Praktikum z Fyziologie rostlin MB130C14 Dr. Michal …kfrserver.natur.cuni.cz/fr/download/pdf/2013-FR-1.pdf · Mohr H., Schopfer P.: Plant Physiology. ... Taiz L., Zeiger E.: Plant

25.2.2013

1

Fyziologie rostlinFyziologie rostlin MB130PMB130P1144

Prof. Jana AlbrechtováViničná 5, 2. patro, místnost 207konzultační hodiny – po dohodě e-mailem

http://kfrserver.natur.cuni.cz/studium/prehled.html

Dr. Michal Hála

[email protected]

Týdenní turnus

Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, doc. Albrechtová

Praktikum z Fyziologie rostlinPraktikum z Fyziologie rostlin MB130MB130C1C144

25.2.2013

2

Fyziologie rostlinFyziologie rostlin MB130PMB130P1144

No. Téma: Přednášející CZ: Datum1 Formování a struktura předmětu biologie rostlin,

Buněčné základy specifik rostlinné buňky.Jana Albrechtová 21.2.2013

2 Fotosyntéza I. Lukáš Fischer 28.23 Fotosyntéza II. Dýchání Lukáš Fischer 7.3.4 Vodní provoz Lukáš Fischer 14.3.5 Signalizace u rostlin Jan Petrášek 21.3.6 Minerální výživa rostlin Jana Albrechtová 28.3.7 Buněčné základy růstu a morfogeneze rostlin.

Pohyby rostlin, rytmicita.Jan Petrášek 4.4.

8 Vývojová biologie I: Embryogeneze, vegetativnífáze vývoje

David Honys 11.4. TEST

9 Vývojová biologie II: Generativní fáze vývoje.Rozmnožování rostlin

David Honys 18.4.

10 Rostlina a stres. Jana Albrechtová 25.4.11 Rostlinné biotechnologie; využití transgenních

rostlin v základním výzkumu a v zemědělstvíLukáš Fischer 2.5.

12 Rostlina v systémech: soužití s dalšímiorganismy.

Jana Albrechtová 9.5.

Rektorský sportovní den 16.5.

Místo konání: Viničná 7, 2. patro, B7, Zoologická posluchárna, 14:50-17:15

Kolektiv vyučujících:prof. Jana Albrechtová

garant

Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, prof. Albrechtová

[email protected]Úvod, rostlinná buňkaMinerální výživaRostlina a stresRostlina v systémech

25.2.2013

3

Kolektiv vyučujících:Doc. Jana AlbrechtováDr. Lukáš Fischer

Fotosyntéza, dýchání,Vodní provozBiotechnologie


Kolektiv vyučujících:Doc. Jana AlbrechtováDr. Lukáš FischerDr. Jan Petrášek

Signální dráhy, fytohormony


25.2.2013

4

Kolektiv vyučujících:Doc. Jana AlbrechtováDr. Lukáš FischerDr. Jan PetrášekDr. David Honys

Růst a vývoj rostlin– molekulární základy


Kolektiv vyučujících:Webová podpora kurzu:

http://kfrserver.natur.cuni.cz/fr/

Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, doc. AlbrechtováPřednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, doc. Albrechtová

25.2.2013

5

Místnost - přednáška:

čtvrtek, 14:50-17:15

Zoologická posluchárna B7, Viničná 7,

2. patro


Zkouška:Způsob klasifikace kurzu: B130P14

Známka za absolvování kurzu Fyziologie rostlin B130P14 pro odbornoubiologii se skládá z několika součástí:

1. Semestrální test po první části kurzu, tj. na přednášce 11.4.2013

3. Zkouškový test: ve zkušebním termínu.


25.2.2013

6

Zkouška:Nutnou podmínkou pro připuštění ke zkoušce je složit semestrální test nad stanovený limit

54%.

Za semestrální test je možno obdržet maximálně 100 procent.

Klasifikace semestrálního testu:Test v semestru bude ve formě otázek a 4 odpovědí (1 správná).Semestrálním testem je možné získat bonus pro zkouškový test:100%-85%: +8% pro zkouškový test84%-70%: +4% pro zkouškový test69%-55%: +0% pro zkouškový testméně než 54%: nutno psát test znovu.

Celkový bonus za výsledek testu může vylepšit celkovou klasifikaci při zkouškovém testu.


