Transcript Transport sacharózy

Transport látek xylémem/floémem
Transportéry
Transportéry a jejich role u „mix/apoplastic loaders/unloaders “
Sacharózové transportéry (SUC, SUT (např. AtSUC1, HvSUT4 )
• Nakládání do floému, vykládání do určitých sinků (svěrací buňky, vyvíjející se pylová zrna,
vyvíjející se embrya /semena, na sacharidy bohaté plody… )
Exprese ve zdrojových listech, většina v sincích, exprese některých genů vázaná pouze na určité pletivo
(např. NtSUT3 jen v pylu a pylových láčkách)
Účastní se také výměny látek při symbióze (mykorhiza, Rhizobium), ale i při napadení patogenem.
Směr transportu sacharózy může být pravděpodobně měněn a závisí na sacharózovém gradientu,
pH a transmembránovém potenciálu.
Definitivní důkaz účasti transportéru při nakládání do floému: SUT1 u bramboru v antisence
orientaci (také u Arabidopsis a tabáku)
Kühn et al., 2003
Blokování transportu z listů  zvýšení konc. sacharózy a škrobu v listech - omezení růstu,
chlorotické léze, menší semena, časná senescence
Fylogenetický strom sacharózových transportérů
4
jedno a dvouděložné
1
dvouděložné
dvouděložné
5
jednoděložné
3
jednoděložné
2
jedno a dvouděložné
Kühn a Grof, 2010
Transport sacharózy- kotransport s H+
jednoděložné
Sauer, 2007,
Payyavula et al., 2011
jedno- i
dvouděložné
Fylogenetický strom sacharózových transportérů
4
jedno a dvouděložné
1
dvouděložné
5
jednoděložné
3
jednoděložné
2
jedno a dvouděložné
Kühn a Grof, 2010
Transport sacharózy- kotransport s H+
Sauer, 2007
Malé rodiny SUT: (Arabidopsis 9 genů – dva pseudogeny,, 7 transportéry, podle
podobnosti spadají do tří subrodin, rýže 5 genů )
Subrodina 1: dvouděložné - vysoká afinita, - exprese v CC nebo SE buňkách (AtSUC1, AtSUC2, AtSUC5,
AtSUC8, AtSUC9,)
Subrodina 3: jednoděložné - vysoká afinita, exprese v CC nebo SE buňkách
( AtSUT2)
Subrodina 2
Subrodina 4:
jednoděložné
dvouděložné
nižší afinita
( AtSUT4)
prodloužená centrální smyčka, lokalizace
do CC a SE zdroje ve vegetativních sincích
Vakuoly, plasmalema ?
Subrodina 5: jen necharakterizované transportéry jednoděložných
AtSUT2 senzor ?
AtSUC 2
AtSUC4
Některé SUT nejsou specifické pro transport sacharózy,
transportují také např. maltózu, turanózu, některé glukosidy, nebo i syntetické
deriváty jako sukralóza – chlorovaná sacharóza, ne rafinózu
Všechny dosud charakterizované … H+ sympotréry se stechiometrií 1:1
 rodina transportérů SWEET
Usnadněná difúze, 7 transmembránových domén.. (A. thalina 17 genů)
Otázka ??? Jak je transportována sacharóza do vakuoly ???
Kühn a Grof, 2010; Schneider et al., 2012; Doidy et al., 2012; Doidy et al., 2012
Transportéry
Regulace SUT/SUC
Sacharózový transport přísně regulován
 Regulace s vývojem listu : mladý list 0 exprese, vývoj listu  exprese (vodivá pletiva),
začíná v listových špičkách – pokračuje k bázi. Neúplná vazba na vývoj vodivého pletiva –
zastínění - 0 exprese.
 Regulace exprese pod kontrolou přísunu asimilátů z MC
 Aktivita nepřímo úměrná turgorovému tlaku v SE
Za sucha --  pokles tlaku…  aktivity transportérů… stabilizace tlakového gradientu
Při nedostatečném přísunu asimilátů pokles tlaku kompenzován akumulací iontů
 regulace vnějšími podmínkami –
teplotou, světelnými podmínkami, fotoperiodou, stresem, napadením patogenem..
