Chlororespirace - Chlororespiration

Základy chlororescence

Chlororespirace je respirační proces, který probíhá v rostlinách. Uvnitř rostlinných buněk je organela zvaná chloroplast který je obklopen tylakoidní membránou. Tato membrána obsahuje enzym zvaný NAD (P) H dehydrogenáza, který přenáší elektrony v lineárním řetězci na molekuly kyslíku.^[1] Tento elektronový transportní řetězec (ETC) v chloroplastu také interaguje s těmi v mitochondriích, kde dochází k dýchání.^[2] Fotosyntéza je také proces, s nímž chlororespirace interaguje.^[2] Pokud je fotosyntéza inhibována environmentálními stresory, jako je deficit vody, zvýšené teplo a / nebo zvýšené / snížené vystavení světlu, nebo dokonce chladivý stres, pak je chlororespirace jedním z klíčových způsobů, kterými rostliny kompenzují chemickou syntézu energie.^[3][4][5]

Chlororespirace - nejnovější model

Schéma znázorňující časné pochopení procesu chlororespirace

Zpočátku byla přítomnost chlororespirace jako legitimního dýchacího procesu u rostlin silně pochybována. Experimentování však pokračuje Chlamydomonas reinhardtii, zjistili, že plastochinon (PQ) je redoxním nosičem.^[2] Úlohou tohoto redoxního nosiče je transportovat elektrony z enzymu NAD (P) H do molekul kyslíku na tylakoidní membráně.^[6] Použitím tohoto cyklického elektronového řetězce kolem fotosystému (PS I) kompenzuje chlororespirace nedostatek světla. Tato cyklická cesta také umožňuje elektronům znovu vstoupit do skupiny PQ prostřednictvím aktivity a produkce NAD (P) H enzymu, který se poté používá k dodávání molekul ATP (energie) do rostlinných buněk.^[7]

Schéma zobrazující nově objevené molekuly (PTOX a komplex NDH) jako součást chlororespiračního procesu u rostlin vyššího řádu, jako je Rosa Meillandina.

V roce 2002 byl objev molekul; komplexy plastid terminální oxidázy (PTOX) a NDH způsobily revoluci v konceptu chlororespirace.^[2] S využitím důkazů z experimentů na rostlinných druzích Rosa Meillandina, tento nejnovější model sleduje roli PTOX jako enzymu, který zabraňuje nadměrnému snižování PQ stimulací jeho reoxidace.^[4] Vzhledem k tomu, že komplexy NDH jsou odpovědné za poskytnutí brány elektronům pro vytvoření ETC.^[4] Přítomnost takových molekul je zjevná v neaprimovaných tylakoidních membránách rostlin vyššího řádu Rosa Meillandina.^[5][2][3]

Vztah mezi chlororespirací, fotosyntézou a dýcháním

Chlamydomonas- druh, u kterého dochází k chlororespiraci, fotosyntéze a dýchání

Experimentování s inhibitory respirační oxidázy (například kyanidem) na jednobuněčných řasách odhalilo, že mezi chloroplasty a mitochondriemi existují interaktivní cesty. Metabolické dráhy odpovědné za fotosyntézu jsou přítomny v chloroplastech, zatímco respirační metabolické dráhy jsou přítomny v mitochondriích. V těchto drahách si metabolické nosiče (jako fosfát) vyměňují molekuly NAD (P) H mezi fotosyntetickými a respiračními ETC.^[2] Důkazy využívající hmotnostní spektrometrii na řasách a fotosyntetických mutantech z Chlamydomonas, zjistili, že molekuly kyslíku byly také vyměňovány mezi fotosyntetickými a chlororespiračními ETC. ^[6] Mutant Chlamydomonas rostlinný druh postrádá fotosystémy jeden a dva (PS I a PS II), takže když rostlina podstoupila aktivitu PS I vyvolanou bleskem, nevedlo to k žádnému účinku na mitochondriální dýchací cesty. Místo toho tato aktivita PS I vyvolaná bleskem způsobila výměnu mezi fotosyntetickými a chlororespiračními ETC, která byla pozorována pomocí polarografie.^[6] Tento záblesk aktivity PS I je spuštěn nadměrným snížením PQ poolu a / nebo nedostatkem pyridinového nukleotidu v tylakoidové membráně. Snížení těchto molekul pak stimuluje molekuly NADPH a PTOX ke spouštění chlororespiračních drah.^[6][2]