Zkouška:Studenti, kteří test napsali a nejsou spokojeni s výsledkem mají též možnost psát test

znovu, avšak s následujícím rizikem: při rozhodnutí psát test znovu bude předchozívýsledek testu anulován, tj. dosáhnete-li horšího výsledku než při prvním pokusu,započítává se Vám výsledek druhý, nezávisle na předchozím výsledku.

Zkouškový test

Zkouškový test je pouze formou otázek (celkem 25) a je třeba vypsat odpověď.

K celkovému počtu bodů získaných při závěrečném testu se připočítávají body získanéza semestrální test v rozsahu 0-8% dle výsledků ze semestrálního testu.

Výborně: 100%-85%:Velmi dobře: 84%-70%:Dobře: 69%-55%:


25.2.2013

7

Studijní materiály - česky:

Pavlová L.: Fyziologie rostlin. - Karolinum, Praha 2005.Luštinec J., Žárský V.: Úvod do fyziologie vyšších rostlin. - Karolinum, Praha, 2003.

http://kfrserver.natur.cuni.cz/studium/prednasky/pavlova/fyziologie_rostlin/index.html(jednotlivé kapitoly jsou ke stažení ve formátu pdf)

(Procházka S. a kol.: Fyziologie rostlin. - Academia, Praha, 1998. – pozor, chyby!!!

Kincl M., Krpeš V.: Fyziologie rostlin. - Ostravská Univerzita, 1994.

Masarovičová E., Repčák M. a kol.: Fyziológia rastlín. - Univerzita KomenskéhoBratislava, 2002.)


Studijní materiály - anglicky:

Taiz L., Zeiger E.: Plant Physiology. - Sinauer Associates, Inc., Sunderland,Massachusetts 2006, 4th edition.

Salisbury F.B., Ross C.W.: Plant Physiology. - Waldsworth Inc., California, 1992.

Buchanan B.B., Gruissem W., Jones R.L.: Biochemistry and MolecularBiology of Plants. - Am. Soc. Plant Physiol., Rockville, Maryland 2001.

Mohr H., Schopfer P.: Plant Physiology. - Springer, Berlin, 1995.


25.2.2013

8

Studijní materiály - anglicky:

Taiz L., Zeiger E.: Plant Physiology. - Sinauer Associates, Inc.,Sunderland, Massachusetts 2006, 4th edition.

Buchanan B.B., Gruissem W., Jones R.L.: Biochemistry andMolecular Biology of Plants. - Am. Soc. Plant Physiol., Rockville,Maryland 2001.

http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, prof. Albrechtová

www.plantphys.net


25.2.2013

9

Stromy jsou z kapustových listů, skály ze sladkýchbrambor, propast z chleba a nebe z purpurové čekanky.

www.carlwarner.com/


Rýže, kokosový ořech, různé druhy obilí a purpurové nebeze zelného listu. Pastýřská krajina.

www.carlwarner.com/


25.2.2013

10

Přednáška 1: Fyziologie rostlin

- charakteristika oboru– význam rostlin v přírodě a pro člověka:globální problémy, fotosyntéza, zemědělství– historický přehled oboru- Specifické struktury a funkce buňky rostlinné:


Co jsou rostliny obecně?


25.2.2013

11


• Zelené?• Fotosyntetizující ?


Ernst Haeckel

(1834-1919)

“Ontogeneze opakujefylogenezi”

Strom života


25.2.2013

12

Strom života podle Haeckela

Monofyletický strom života

Ernst Haeckel's Monophyletic tree oforganisms, 1866. Biologists at the

time identified three major groups ofspecies: animals, plants and

protista; primitive, mostly unicellular,organisms.

plus.maths.org/content/reconstructing-tree-life

Strom života


Strom životaTradiční členění organismů (Whittaker 1969)• Monera (prokaryotes)/Bacteria

+ Archaea

• • Protista

•Animalia (Metazoa)

• Plantae

• FungiALE: skupiny nejsou monofyletické – tzn.nazahrnují jen potomky společného předka

(„Protista“ jsou sběrná skupina pro to, co se jinamnehodí. Některá jsou také zelená.)


25.2.2013

13

Strom nebo kruh života ?