Mechanismy regulace SUT/SUC
 regulace exprese
 regulace na posttranskripční úrovni- regulace pomocí miRNA
(u všech At SUT s výjimkou At SUT2 a AtSUT4)
Regulační role StSUT4 .. (ovlivnění kvetení a tuberizace)
 fosforylace proteinu (AtSuc 5; AtSUC1)
 redox-regulace – cílení a dimerizace při oxidativním prostředí- zvýšení
aktivity (StSUT1, LeSUT1)
 regulace interakcí protein-protein (interakce s proteiny v membráně, ale i v ER)
 Předpokládá se regulace fytohormony (ABA), ale mechanizmus ???
Transport StSUT1mRNA/SUT1 do SE
Předpoklad : transport SUT do SE je předmětem regulace
SUT1 mRNA několika druhů nalezena ve floémové tekutině ??? Mobilní signál ??
Kühn and Grof, 2010
Př.: Regulace kvetení a tuberizace u bramboru
StSUT4 působí  Přes StSUT1 na export
sacharózy z listů
 Přes COL3 na syntézu
mobilního signálu FT
 Přes ovlivnění syntézy
giberelinů
Chincinska et al., 2008
Transportéry
Hexózové transportéry
Dvě genové rodiny:
 rodina monosacharidových (MST) transportérů
Monosacharidové
transportéry
Arabidopsis
Regulace cytosolické
koncentrace redukujících cukrů
Hexózové transportéry se většinou
přímo transportu na dlouhou
vzdálenost neúčastní ALE!!!
Nepřímo jej výrazně ovlivňují
Arabidopsis :
MST transportéry- genová rodina
o 53 členech !
Thompson, 2006
Slewinski, 2011
Fylogenetický strom
monosacharidové transportéry
53 genů Arabidopsis (černá)
62 genů Medicago trunculata (modrá)
68 genů rýže (červená)
GSL =ERD
Doidy et al., 2012
Transportéry
Hexózové transportéry
MST lze rozdělit do 7 skupin (uvnitř skupiny podobnost 42-96%), 12 transmembránových
domén
Skupina 1. Nejlépe prostudovaná skupina (značení STP- sugar transport protein ) –
Arabidopsis 14 genů
hexózové transportéry plazmatické membrány, H+ symportéry,
transport hexóz z apoplastického prostoru do buněk
AtSTP1, vysoká afinita, transportuje monosacharidy, ne fruktózu
lokalizace: klíčící semena; kořeny semenáčků; svěrací buňky děloh, listy růžice, stonky, kališní lístky
exprese: stoupá za tmy, denní rytmus s vrcholem kolem poledne
AtSTP 2
lokalizace: pyl,
AtSTP 3: nízká afinita
lokalizace: zelená pletiva,
poranění, útok patogena
AtSTP 6 lokalizace: pyl
AtSTP 9 lokalizace:
pyl (jediný specifický
pro glukózu)
AtSTP 11: lokalizace: pyl
AtSTP 4 : vysoká afinita
AtSTP 13:
lokalizace: špičky kořenů, pylové lokalizace: vodivá pletiva
láčky, listy, exprese stoupá po
korunních lístků, indukce
poranění a napadení patogenem
během PCD
: H+ symportéry
Vysoká afinita (kromě AtSTP3)
Široké spektrum monosacharidů
(kroměAtSTP9 a AtSTP14)
Role ve vývoji sinků (kromě
AtSTP3)
AtSTP 14: specificky
transportuje galaktózu
Transportované cukry: glukóza, fruktóza, galaktóza, manóza, xylóza
Transportéry
Skupina 2: VGT
(Vacuolar glucose transporters)- Arabidopsis 3 geny, transportuje glukózu
AtVGT 1 a 2 na tonoplastu antiport s H+
AtVGT 3 ? chloroplast
Skupina 3: TMT–
(tonoplast monosaccharide transporters) – Arabidopsis 3 geny,
tonoplastové glukózové transportéry, transport za stresových podmínek
Skupina 4:pGlcT –
plastidové glukózové transportéry Arabidopsis 4 geny
Možná spražený transport s H+, u jednoho prokázána lokalizace na Golgi, (Přes vysokou identitu- různé funkce)
Skupina 5: PMT
(Polyol/monosacharide transporters) Arabidopsis 6 genů
Transportují širokou škálu polyolů a monosacharidů, sorbitol, manitol, xylitol, xylóza, glukóza,
fruktóza, galaktóza
Skupina 6:INT
(Inositol transporters) Arabidopsis 4 geny
vysoce specifické myo-inositol/H+ symportery na membráně, na tonoplastu, exprese v
pylu a v CC , pravděpodobně ? syntéza RFO
Skupina 7: ERD-like –
(early-responsive to dehydratation)- pasivní ale selektivní,
glukóza, fruktóza, galaktóza, manóza, xylóza, nejméně znalostí, mobilizace výtok z vakuoly
Arabidopsis 19 genů
SWEET-
malé proteiny (Arabidopsis -17 genů), 7 trasnsmembránových domén,
oboustanný uniport glukózy, lokalizace na plazmatické membráně,
Slewinski, 2011
ERD
Doidy et al., 2012
Transportéry
Cukr v xylému
Hexózové transportéry nalezeny v xylému
V zimě - floémový tok téměř zastaven, rostliny v dormanci
sacharidy v xylému, prevence proti zmrznutí a poškození
Na jaře – obnova funkce (embolismus)
– transport mobilizovaných zásob v kmeni a kořenech
Javor cukrový
Transportéry
???? Otázky
kolem hexózových transportérů
 Jak se děje transport do vakuoly ???
