Στρατηγικές αντιµετώπισης αντίξοων περιβαλλοντικών (αβιοτικών) παραγόντων από τους φωτοσυνθετικούς οργανισµούς ρ. Κ. Σταµατάκης, Εργαστήριο Βιοφυσικής και Βιοτεχνολογίας Μεµβρανών, Ινστιτούτο Βιολογίας, ΕΚΕΦΕ «ηµόκριτος»
Στρατηγικές ανταπόκρισης στη καταπόνηση και γονιδιακή έκφραση Τα φυτά πρέπει να ανταποκριθούν στις καταπονήσεις εξ αιτίας της «καθιστικής ζωής» τους (ενδιαιτήµατος τους).
Τα φυτά ανταποκρίνονται στις καταπονήσεις και ως αυτόνοµα κύτταρα αλλά και ως οργανισµοί. Τα επαγώµενα από το stress σήµατα µπορούν να µεταδοθούν µέσω του φυτού και να καταστήσουν τµήµατα του «έτοιµα» να ανταποκριθούν σε αυτό.
Περιοχές Ανάπτυξης Φυτικών Οργανισµών
Παράγοντας stress (καταπόνησης( καταπόνησης) Ένταση ιάρκεια Συνδυασµός µεάλλους παράγοντες Είδος ιστού Στάδιο ανάπτυξης γονότυπος Αδυναµία Προσαρµογής ήεγκλιµατισµού Προσαρµογή ήεγκλιµατισµός ΘΑΝΑΤΟΣ ιαφυγή, αποφυγή, ανθεκτικότητα
Προσαρµογή (Adaptation) και Εγκλιµατισµός (Acclimation) Προσαρµογή : Γενετικός καθορισµός και εµφάνιση κατά τη διάρκεια της εξέλιξης. Περιλαµβάνει τροποποίηση της έκφρασης γονιδίων, όπως ενίσχυση ή απώλεια άλλων γονιδίων (Παρ. C 4 και CAM φωτοσύνθεση) Εγκλιµατισµός : Επίκτητες τροποποιήσεις µορφολογικών η/και φυσιολογικών χαρακτηριστικών κατά τη διάρκεια του βιολογικού κύκλου ως απάντηση στις αλλαγές (αντίξοες) του περιβάλλοντος.
Προσαρµογή Crassulacean Acid Metabolism (CAM)
C 4 φωτοσύνθεση
Παράγοντες καταπόνησης (Stress) Water STRESS Light Temperature Nutrients
Αντιµετώπιση δυσµενών περιβαλλοντικών συνθηκών
Παράγοντες καταπόνησης (Stress) Water STRESS Light Temperature Nutrients
Προσαρµογή / Εγκλιµατισµός σε υψηλές εντάσεις φωτός (Excess light) Excess light: at suprasaturating irradiances, the amount of absorbed energy exceeds the ability of the leaf to use that energy in photochemistry (light and dark reactions) Excess occurs at a lower irradiance in shadegrown plants What happens to those absorbed photons? Photosynthesis (µmol O 2 m -2 s -1 ) Irradiance (µmol photons m -2 s -1 )
Stressful effects of excess light Two types of photoinhibition: - photoprotection (A) (short-term, reversible downregulation of photosynthesis) - photodamage (B) (long-term damage to photosynthesis, requires protein repair) Photodamage occurs if photoprotection exhausted Photosynthesis (µmol O 2 m -2 s -1 ) A B Irradiance (µmol photons m -2 s -1 )
Processes that dissipate light energy also re-emission of photons as fluorescence (<1%) Thermal dissipation is substantial when H + accumulate in the lumen during bright light. Also requires ascorbate
Thermal dissipation Pigments: Uses a group of carotenoid pigments in LHC of PSII known as xanthophylls: - violaxanthin (V): dominates in low light - antheraxanthin (A) - zeathanin (Z) Conversion: exposure to high light results energy absorbed by chlorophyll being used to convert V to A and then Z. Results in absorbed light energy Low light being lost as heat Light response curves at high irradiance, xanthophyll cycle processes most of the excess energy High light
Παράγοντες καταπόνησης (Stress) Water STRESS Light Temperature Nutrients
Επαγωγή απο αφυδατικό-stress πρωτεινών, υπευθύνων για ανθεκτικότητα και ανταπόκριση στο stress
Μονοπάτια µεταγωγής σήµατος (Α) και δευτερογενή µηνύµατα και στοιχεία (B) κατα την επίδραση αφυδατικού Stress A B
Παράγοντες καταπόνησης (Stress) Water STRESS Light Temperature Nutrients (Na + )