Převzato: Cvrčková


http://tolweb.org/Angiosperms/20646

The Tree of Life Web Project (ToL)is a collaborative effort of biologistsand nature enthusiasts from aroundthe world. On more than 10,000World Wide Web pages, the projectprovides information aboutbiodiversity, the characteristics ofdifferent groups of organisms, andtheir evolutionary history(phylogeny).

http://tolweb.org/

Fylogeneze


25.2.2013

14


tellapallet.com/tree_of_life.htm

Primárníí zdroje pro schéma:

• The journal Science (13 June2003: Vol. 300. no. 5626).•The NIH on-line taxonomybrowser (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/ )

Fylogeneze

Fylogeneze



25.2.2013

15

Fylogeneze




Rostliny

- červené řasy (Rhodophyta)

- glaukofyty (Glaucophyta)

- zelené rostliny (Viridiplantae)

v plastidech chlorofyly A a B.

http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Diversity_of_plants_image_version_3.png


25.2.2013

16

Charakteristika zkoumaného objektuCharakteristické znaky rostlin :

Fotoautotrofie3 genomyunikátní stavba buňky: buň. stěna, vakuola,plastidyNepohyblivost – sesilitaNeukončený růst a organogeneze, totipotenceVysoká plasticita a regenerační schopnostSekundární metabolity: lignin, alkaloidy…Nepřítomnost struktur analogických CNS


Rostliny – sesilní organismy- žijí přisedle- Omezenou pohyblivost kompenzují schopností růstu směrem ke

zdrojům, jako světlo, voda, živiny- množství strategií rostlin k překonávání stresových podmínek a

množství energie vynaložené pro ochranu rostliny

modularita rostlinného tělarostlina je složená z předem definovaných jednotek,které vznikají na různých místech a v různém časedle vnějších a vnitřních podmínek.Základní vegetativní jednotkou stonku je fytomera:Růst rostlin je tzv. nedeterminovaný – t.j.neukončený, mohou vytvářet své tělo různýmizpůsoby

listnod

internodium

úžlabní pupen} fytomera

převzato z přednášky Žárský a Kulich


25.2.2013

17

Experimentální biologie rostlin

=

Fyziologie + anatomie +

molekulární biologie rostlin

prostředí rostlinaneustálá výměna látek, energie, informací

vzájemné ovlivňování


vztahy fyziologie rostlin k jiným vědním disciplínám:

základní složky jsou:cytologie, anatomie, morfologie rostlinbiochemiemolekulární biologie

discilíny blízké:genetikaekologie a půdní biologie

disciplíny metodicky využívané:chemie – organická, fyzikální, analytickáfyzika a biofyzikamatematika – statistika, modelování

fyziologie rostlin tvoří zázemí:agronomie – rostlinná výroba, zahradnictví, lesnictvífytopatologie


25.2.2013

18

fyziologie rostlin jezaložena na pozorováních a experimentech

....a to na všech zmíněných úrovních studia!

......experimentální biologie rostlin

Metodický přístupy:Metodický přístupy:

molekulární, buněčná biologie,

cytologie, biochemie, anatomie,

kultury in vitro,

terénní przkům, dálkový průzkum Zeměhttp:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, prof. Albrechtová

Charakteristika oboru:

fyziologie rostlin studuje životní procesy rostlin

fotosyntézadýchání

vodní režim rostlinyminerální výživatransport látek v rostlině

interakce s prostředím a stresové reakcerůst a vývoj rostliny


25.2.2013

19

fyziologie rostlin

směřuje k poznání a pochopení rostliny jakooptimálně funkčního, vnitřně koordinovaného celku

existujícího v těsné interakci s prostředím

prostředí rostlinaneustálá výměna látek, energie, informací

vzájemné ovlivňování

jak rostlina funguje a jakou má stavbujaký je vztah struktury a funkcejak se fungování rostliny i její stavba mění

- v závislosti na fázi vývoje rostliny- pod vlivem podmínek prostředí


různé hierarchické úrovně studiaod molekul přes buňky k ekosystému

4 m 2 mm25 mm30m 0.75 mm 30 um

ekosystém /porost

rostlina jakocelek orgán pletiva buňky

organely asubcelulárnístruktury

zvětšení


25.2.2013

20

Význam rostlin v přírodě

rostliny – fotoautotrofní organizmypřenesly život na souš!!!

absorbují zářivou sluneční energiia přeměňují ji na energii chemických vazeb

energie chemických vazeb je použita:

k asimilaci anorganických sloučenin do látek organickýchCO2, NO3

-, SO42-

k tvorbě nových organických sloučenin s vyšším obsahemenergie


(cyanobacteria)

rostliny (fotosyntetické organismy vůbec) jsou významnýklimatický činitel

Lawlor, 1993http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, prof. Albrechtová

