θα Εικόνα 11. Ο κύκλος του Calvin ή C3 κύκλος. 25
διατεθεί για την βιοσύνθεση μίας σειράς χρήσιμων για το φυτό προϊόντων: κυρίως εξοζών αλλά επίσης πρωτεϊνών και λιπαρών οξέων. Από τις εξόζες παράγεται ο δισακχαρίτης σακχαρόζη για μεταφορά στο υπόλοιπο φυτό ή ο πολυσακχαρίτητς άμυλο για αποταμίευση στο χλωροπλάστη. Ο κύκλος που μόλις περιγράψαμε καλείται κύκλος του Calvin ή C3 κύκλος επειδή το πρώτο σταθερό προϊόν του διαθέτει τρία άτομα άνθρακα. Στην Εικόνα 11 αναπαρίστανται σχηματικά οι βιοχημικές διαδικασίες που συνιστούν τον C3 κύκλο. Εκτός από τον C3 κύκλο στα περισσότερα φυτά λαμβάνει χώρα παράλληλα ένας δεύτερος κύκλος, ο C2. Είναι γνωστός και ως φωτοαναπνοή διότι συμβαίνει μόνο στο φως και έχει ως αποτέλεσμα την κατανάλωση Ο 2 και την έκλυση CO 2. Οφείλεται στο γεγονός ότι η Rubisco δεν δρα μόνο ως καρβοξυλάση. Με υπόστρωμα το οξυγόνο δρα και ως οξυγονάση. Με βάση τα σημερινά επίπεδα συγκέντρωσης οξυγόνου και διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, η φωτοαναπνοή είναι υπεύθυνη για την απώλεια περίπου 25-50% του CO 2 που καθηλώνεται. Σε αντίθεση με τον C3 κύκλο, ο κύκλος C2 λαμβάνει χώρα σε περισσότερα του ενός οργανίδια του κυττάρου. Το πρώτο προϊόν που παράγεται στους χλωροπλάστες είναι το 2- φωσφογλυκολικό οξύ το οποίο μετατρέπεται σε γλυκολικό προτού εισέλθει στα περοξεισώματα. Επίσης παράγεται 3-φωσφογλυκερινικό, το οποίο χρησιμοποιείται στον κύκλο του Calvin. Το γλυκολικό στα περοξεισώματα οξειδώνεται από μοριακό οξυγόνο και παράγεται γλυοξυλικό οξύ και το επικίνδυνο υπεροξείδιο του υδρογόνου, το οποίο διασπάται ταχέως από ένζυμα των περοξεισωμάτων. Ακολουθεί μία τρανσαμίνωση, δηλαδή η μεταφορά μιας αμινομάδας προς το γλυοξυλικό, το οποίο μετατρέπεται έτσι σε γλυκίνη. Η γλυκίνη μεταφέρεται στα μιτοχόνδρια. Εκεί δύο μόρια γλυκίνης αντιδρούν και παράγεται ένα μόριο σερίνης με ταυτόχρονη απελευθέρωση ενός μορίου CO 2 και ενός μορίου αμμωνίας. Η αμμωνία επιστρέφει 26
στους χλωροπλάστες. Η σερίνη επιστρέφει στα περοξεισώματα, όπου απαμινώνεται παράγοντας υδροπυροσταφυλικό οξύ, το οποίο τελικά μετατρέπεται σε γλυκερινικό οξύ. Αυτό μεταφέρεται στο χλωροπλάστη και αντιδρώντας με ATP μετατρέπεται σε PGA και επιστρέφει στο C3 κύκλο. Είναι σημαντικό να τονίσουμε ότι από κάθε δύο μόρια φωσφογλυκολικού οξέως που παράγονται (4 μόρια άνθρακα), ένα μόριο φωσφογλυκερινικού οξέως (3 μόρια άνθρακα) επιστρέφει στο C3 κύκλο. Με αυτό τον τρόπο ολοκληρώνεται ο κύκλος και διασώζονται τα 3/4 του άνθρακα. Στην Εικόνα 12 αναπαρίσταται σχηματικά ο κύκλος C2. Η φωτοαναπνοή ενισχύεται σε υψηλές θερμοκρασίες και σε