 Proč tolik různých transportérů v pylu?
 Proč v pylu hexózové transportéry ?
 Jak fruktóza z rozštěpené sacharózy vstupuje do buňky ?
 Jak se liší funkce u těch lokalizovaných na stejné místo ?
 Regulace jak na transkripční, tak post-transktipční úrovni ?
 Malý efekt vyřazení jednotlivých transportérů ???
 Jak je zajištěn transport glukózy přes plastidové membrány ???
 Jak jsou vykládány RFO .. účast hexózových transportérů ???
Transportéry
Př.: Transgenní rostliny bramboru
Transport z listu (nakládání do floému)
apoplastem nebo symplastem ?
Transportéry
Př.: Transgenní rostliny bramboru
Transport z listu (nakládání do floému)
apoplastem nebo symplastem ?
transformace : exprese invertázy v buněčné
stěně ve zdrojovém listu
MC
floém
sacharóza
hexózy
invertáza
Redukovaný růst kořenů
Redukovaný výnos hlíz
Hromadění cukrů a škrobu v listech
Transport do floému za účasti apoplastu,
transport sacharózy
Transportéry
Př.: Transgenní rostliny bramboru
Transport z listu (nakládání do floému)
apoplastem nebo symplastem ?
transformace : exprese invertázy v buněčné
stěně ve zdrojovém listu
MC
floém
sacharóza
hexózy
invertáza
Redukovaný růst kořenů
Redukovaný výnos hlíz
Hromadění cukrů a škrobu v listech
Transport do floému za účasti apoplastu,
transport sacharózy
Transport asimilátů (vykládání floému) do
buněk sinku ??
Transportéry
Př.: Transgenní rostliny bramboru
Transport z listu (nakládání do floému)
apoplastem nebo symplastem ?
transformace : exprese invertázy v buněčné
stěně ve zdrojovém listu
MC
floém
Transport asimilátů (vykládání floému) do
buněk sinku ??
transformace : exprese invertázy v buněčné
stěně v sinku- hlíze
floém
parenchym
sacharóza
hexózy
sacharóza
invertáza
invertáza
hexózy
Redukovaný růst kořenů
Redukovaný výnos hlíz
Hromadění cukrů a škrobu v listech
Transport do floému za účasti apoplastu,
transport sacharózy
Př. : kukuřice – mutant bez invertázové aktivity
v sinku  maličká semena
Zvýšená akumulace hexóz
Zvýšení výnosu hlíz
Transport do sinku – účast apoplastu,
transport hexóz
inhibice sacharózového transportéru v sinku
 mírný  výnosu
Transportéry sacharidů a interakce – rostlina houba
Protonové pumpy: H+ ATPázy plazmatické membrány
 Podmiňují sekundární aktivní transport přes membrány
 Účastní se kontroly získávání a rozdělování živin po rostlině
Arabidopsis thaliana (AHA)
AHA 1 – všude, více v nadzemních částech
AHA 2 – všude, více v kořenech
AHA 3 – všude, zejména v CC
Otázka ?
Jedna buňka může mít i několik
isoforem genů ? Proč ?
AHA 4 – všude, hlavně v endodermis v kořenech
AHA 5 - nízká exprese všude, snad specif.
pro svěrací. b.