25.2.2013

21

energie chemických vazeb je využita

v životních procesech rostlin samých

životních procesech dalších heterotrofních organizmů


zdroj energie pro životní procesy – potrava rostlinnáživočišná

rostliny stojí na počátku potravního řetězce

dodávají minerály do biosférytvoří vitaminyprodukují pochutinyléčivé látky

Význam rostlin pro člověka

Chininovník lékařský

Kakaovník pravý


25.2.2013

22

zdroj energie pro životní procesy – potrava rostlinnáživočišná

rostliny stojí na počátku potravního řetězce

dodávají minerály do biosférytvoří vitaminyprodukují pochutinyléčivé látkyzdroj surovin – dřevo, vlákna

přírodní barvivatříslovinyvonné esence pro průmysl




fosilní energetické a surovinové zdrojeuhlí, ropa, zemní plyn

energie v chemických vazbách stabilních organickýchsloučenin může být uchována po desítky milionů let

tyto zdroje jsou limitované, konečné a neobnovitelné!!!

........stromové kapradiny, plavuně, přesličky z doby karbonu – před 360 až 286 miliony let


25.2.2013

23


Rostliny a rozkvět a pád lidské civilizace MB130P77, Doc. Lipavská,Katedra experimentální biologie rostlin, letní semestr

http:/kfrserver.natur.cuni.cz/studium/prehled.html Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, prof. Albrechtová

Katedra Fyziologie rostlin, http://kfrserver.natur.cuni.cz Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta

Čím je experimentální biologierostlin zajímavá a jak nám můžepomoci ….

25.2.2013

24

Problémy lidstva v 21. století

• Globální klimatické změny


• Potravinová krize a hlad

• Úbytek dostupnosti vody v krajině:dezertifikace

• Nárůst světové populace

Rostliny jsou důležitá součástřešení



25.2.2013

25

Problémy lidstva ve 21. století – nárůst světové populace


http://www.fao.org/

925 milionů lidí trpí podvýživou (2010)

Organizace pro výživu a zemědělstvíagentura OSN se sídlem v Římě, založená v roce 1945



25.2.2013

26



• Nárůst světové populace: Potravinová krize a hlad

Současné zemědělství: musí uživitstále více lidí



• Nárůst světové populace: Potravinová krize a hlad

Půda: hnojiva, znečištění půd, zasolení, těžké kovy, kyselost

Voda: až 70% celkové světové spotřeby na zavlažování !

Produkční limity rostlin: šlechtění na objem i na kvalitu

Produkční ztráty výnosu rostlin: škůdci, stresy, patogeny

Současné zemědělství:limity a možnosti

25.2.2013

27

Přednáška Fyziologie rostlinFyziologie rostlin MB130P74MB130P74 Katedra experimentální biologie rostlin, Z. Lhotáková

Vyšší nároky na zemědělskou produkci:řešení: ROSTLINY

- s vyšším výnosem- odolnější vůči patogenům- odolnější vůči faktorům prostředí (sucho, mráz, zaplavení)


...nové genotypyŠLECHTĚNÍ, GENETICKY MODIFIKOVANÉ ROSTLINY

zlatá rýže – enzym pro syntézuβ−karotenu, prekurzoru vitaminu A




MB130P19I Biotechnologie a genové inženýrství rostlin – prof. OpatrnýZdeněk

MB130P46 Molekulární genetika rostlin, Fischer Lukáš


25.2.2013

28

Problémy lidstva ve 21. století – Nedostatek vody,dezertifikace, otevřený vodní cyklus

např. Čína – extrémní sucha, písečnébouře


Nárůst koncentrace CO2 v atmosféře

Problémy lidstva ve 21. století – klimatické změny,cyklus uhlíku, důležitost vegetace, odlesňování

pokles odlesňování v Brazílii v roce 2007 více než o polovinu (11 000 km2 ročně)


25.2.2013

29


MB130P60 Globální změny, fotosyntéza a trvale udržitelný rozvojAlbrechtová Jana , letní semestr


Problémy lidstva ve 21. století – vzdušné znečištění,kontaminace půdy – těžké kovy...

sokolovsko, výsypka Lomnice


25.2.2013

30

....a proč je důležitépředávat to dál.....

Čím je experimentální biologie rostlin zajímavá aproč je důležité o ní něco vědět?