Kromě toho hraje při absenci světla (a tedy fotosyntézy) chlororespirace nedílnou roli při umožnění metabolickým cestám kompenzovat syntézu chemické energie.^[2] Toho je dosaženo oxidací stromálních sloučenin, což zvyšuje zásobu PQ a umožňuje uskutečnění chlororespiračního ETC.^[2][6]

Stimulace chlororespirace

Teplo a světlo jako stimulanty

Quilesův experiment

Ovesné rostliny

Experiment vědců Maria Quiles na ovesných rostlinách ukázal, že extrémní intenzita světla může inhibovat fotosyntézu a vést k nedostatečné aktivitě PS II.^[4] Toto snížení vede ke zvýšení hladin NAD (P) H a PTOX, což pak způsobuje stimulaci chlororespirace.^[4]

Ovesné listy byly inkubovány a ke zkoumání vlivu extrémní intenzity světla byla použita fluorescenční emise chlorofylu.^[4] Jak se zvyšovala emise fluorescence chlorofylu, klesala PQ zásoba. To stimulovalo cyklický tok elektronů, což způsobilo, že hladiny NAD (P) H a PTOX se nakonec naklonily a zahájily proces chlororespirace uvnitř tylakoidní membrány ovesných rostlin.^[4]

Rovněž byl pozorován účinek přidání n-propylgalátu k inkubovaným listům. N-propylgallát je molekula, která pomáhá rozlišovat mezi redukční a oxidační aktivitou PQ inhibicí PTOX.^[8] Quiles zaznamenal zvýšení fluorescence chlorofylu uvnitř tylakoidní membrány rostlinných buněk po přidání n-propylgalátu.^[4] Výsledek vedl k stimulaci enzymu NAD (P) H a jeho cyklické dráhy; což způsobuje kontinuální zvyšování hladin fluorescence chlorofylu v ovesu.^[4]

Quilesův závěr

Po porovnání metabolických reakcí mezi ovesnými rostlinami při průměrné intenzitě světla s ovesnými rostlinami při extrémní intenzitě světla Quiles poznamenal, že množství produkovaného PS II bylo nižšího množství v listech, které podstoupily chlororespici v extrémním světle.^[4] Zatímco vyšší hladiny PS II byly získány těmi listy, které podstoupily průměrnou intenzitu světla. Vyšší z PS II je účinnější pro syntézu chemické energie, a tedy pro přežití rostliny.^[4] Quiles naznačuje, že i když je chlororespirační cesta méně účinná, stále slouží jako záložní reakce na výrobu energie v rostlinách.^[4] Quiles nakonec dospěl k závěru, že intenzivní světlo na ovesných rostlinách způsobilo snížení hladiny PS II, a tím iniciovalo příliv proteinů gate-way (NAD (P) H) k zahájení procesu chlororespirace.^[4]

Sucho jako stimulant

Paredesův a Quilesův experiment

Rosa Meillandina

Vědci Miriam Paredes a Maria Quiles vedli vyšetřování rostlinných druhů Rosa Meillandina, a jeho metabolická odpověď na nedostatek vody. ^[3] Poznamenali, jak omezené zavlažování vodou může způsobit snížení hladiny PS II, což pak vede k inhibici fotosyntézy. Paredes a Quiles si také všimli zvýšení aktivity chlororespirace jako ochranného mechanismu pro nedostatek fotosyntézy.^[3]

V experimentu byly rostliny s deficitem vody analyzovány technikou fluorescenčního zobrazování. Tato forma analýzy detekovala zvýšené hladiny PTOX a aktivity NAD (P) H v rostlině. ^[3] Zvýšení těchto dvou molekul vedlo k zahájení chlororespirace.^[3]