AHA 6 - prašníky
AHA 7 – výhradně pyl
AHA 8 – výhradně pyl
AHA 9 - prašníky
AHA 10 – nejvíce v šešulích
AHA 11 – všude
AHA 12 – pseudogen, pylu
Svěrací buňky :Vicia faba, tabák: 2 isoformy
Arabidopsis – všech 11, nejvíc AHA 1,2,5
Změny aktivity v závislosti na vnějších faktorech:
Aktivace: salinita, chladová aklimace
Inhibice: houbové elicitory, nízká teplota, vyčerpání cukrů
Regulace exprese na úrovni transkripce/ translace:
velmi malá !!!
Hlavní regulace : posttranslační změny !
Transport látek floémem
Posttranslační změny
 Fosforylace/defosforylace
 Fosforylace C-koncové domény
Vazba 14-3-3 proteinu
aktivace
N-doména vážící
nukleotid
A - řídící doména
P- fosforylační doména
Padersen et al., 2007
Transport látek floémem
Posttranslační změny
 Fosforylace/defosforylace
 Fosforylace C-koncové domény
Vazba 14-3-3 proteinu
aktivace
Hexamer: ATPáza
+ 14-3-3 protein
Ottmann et al., 2007
Transport látek floémem
Otázka ?
Posttranslační změny
Proč regulace na úrovní
posttranslační ??
 Fosforylace/defosforylace
 Fosforylace C-koncové domény
Vazba 14-3-3 proteinu
aktivace
 Modulační fosforylace
Hexamer: ATPáza
+ 14-3-3 protein
 Inhibiční fosforylace
Ottmann et al., 2007
 Změna množství enzymu
 Změna lokalizace v membráně
Otázka ?
Jaké kinázy a fosfatázy?
Jaká jejich regulace ??
Zdrojová buňka
Transport do vakuoly
Nedostatečné informace o tonoplastových transportérech,
exprese identifikovaných hlavně v sincích,
Aktivní transport do vakuoly … závislý na protonovém gradientu (transport antiportem s H+)
důležitá role H+ pump
Vakuolární H+-ATPázy („starší“ a komplikovanější )
dva komplexy
periferní V1 – 8 subjednotek (A,B,C,D,E,F,G,H)
integrální V0-
V1 - hydrolýza ATP
V0 - translokace protonu.
6 subjednotek a,c,c´c´´, d,e)
Subjednotky – s výjimkou subjednotek „VHA-a“ a
„WHA-c“ jsou ostatní subjednotky často
kódovány jedním genem
Ztrátové mutace některých genů se projeví
významně, jiné se téměř neprojeví
Lokalizace také na Golgi
Interace subjednotky A s 14-3-3 proteinem
závislá na fosforylaci
AHA-B1 nalezena v jaderném komplexu s HXK !
Účastní se glukózové signalizace
Zdrojová buňka
Vakuolární H+-PPázy
(H+ pyrofosfatázy)
Jedna subjednotka, funkční homodimer
lokalizace: vakuola, Golgi, plazmatická membrána
??? Jaký je fyziologický význam
těchto rozdílů v citlivosti??
Dva typy – typ I – závislá na K+ v cytosolu, mírně citlivá k Ca2+ inhibici
typ II – necitlivá k K+, extrémně citlivá k Ca2+ inhibici
Oba typy vyžadují Mg2+ jako kofaktor
Nalezen interakční motiv pro vazbu s 14-3-3 proteinem
Zdrojová buňka
Vakuolární H+-PPázy
(H+ pyrofosfatázy)
Jedna subjednotka, funkční homodimer
lokalizace: vakuola, Golgi, plazmatická membrána
??? Jaký je fyziologický význam
těchto rozdílů v citlivosti??
Dva typy – typ I – závislá na K+ v cytosolu, mírně citlivá k Ca2+ inhibici
typ II – necitlivá k K+, extrémně citlivá k Ca2+ inhibici
Oba typy vyžadují Mg2+ jako kofaktor
Nalezen interakční motiv pro vazbu s 14 -3-3 proteinem,
??? Jaké další funkce ??
?? Ovlivňuje přesun PM H+-ATPáz na plazmatickou
membránu.
A
?? Vysoká citlivost k IAA ?? Přenos IAA signálu
???
?? Aktivace ostatních H+ pump ??
Př: Rajče s expresí H+ PPázy typu I z Arabidopsis:
Odolnost k nedostatku vody, patrně díky většímu
rozvoji kořenového systému, podobné výsledky i u
jiných rostlin.
B
Př: Arabidopsis, H+ PPáza typu I, A –
nadexprese B – ztrátová mutace
! U jiných ekotypů výrazně menší odezva