έλλειψη ύδατος. Αρκετά φυτά που αναπτύσσονται σε γεωγραφικά πλάτη που επικρατούν τέτοιες συνθήκες έχουν βρει τρόπο να παρακάμψουν τα προβλήματα που θέτει ο C2 κύκλος καθηλώνοντας το CO 2 με διαφορετικό τρόπο. Τα φυτά αυτά καλούνται C4 και έχουν αναπτύξει ένα πλήθος βιοχημικών και μορφολογικών προσαρμογών κατά της φωτοαναπνοής. Η περιγραφή αυτών των προσαρμογών ωστόσο ξεφεύγει από τα πλαίσια αυτής της διατριβής. Με διαφορετικό επίσης τρόπο καθηλώνει το CO 2 ένας αριθμός φυτών που αναπτύσσεται σε πολύ ξερά ενδιαιτήματα, όπου το άνοιγμα των στομάτων την ημέρα είναι απαγορευτικό. Ο μηχανισμός αυτός καλείται Εικόνα 12. Ο C2 κύκλος. 27
μεταβολισμός οξέων τύπου Crassulaceae ή σε σύντμηση CAM, η αναλυτική περιγραφή του οποίου δεν κρίνεται σκόπιμη. 28
Φωτοσύνθεση εκτός των φύλλων 1. Εισαγωγή Τα φύλλα είναι τα κύρια φωτοσυνθετικά όργανα. Διαθέτουν όλες εκείνες τις προσαρμογές, τόσο σε μορφολογικό όσο και σε φυσιολογικό επίπεδο, ώστε να επιτυγχάνουν τη παγίδευση της φωτεινής ενέργειας και τη καθήλωση του CO 2 στον μεγαλύτερο δυνατό βαθμό. Παράλληλα, πράσινοι βλαστοί (Nobel & Hartsock, 1986; Comstock & Ehleringer, 1990; Nilsen et al. 1993) και πράσινα άγονα και γόνιμα μέρη του άνθους (Dueker & Arditti, 1968; Dogane & Ando, 1990; Clement et al. 1997a; Clement et al. 1997b) είναι επίσης κατάλληλα προσαρμοσμένα όργανα ώστε να επιτυγχάνουν καθαρή αφομοίωση CO 2, δηλαδή η ταχύτητα της φωτοσύνθεσης είναι σε αυτούς τους ιστούς μεγαλύτερη από αυτή της αναπνοής με αποτέλεσμα θετικό πρόσημο στο ισοζύγιο άνθρακα. Ωστόσο, μπορούμε να διακρίνουμε και μία δεύτερη κατηγορία οργάνων, τα οποία μολονότι έχουν διαφοροποιηθεί για να επιτελούν εντελώς διαφορετικές λειτουργίες, διαθέτουν χλωροφύλλη και φωτοσυνθέτουν χωρίς να πετυχαίνουν καθαρή αφομοίωση CO 2. Χλωροφυλλούχοι φλοιοί, ξύλωμα, γόνιμα μέρη του άνθους, ρίζες και καρποί εντάσσονται σε αυτή τη κατηγορία. 2. Φωτοσύνθεση σε βλαστούς Οι βλαστοί συμμετέχουν ενεργά στο συνολικό ισοζύγιο άνθρακα των ανώτερων φυτών. Οι Aschan & Pfanz (2003) διέκριναν τέσσερις επιμέρους κατηγορίες σε ότι αφορά στη φωτοσύνθεση των βλαστών. Στις δύο πρώτες λαμβάνει χώρα καθαρή αφομοίωση CO 2 ενώ στις δύο επόμενες οι βλαστοί μάλλον συνεισφέρουν στην επανάκτηση του από την αναπνοή προερχόμενου CO 2 (refixation). 29