Μηχανισµοί πρόσληψης ιόντων Na + / αποβολής στους φωτοσυνθετικούς οργανισµούς Παθητική είσοδος Na + (κανάλια ιόντων) Ενεργητική αποβολή Na + (µεµβρανικοί µεταφορείς)
Απόκριση φωτοσυνθετικών οργανισµών σε συνθήκες αυξηµένης αλατότητας Α. Πρωτογενείς µηχανισµοί Ενεργητική αποµάκρυνση ιόντων Na + από το κυτταρόπλασµα (Νa + -ΑΤΡασες, αντιµεταφορείς Νa + /Η + ) Β. ευτερογενείς µηχανισµοί Σύνθεση δευτερογενών µεταβολιτών (οσµολύτες)
A. Πρωτογενείς µηχανισµοί Ενεργητική αποµάκρυνση ιόντων Na+ από το κυτταρόπλασµα
Μοντέλο ρύθµισης της οµοιόστασης των ιόντων Να + στο κυτόπλασµα 1. Θετική ρύθµιση SOS1, AtNHX1,2,5 2. Αρνητική ρύθµιση ΑtHKT1
Απόκριση φωτοσυνθετικών οργανισµών σε συνθήκες αυξηµένης αλατότητας Α. Πρωτογενείς µηχανισµοί Ενεργητική αποµάκρυνση ιόντων Na + από το κυτταρόπλασµα (Νa + -ΑΤΡασες, αντιµεταφορείς Νa + /Η + ) Β. ευτερογενείς µηχανισµοί Σύνθεση δευτερογενών µεταβολιτών (οσµολύτες)
Β. ευτερογενείς µηχανισµοί Σύνθεση δευτερογενών µεταβολιτών (οσµολύτες) Χαοτροπική δράση ιόντων Να + και προστατευτική δράση οσµολυτών Οσµολύτες: 1. ιατήρηση Πίεσης Σπαργής (οσµωρύθµιση) 2. Συµβατότητα µε κυτταρικές λειτουργίες 3. Μή τοξικές
ιερεύνηση του πρωτογενούς µηχανισµού απόκρισης ενός φωτοσυνθετικού οργανισµού, του sp. PCC 7942, Synechococcus sp. PCC 7942 σε συνθήκες υψηλής αλατότητας Κλωνοποίηση και µοριακός χαρακτηρισµός γονιδίων που κωδικοποιούν για πιθανούς αντιµεταφορείς Νa + /H + απότογονιδίωµα του κυανοβακτηρίου Synechococcus sp. PCC 7942. Λειτουργικός χαρακτηρισµός και µελέτη σχέσεων δοµής λειτουργίας των αντίστοιχων προϊόντων.
Κυανοβακτήριο Synechococcus sp. PCC7942 Οξυγονική φωτοσύνθεση σε φωτοσυστήµατα που οµοιάζουν µε εκείνα των ανωτέρων φυτών Λιπιδική σύσταση µεµβρανών Μονοκύτταρος οργανισµός Εύκολη εφαρµογή µοριακών, γενετικών και βιοχηµικών µεθόδων Εξαιρετικά διαπερατό σε NaCl Επιβιώνει σε συγκεντρώσεις αλατότητας 0,3 Μ NaCl Ισχυρή ενεργότητα αντιµεταφορέων Na + /H + (βιοχηµικές και φθορισµοµετρικές µετρήσεις)
Σάρωση γονιδιωµατικής κοσµιδιακής βιβλιοθήκης του Synechococcus sp. PCC 7942 Εντοπισµός ενός θετικού κλώνου Μοριακή ανάλυση ενθέµατος θετικού κλώνου ανοικτό πλαίσιο ανάγνωσης 2148 bp (SycNaH1), πρωτεΐνη 715 α. κ., 72% οµοιότητα µε αντιµεταφορείς Να + /Η + 12-14 πιθανά διαµεµβρανικά τµήµατα
Μέθοδος απόσβεσης του φθορισµού του πορτοκαλόχρουν της ακριδίνης H+ max H+ max Na+ Na+ H+ + acridine orange 0 + DL-Lactate 0 H+ max H+ max Na+ Na+ + NaCl 0 + NH 4 Cl 0
Ετερόλογη έκφραση και λειτουργική µελέτη της SycNaH1 IMV s pbr322 / TO114 (αρνητικός µάρτυρας) IMV s prnhaa / TO114 (θετικός µάρτυρας) IMV s prsycnah1 / TO114 (δείγµα) Km : 0,5 mm Na +
Προοπτικές Αποµόνωση στελεχών του Synechococcus sp.pcc 7942 που φέρουν ανενεργοποιηµένο το γονίδιο SycNaH1 Μελέτη της ρύθµισης της έκφρασης των υπόλοιπων γονιδίων που κωδικοποιούν για πιθανούς αντιµεταφορείς Na + /H + Λειτουργικός χαρακτηρισµός των γονιδίων SycNaH2-7, µε ετερόλογη έκφρασή τους στο στέλεχος ΤΟ114 και πραγµατοποίηση φθορισµοµετρίας Μελέτη του καρβοξυτελικού άκρου της πρωτεΐνης SycNaH1 (UspA περιοχή)
Υδατοπορίνες (aquaporins) Peter Agre and Roderick MacKinnon 2003 Nobel Prize in Chemistry
Μελέτη διαπερατότητας της κυτοπλασµατικής µεµβράνης σε νερό µε τη χρήση του φθορισµού της Chl a
Προσδιορισµός της Εα που απαιτείται για την εισαγωγή νερού στα κυανοβακτηριακά κύτταρα Α) control 5.9 Kcal mol -1 B) HgCl 2 treated 11.9 Kcal mol -1
Προοπτικές Μελέτη της ρύθµισης της διαπερατότητας της κυτοπλασµατικής µεµβράνης σε νερό Κλονωποίηση, Μοριακός και λειτουργικός χαρακτηρισµός γονιδίων που κωδικοποιούν για υδατοπορίνες