Do těchto rostlin s nedostatkem vody byl také přidán N-propylgallát. Účinek vedl ke zvýšení úrovně fluorescence chlorofylu. ^[3] Quiles zaznamenal podobný výsledek u stejného druhu rostlin, které šly pod intenzivním světlem. ^[4] Toto zvýšení fluorescence chlorofylu je přičítáno přílivu NAD (P) H do tylakoidní membrány. ^[3] Což pak vedlo ke zvýšení vedlejšího produktu, peroxidu vodíku, uvnitř tylakoidní membrány.^[3][4]

Závěr Paredes a Quiles

Paredes a Quiles dospěli k závěru, že chloroplasty pod tlakem z nedostatku vody spoléhají na procesy, jako je otevření průduchů, aby rozptýlily přebytečné teplo akumulované metabolickými procesy v rostlinných buňkách. ^[3] Tyto metabolické procesy jsou zodpovědné za chemickou syntézu energie, které lze dosáhnout pomocí chlororespiračních ETC, když je zřejmé snížení aktivity fotosyntézy. ^[3]

Tma jako stimulant

Experiment Gasully, Casana a Guéry

Vědci Francisco Gasulla, Leonardo Casano a Alfredo Guéra pozorovali metabolickou reakci rostliny lišejníků, když byla umístěna v temných podmínkách.^[8] Komplex sběru světla (LHC) uvnitř chloroplastů lišejníku se aktivuje, když je vystaven tmě. ^[8] Gasulla, Casano a Guéra si všimli, že toto zvýšení aktivity LHC způsobilo pokles PS II a PQ v lišejníku, což naznačuje zahájení chlororespirace.^[8]

K určení množství molekul LHC uvnitř lišejníků v tmavém prostředí a světelném prostředí byla použita imunodetekční analýza. Stanovením množství LHC v chloroplastu si vědci mohli všimnout snížení aktivity PS II. Toto snížení bylo způsobeno ztrátou excitační energie v PS II ETC, která poté stimulovala sklon v chlororespiračních drahách. Gasulla, Casano a Guéra shromáždili tento výsledek, když byly lišejníky přizpůsobené světlu i tmě přizpůsobeny temnotě. Zjistili, že hladina molekul LHC v lišejníku přizpůsobeném tmě se zdvojnásobila ve srovnání s lišejníkem přizpůsobeným světlu.^[8] Rovněž bylo poznamenáno, že chlororespirační ETC byly spuštěny mnohem dříve v lišejníku přizpůsobeném tmě, než ve srovnání s lišejníkem přizpůsobeným světlu. ^[8]To mělo za následek rychlejší metabolickou rychlost a chemickou syntézu u lišejníků přizpůsobených tmě v důsledku chlororespirace.^[8]

Závěr Gasully, Casana a Guéry

Gasulla, Casano a Guéra dospěli k závěru, že čím déle jsou lišejníky vystaveny temnotě, tím rychleji mohou začít chlororespirační cesty.^[8] To je způsobeno rychlým vyčerpáním molekul PTOX, které snižují počet PQ. ^[8]Tyto události pak stimulují chlororespirační ETC do probíhající smyčky, dokud nejsou lišejníky umístěny do světelného prostředí.^[8]

Rovněž odvodili LHC jako další indikátor chlororespirace. ^[8] Když se zvýšily koncentrace LHC uvnitř chloroplastů, aktivita PS II poklesla v důsledku ztráty aktivity ETC.^[8] Toto snížení poté stimulovalo aktivitu chlórrespiračního systému, aby kompenzovalo syntézu chemické energie.^[8]

Lišejník

Chladivý stres jako stimulant

Segurův a Quilesův experiment

Experiment pozorující mrazivý stres na tropických druzích rostlin, Spathiphyllum wallisii vědci Maria Segura a Maria Quiles předvedli různé reakce chlororespiračními cestami, když byly různé části rostliny chlazeny na 10 stupňů Celsia.^[9]