i. Σε αρκετά είδη των οικογενειών Cactaceae, Euphorbiaceae, Asclepediaceae και Asteraceae απαντώνται πράσινοι βλαστοί που επιδίδονται σε CAM φωτοσύνθεση κατά τη διάρκεια θερμών και ξηρών περιόδων. Ο ρυθμός της φωτοσυνθετικής αφομοίωσης του CO 2 κυμαίνεται από 10 έως 20 μmol m -2 s -1 στα μελετηθέντα είδη (Nobel & Hartsock, 1986). ii. Επίσης, σε είδη που αναπτύσσονται σε ερημικές ή ημί-ερημικές περιοχές, οι βλαστοί συνεισφέρουν σημαντικά στο ισοζύγιο άνθρακα των φυτών (Comstock & Ehleringer, 1990; Nilsen et al. 1993). Η φωτοσύνθεση των βλαστών αυτών των φυτών προσομοιάζει προς αυτή των φύλλων καθώς αφομοιώνουν το CO 2 του περιβάλλοντος μέσω του C3 κύκλου, διαθέτουν άφθονα στόματα στην επιδερμίδα τους, αντιδρούν με τον ίδιο τρόπο στο φως και η αντικατάσταση της επιδερμίδας από περίδερμα καθυστερεί χαρακτηριστικά. Κατορθώνουν έτσι να αφομοιώνουν CO 2 σε ρυθμούς περίπου 8-10 μmol m -2 s -1. iii. Σε δευτερογενείς βλαστούς, οι οποίοι καλύπτονται από περίδερμα, έχουν εντοπισθεί χλωροπλάστες στο φλοιό. Σε αυτές τις περιοχές έχει διαπιστωθεί ότι λαμβάνει χώρα αφομοίωση CO 2. Η αφομοίωση αυτή έχει μετρηθεί ως μείωση της αναπνοής μετά από φωτισμό, φυσικό ή τεχνητό, του ιστού (Foote & Schaedle, 1976; Pfanz, 1999; Pfanz et al. 2002). Επιπλέον, σε απομονωμένους ιστούς, έχει μετρηθεί καθαρή αφομοίωση CO 2 (Schmidt et al. 2000; Pfanz & Aschan, 2001; Filippou et al.2007). Αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι οι εν λόγω ιστοί επανακαθηλώνουν το προερχόμενο από την αναπνοή CO 2. Είναι ενδεχομένως χρήσιμο να σταθούμε λίγο παραπάνω στη φωτοσύνθεση του εσωτερικού των δευτερογενών βλαστών. Κι αυτό διότι 30
λαμβάνει χώρα σε ένα εντελώς ξεχωριστό μικροπεριβάλλον. Κατ αρχάς, το φως που διέρχεται στο εσωτερικό τέτοιων ιστών διαφέρει τόσο ποσοτικά, όσο και ποιοτικά. Το ποσοστό του προσπίπτοντος φωτός που φθάνει στο εσωτερικό του βλαστού ποικίλλει, ανάλογα με το είδος από 10% έως 50% στα νεαρά δένδρα και φθίνει με την ηλικία του φυτού (Pfanz & Aschan, 2001). Η υπόθεση ότι τα φακίδια εξυπηρετούν τη διέλευση του φωτός στο εσωτερικό του (Langefeld-Heyser et al. 1996) δεν επιβεβαιώθηκε σε μεταγενέστερες μελέτες (Manetas & Pfanz, 2005). Εκτός όμως από τη ποσότητα, το φως που φθάνει στους εσωτερικούς ιστούς του βλαστού, διαφέρει και ως προς τη ποιότητά του. Το φως μεγαλύτερου μήκους κύματος διέρχεται στο εσωτερικό, ενώ η ακτινοβολία μικρότερου μήκους κύματος απορροφάται στα εξωτερικά τμήματα του βλαστού (Pfanz & Aschan, 2001). Επιπροσθέτως, η συγκέντρωση του CO 2 στο εσωτερικό του βλαστού διαφέρει από αυτήν στην ελεύθερη ατμόσφαιρα. Εξ αιτίας της έντονης αναπνοής του οργάνου καθώς και της ύπαρξης ιστών που δεν επιτρέπουν την απρόσκοπτη ανταλλαγή αερίων (περίδερμα), το CO 2 τείνει να συσσωρεύεται στους βλαστούς. Έχει διαπιστωθεί ότι η συγκέντρωση του CO 2 στο εσωτερικό των βλαστών μπορεί να φθάνει και το 26% (Carrodus & Triffet, 1975). iv. Επίσης στο ξύλωμα ή ακόμα και στην εντεριώνη (Pfanz & Aschan, 2001; Dima et al. 2006) είναι σαφής η παρουσία χλωροπλαστών. Σε αυτές τις πολύ απομακρυσμένες περιοχές, η φωτοσύνθεση μπορεί να εξυπηρετεί όχι μόνο στην επανάκτηση του CO 2, αλλά και στην αποφυγή της αναεροβίωσης (Pfanz et al. 2002). 31