Praha, červen 2010Praha, červen 2010

Ekvádor, březen 2010Ekvádor, březen 2010


Historie oboru

25.2.2013

31

Historický přehled

Theophrastus~ -370 až -286

Středověk ho uznával jako otce botaniky, otce taxonomie(rozdělení rostlin na jednoděložné a dvouděložné)

Titulní strana ilustrované Historia Plantarum vydaní z roku 1644


Jan Baptista van Helmont (1577 – 1644)Člověk když jí, tak roste.Ale z čeho roste strom …?

Z vody.

Pokus svrbou

Historický přehled


25.2.2013

32

Joseph Priestley (1733 – 1804)Velká Británie, duchovní, teolog a přírodní filosof

důkaz kyslíku, jakoproduktu fotosyntézy


Justus von Liebig (1809 – 1873)německý chemikmimo jiné: rozvoj chemie - zvláště v oblasti agrochemie a organické chemiepříjem dusíku rostlinami v minerální formězakladatel aplikace průmyslových hnojiv

Liebigův zákon minima:Rostliny jsou životně závislé na tom prvku, který je

v jejich životním prostředí obsažen nejméně


25.2.2013

33

Charles Darwin (1809 – 1882) 1880, The Power of Movement in Plants

Experimenty s koleoptilí ovsa..prokázaly existenci účinné látky podporujícíprodlužování buněk (Auxein = růst)


Julius von Sachs (1832 – 1887)...chlorofyl není rozpuštěn v buňce ale lokalizovánve speciálních tělískách - chloroplastech

...první viditelný produktfotosyntézy je škrob v podobězrn v chloroplastech

hydroponická kultivace rostlin


25.2.2013

34

„buněčná teorie“o funkční totipotenci somatických buněkmnohabuněčných organizmů

SCHLEIDEN 1838 rostlinySCHWANN 1839 převzal pro živočichy

ZÁKLADNÍ a MINIMÁLNÍ jednotka schopná života

chemický základ podobný, tvar a funkce značně odlišné

buněčná teorie = bez buňky neexistuje život


Gottlieb Haberlandt (1854 – 1945)• fyziologická anatomie, zabývající se předevšímvztahy mezi strukturou a funkcí

• otec oboru in vitro kultivace rostlinných buněk,pletiv aorgánů

• 1902 Hypotéza Totipotence rostlinných buněk....dokázána až v roce 1965


25.2.2013

35

•Totipotencerostlinných buněk až1965…..


Gottlieb Haberlandt (1854 – 1945)

Sběratel zklanání…

MB130P11 Rostlinné explantáty Lipavská Helena

25.2.2013

36

Bohumil Němec (1873 – 1966)

Již r. 1900 se postaral o senzaci:předložil hypotézu, podle nížrostliny vnímají zemskou tížiprostřednictvím posunuškrobových zrn.

http://abicko.avcr.cz/cs/2006/4/12/bohumil-nemec-12.3.18737.4.1966.html

Rektor UK, stál u zrodu PřF UK


Rudolf Dostál (1885 – 1973)

Vysoká škola zemědělská v Brně (nyní Mendelovazemědělská a lesnická univerzita)škola experimentální morfologie

Studium fytohormonů

...kontinuita – doc. Zažímalová (ÚEB AV ČR)


25.2.2013

37

Folke SKOOG, Carlos Millerzákladní model organogenezezákladní regenerační strategie

sporofytu ??

Auxin : cytokininpoměr auxinů a cytokininů určuje morfogenní odpověď


M. Calvin (1911-1997) Nobelova cena za chemii 1961

Calvinův cyklus, fixace CO2


25.2.2013

38

Modelové rostliny

Funkční genetika Arabidopsis - fenotypová analýza mutantních rostlinModelové rostliny: ARABIDOPSIS


25.2.2013

39

- huseníček

Haploidní sada 5 chromozómů, relativněmalý genom

-mapa genomu

- mutanti: změněná sekvence DNA,fenotypová odchylka

- WT

Značení:

Embryonální mutant gurke

Příslušný lokus (gen) GURKE

Bílkovina kódovaná tímto genem: Gurke

Modelové rostliny: ARABIDOPSIS


biology.kenyon.edu/.../Chap12/Chapter_12A.html foto od Jim Haselhof

http://www.bioone.org/doi/book/10.1199/tab.book?cookieSet=1

Modelové rostliny: ARABIDOPSIS


25.2.2013

40

Physcomitrella patens - čepenka odstálá

• zástupce nižších rostlin• 511 Mb• osekvenovaná 2006• hlavně pro studium

vrcholového růstu abuněčné polarity

Modelové organismy



• kulturní plodina•šlechtěna indiány již před 8700 lety•obrovský ekonomický význam•85% americké kukuřice je transgenní