Spathiphyllum wallisii

Segura a Quiles si všimli, že když byly kořeny rostliny vystaveny nízkým teplotám (10 stupňů Celsia), úroveň chlororespiračních molekul (NADPH a PTOX) se mírně lišila ve srovnání s hladinou NADPH a PTOX v kontrolované rostlině.^[9] Když se však samotný stonek ochladil na 10 stupňů Celsia, pak se molekuly NADPH, NDH a PTOX zvýšily v důsledku snížené aktivity PSI.^[9] Segura a Quiles poté porovnali tento výsledek tím, že vystavili pouze listy rostliny 10 stupňům Celsia.^[9] Všimli si, že to způsobilo zastavení aktivity PS II, a tím inhibovalo proces fotosyntézy.^[9] Nedostatek fotosyntetické aktivity v kombinaci se sklonem v molekulách NADPH a PTOX poté spustil chlororespirační dráhy k zahájení syntézy chemické energie.^[9]

Dále Segura a Quiles také poznamenali, že současné ochlazení listů a zahřívání kořenů (zatímco je rostlina pod osvětlením) může způsobit zpomalení a případnou inhibici ETC v PS II. ^[9] To pak vedlo k nadměrné redukci PQ poolu, což nakonec stimulovalo chlororespiraci.^[9]

Segura a Quiles využili fluorescenční zobrazovací techniku ​​ke stanovení úrovně fotosyntetické aktivity v listech rostlin. Rozpoznáním procenta účinnosti fotosyntézy byli Segura a Quiles schopni určit pravděpodobnost spuštění chlororespiračních drah. ^[9] Všimli si, že procento účinnosti fotosyntézy zůstalo vysoké u testovaných subjektů, kde:

• pouze listy byly chlazené
• pouze stonek byl chlazen
• pouze kořeny byly chlazené ^[9]

Toto vysoké procento účinnosti fotosyntézy znamenalo, že pravděpodobnost, že dojde k chlororespiraci, je malá. ^[9] To však neplatilo pro rostlinu, která podstoupila jak chlazení dříku na 10 stupňů Celsia, tak zahřívání kořenů na 24 stupňů Celsia.^[9] Účinnost fotosyntézy tohoto testovaného subjektu byla významně nižší ve srovnání s experimentální kontrolou.^[9] To také naznačovalo inhibici aktivity PS II, která poté způsobila zahájení chlororespirace.^[9]

Segura a Quiles také použili imunoblotovou analýzu k odvození vlivu různých teplot na různé části rostliny. Konkrétně imunoblot měří množství PTOX a NDH komplexu nahromaděného v tylakoidní membráně chloroplastové organely.^[9] Zvýšení komplexu NDH bylo patrné v rostlině, kde byl stonek chlazen na 10 stupňů Celsia a kořen zahříván na 24 stupňů Celsia.^[9] U této rostliny byla stimulována chlororespirace. ^[9] Podobně imunoblotová analýza nezjistila žádné variace v hladinách komplexu NDH a molekul PTOX u testovaných osob, kde:

• pouze listy byly chlazené
• pouze stonek byl chlazen
• pouze kořeny byly chlazené^[9]

Tito testovaní měli podobné koncentrace NDH a PTOX ve srovnání s koncentrací NDH komplexu a PTOX molekul v experimentální kontrole.^[8][9]

Závěr Segury a Quilese

Segura a Quiles dospěli k závěru, že chladivý stres vyvolává chlororespiraci pouze tehdy, když je stonek výrazně chladný a kořeny jsou ve srovnání s průměrem současně teplejší Spathiphyllum wallisii v kontrolovaných podmínkách.^[9] Segura a Quiles si všimli, že PS II je přítomen v chloroplastu (který chybí v kořenech), takže ochlazením stonku (který obsahuje chloroplast) mohou být potom inhibovány PS II ETCs, aby se spustilo snížení PQ poolu, a jako výsledek, chlororespirace.^[9]

Důležitost chlororescence

I když chlororespirace není při výrobě energie tak účinná jako fotosyntéza, ^[9] jeho význam je přičítán jeho roli adaptace na přežití pro rostliny, když jsou umístěny v podmínkách bez světla^[8] a voda^[3] nebo pokud jsou vystaveny nepříjemným teplotám^[9][4] (poznámka: optimální teploty se u různých druhů rostlin liší).^[9] Cournac a Peltier si navíc všimli, že chlororespirační ETC hrají roli při vyrovnávání toku elektronů napříč respiračními a fotosyntetickými ETC.^[2] To pomáhá udržovat vodní rovnováhu a regulovat vnitřní teplotu rostliny.^[2]

Reference