3. Φωτοσύνθεση σε ρίζες Η κύρια λειτουργία των ριζών είναι η στήριξη του φυτού στο έδαφος και η πρόσληψη νερού και ανόργανων ουσιών από το έδαφος. Ωστόσο, οι εναέριες ρίζες πολλών ειδών στα τροπικά δάση αλλά και στα δάση των mangrove, καθώς επίσης και οι ρίζες πολλών επιφύτων περιέχουν χλωροπλάστες και μπορούν να φωτοσυνθέσουν σε ικανοποιητικούς ρυθμούς. Ωστόσο, φαίνεται ότι στη πλειοψηφία των ειδών δεν λαμβάνει χώρα καθαρή αφομοίωση CO 2 (Hew et al. 1984; Aschan & Pfanz, 2003). Σε κάποια είδη mangrove αναπτύσσονται ειδικοί σχηματισμοί, τα λεγόμενα πνευματοφόρα, των οποίων η κύρια λειτουργία είναι η μεταφορά οξυγόνου στις ρίζες με σκοπό την αποτροπή της ανοξίας. Τα πνευματοφόρα όμως διαθέτουν επίσης χλωροπλάστες, οι οποίοι αφομοιώνουν το CO 2 που προέρχεται από τα υπόγεια μέρη του φυτού (Kitaya et al. 2002; Aschan & Pfanz, 2003). 4. Φωτοσύνθεση σε άνθη Τα πέταλα της πλειοψηφίας των ανθέων είναι πράσινα όταν το άνθος είναι νεαρό. Δεν αποτελεί λοιπόν έκπληξη το γεγονός ότι έχει παρατηρηθεί φωτοσύνθεση των ανθέων σε αυτό το αναπτυξιακό στάδιο (Dueker & Arditti, 1968; Vu et al. 1985; Salonpek-Sondi et al. 2000). Τα άνθη είναι σε γενικές γραμμές ετερότροφα. Απαιτούν τη μεταφορά υδατανθράκων από τα παρακείμενα φύλλα για την ανάπτυξή τους. Συνεπώς, η φωτοσύνθεσή τους ενδεχομένως συμβάλλει στις αυξημένες ανάγκες τους σε διοξείδιο του άνθρακα. Τα άνθη διαθέτουν στόματα σε πυκνότητα μικρότερη μεν από τα φύλλα αλλά σε καμμία περίπτωση αμελητέα (Hew et al. 1980). Έχει όμως αναφερθεί (Hew et al. 1980) ότι τα στόματα αυτά δεν είναι λειτουργικά, δηλαδή δεν ανταποκρίνονται στο φως, το διοξείδιο του άνθρακα και τη παρουσία αμπσισικού οξέως. Ο ρυθμός της φωτοσυνθετικής αφομοίωσης CO 2 έχει μετρηθεί σε μία πλειάδα 32
ειδών (Galen et al. 1993; Clement et al. 1997a,b; Antlfinger & Wendel, 1997; Salopek-Sondi et al. 2000; Aschan & Pfanz, 2003) και σε όλες τις περιπτώσεις διαπιστώθηκε καθαρή αφομοίωση CO 2, χαμηλότερη βέβαια της αντίστοιχης των φύλλων, αλλά όχι τόσο χαμηλή ώστε να είναι αδιάφορη για την ανάπτυξη του ιστού. Η φωτοσύνθεση των ανθέων έχει προσεγγισθεί και με μεθόδους φθορισμού της χλωροφύλλης (Aschan & Pfanz, 2003). Στο φυτό Helleborus niger μετρήθηκε η ταχύτητα της γραμμικής ροής ηλεκτρονίων σε φύλλα, πράσινα αλλά και κόκκινα σέπαλα και διαπιστώθηκε ότι στα πράσινα σέπαλα μπορεί να φθάσει ακόμα και το 60% αυτής των φύλλων. Αντίστοιχα, με μετρήσεις ανταλλαγής αερίων, η φωτοσυνθετική ικανότητα στα πράσινα σέπαλα στο ίδιο φυτό ήταν περίπου η μισή των φύλλων (Salonpek-Sondi et al. 2000). 5. Φωτοσύνθεση σε καρπούς Οι νεαροί καρποί είναι κατά κανόνα πράσινοι, ενώ κατά την ωριμότητα το χρώμα τους ποικίλλει από κόκκινο, μπλε, κίτρινο, πορτοκαλί έως και πράσινο ή καφέ. Ο ρόλος των χρωμάτων θεωρείται ότι είναι η προσέλκυση καταναλωτών, οι οποίοι θα διασπείρουν κατόπιν τα σπέρματα. Η ικανότητα των καρπών να φωτοσυνθέτουν καθώς ωριμάζουν φαίνεται πως μειώνεται εξαιτίας της αντικατάστασης της χλωροφύλλης από άλλες έγχρωμες ενώσεις (Blanke & Lenz, 1989). Ωστόσο, υπάρχουν καρποί που παραμένουν πράσινοι και κατά την ωριμότητά τους, η δε ικανότητα τους να φωτοσυνθέτουν ακόμα και σε αυτό το στάδιο θεωρείται σημαντικό οικολογικό πλεονέκτημα (Cippolini & Levey, 1991). Η φωτοσύνθεση των καρπών έχει μελετηθεί σε έναν αριθμό ειδών, προτού ωστόσο αναφερθούμε στα κατά είδος αποτελέσματα, κρίνεται σκόπιμο να γίνει ιδιαίτερη μνεία σε κάποια χαρακτηριστικά, τα οποία καθιστούν τη φωτοσύνθεση σε αυτούς τους ιστούς ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα: 33
i. Χλωροπλάστες Η ύπαρξη χλωροπλαστών στο εσωτερικό του καρπού έχει διαπιστωθεί πολλάκις στο παρελθόν. Επίσης, βρέθηκε (Blanke & Lenz, 1989) ότι οι χλωροπλάστες στο εσωτερικό εμφανίζουν ενδιάμεσα χαρακτηριστικά προσαρμογής στο φως και στο σκοτάδι. Π.χ. ο λόγος Chla/Chlb είναι χαμηλός, χαρακτηριστικό σκιοφιλίας, αλλά ταυτόχρονα εμφανίζονται λίγα θυλακοειδή ανά granum, το οποίο είναι ηλιόφιλο χαρακτηριστικό. ii. Φωτεινό περιβάλλον Ο ιστός του μεσοκαρπίου είναι ιδιαίτερα συμπαγής και σε αρκετές περιπτώσεις βρίθει έγχρωμων ουσιών, ωστόσο το φως φαίνεται ότι κατορθώνει να διέλθει στο εσωτερικό των καρπών σε ορισμένα τουλάχιστον είδη. Με βάση τα όσα αναφέρθηκαν πρωτύτερα στην εισαγωγή σε σχέση με τις διαφορές στη μορφολογία των καρπών, καθίσταται σαφές ότι το ποσοστό αλλά και η ποιότητα του φωτός, το οποίο φθάνει μέχρι τα εσωτερικά στρώματα του ιστού, ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με το είδος του καρπού αλλά και από το στάδιο στο οποίο βρίσκεται. Έτσι, στα μήλα (Malus communis) βρέθηκε ότι μόλις το 0,1% του προσπίπτοντος φωτός φθάνει μέχρι τα σπέρματα (Blanke & Lenz, 1989), 14-26% είναι το αντίστοιχο ποσοστό στις τομάτες (Aschan & Pfanz, 2003), ενώ στο μπιζέλι (Pisum sativum) οι Atkins et al. 1977 διεπίστωσαν ότι μέχρι και το 23% του προσπίπτοντος φωτός μπορεί να φθάσει στα σπέρματα, με το ακριβές ποσοστό να εξαρτάται από την ηλικία και το βαθμό ωριμότητας του καρπού. 34
iii. Διοξείδιο του άνθρακα Η περίπτωση του CO 2 είναι ακόμα πιο σύνθετη στους καρπούς, καθώς ένα πλήθος παραγόντων καθορίζει τα επίπεδα της συγκέντρωσης στο εσωτερικό του ιστού: Αντίσταση διάχυσης μεσοκυττάριων χώρων Όπως και στη περίπτωση της περατότητας του φωτός, έτσι και εδώ, η αντίσταση διάχυσης των μεσοκυττάριων χώρων εξαρτάται σε μέγιστο βαθμό από το είδος του καρπού. Σε κάθε περίπτωση ο συνολικός όγκος αλλά και ο αριθμός των μεσοκυττάριων χώρων καθορίζει τη αντίσταση διάχυσης. Αξίζει να αναφερθεί ότι καθώς ο καρπός ωριμάζει η εσωτερική συγκέντρωση CO 2 τείνει να γίνει υψηλότερη από την συγκέντρωση του αερίου στην ατμόσφαιρα εξ αιτίας της αυξημένης μιτοχονδριακής δραστηριότητας. Η βαθμίδωση της συγκέντρωσης του CO 2 είναι συνεπώς αντίθετη από αυτή των φύλλων (Henze, 1969). Στόματα Σε αρκετούς καρπούς το εξωκάρπιο διαθέτει στόματα. Ο αριθμός αυτών των στομάτων καθορίζεται από πολύ νωρίς κατά την οντογένεση του καρπού και η συχνότητά τους είναι κατά κανόνα μικρότερη από των φύλλων (Willmer & Johnston, 1976; Atkins et al. 1977; Moreshet & Green, 1980). Σε νεαρούς καρπούς τα στόματα αυτά είναι το ίδιο ευαίσθητα και λειτουργικά με τα στόματα των φύλλων (Moreshet & Green, 1980; Proietti et al. 1999), ωστόσο η λειτουργικότητά τους μειώνεται καθώς ο καρπός ωριμάζει. 35
Εφυμενίδα Τα χαρακτηριστικά της εφυμενίδας των καρπών διαφέρουν σημαντικά από αυτά των φύλλων. Συγκεκριμένα, η περατότητα της εφυμενίδας των καρπών σε νερό είναι υψηλότερη από των φύλλων κατά 1 με 2 τάξεις μεγέθους (Schreiber & Riederer, 1996). Επίσης, η περατότητα της εφυμενίδας των καρπών στο CO 2 διαφέρει κατά κανόνα από τη περατότητα σε Ο 2 (Aschan & Pfanz, 2003), με τη περατότητα σε διοξείδιο του άνθρακα να έχει βρεθεί μέχρι και 10 φορές υψηλότερη (Banks & Nicholson, 2000). Τριχώματα Η παρουσία τριχωμάτων στην επιδερμίδα των καρπών αυξάνει την αντίσταση διάχυσης του οριακού στρώματος. Σε γενικές γραμμές πάντως φαίνεται ότι δεν επηρεάζει σημαντικά τη βαθμίδωση της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα (Blanke & Lenz, 1989). Φακίδια Φακίδια εντοπίζονται μόνο σε ώριμους καρπούς συνήθως στις θέσεις όπου πριν υπήρχαν στόματα αν και αρκετές φορές η παρουσία τους είναι ανεξάρτητη από τα στόματα (Blanke & Lenz, 1989). Ενώ λοιπόν στους νεαρούς καρπούς η ανταλλαγή CO 2 με το εξωτερικό περιβάλλον ρυθμίζεται από λειτουργικά στόματα, καθώς ο καρπός ωριμάζει η σχετικά περατή εφυμενίδα και τα μη ελεγχόμενα φακίδια καθορίζουν την αντίσταση διάχυσης του αερίου. 36