•oddělené samčí a samičí květenství• velký genom – 2300 Mb,10 chromosomů.Osekvenován v roce 2007.

pomocí mozaikovitého černého zbarvení zrn kukuřicepředpovídala Barbara McClintock existenci mobilníchgenetických elementů – transposomů. Ty mohou přerušitdominantní alelu W (bílá zrna) a umožnit funkci recesivníW+ (černá zrna). Když se transposom vyčlení z W, jehofunkce se obnoví.

Modelové organismy

Zea mays – kukuřice setá



25.2.2013

41

Oryza sativa – rýže setá

• opět zemědělské důvody• 466 Mb, 12 chromosomů• osekvenovaná v roce 2005

Až 20% kalorické spotřeby lidstva je právě zrýže

Modelové organismy

Další modelové organismy– s hospodářským významem: sója luštinatá, pšenice...


http://irri.org/


Populus trichocarpa -topol chlupatoplodý

• Model dřevin - velice důležité pro výzkumsekundárního těla rostlin

• Rychle rostoucí• 550 Mb,19 chromosomů osekvenován v

roce 2006, jako první dřevina

Wullschleger S. D. et.al.Plant Cell 2010:14:2651-2655

sklizeň topolů vamerickém Oregonu.Těmto topolům je teprv 7let!

Modelové organismy



25.2.2013

42


http://genomevolution.org/wiki/index.php/Sequenced_plant_genomes

Published genomes in black. Speciesmarked in lighter shades of gray areless complete or less available. Branchlengths are NOT proportional toanything

Modelové organismy

Published by AAASS. S. Merchant et al., Science 318, 245 -250 (2007)

A schematic of a Chlamydomonas cell (from transmission electron micrographs) showingthe anterior flagella rooted in basal bodies, with intraflagellar transport (IFT) particlearrays between the axoneme and flagellar membrane, the basal cup-shaped chloroplast,central nucleus and other organelles

Modelové organismy


25.2.2013

43

Chlamydomonádyjako model studiabiologie vyšších rostlini živočichů

Proteiny a geny „komplexuplastidového“ …rostliny

Proteiny a geny „komplexubičík/řasinky“ …živočichovévčetně člověka

Modelové organismy


ZÁKLADNÍ PŘEDPOKLADY EXISTENCE BUŇKY

• 1. TOK LÁTEK, CHEMICKÁ PŘEMĚNA AVÝDEJ

• 2. TOK ENERGIEAbsorpce energie z okolí,její přeměna na volnou energii,využití volné energie,

• jen volná energiemůže vykonávat práci• Pro existenci buňky je nutný neustálý přílivenergie do buňky

• 3. TOK INFORMACEvnitřní paměť buňky –všechny informace determinujícíprincipy její struktury a funkcí

• replikace genetické informace• exprese genetické informace

Buňky mohou selektivně vyuţívat různé části své genetické

informace podle podnětů ze svého okolíhttp:/kfrserver.natur.cuni.cz/studium/prehled.html Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, prof. Albrechtová

25.2.2013

44

Buněčná specifikarostlinných buněk

Rozdíly mezi buňkamirostlinnými a živočišnými


Eukaryotní buňky:Rozdíly mezi rostlinnou a živočišnou buňkou :

http://sun.menloschool.org/~cweaver/cells/před 1 400 000 000 lety

Buněčná specifika rostlinných buněk


25.2.2013

45

Vakuola

Buněčná stěna

plastidy

Buchanan et al.

Buněčná specifika rostlinných buněk

nejen rostlinné, ale vmnohém jiné:

* jádro* mitochondrie* cytoskelet


Jádro

jaderný obal-karyotheka

jadérko-nucleolus

endoplazmatickéretikulum

jaderný pór

http://course1.winona.edu/sberg/241f05/Lec-note/Cells.htm

chromatin

• nese a uchovává genetickou informaci• syntetizuje mRNA• skladovací a signální kompartment umožňujícísyntézu řadu regulačních makromolekul (siRNA,proteiny)

převzato z přednášky Žárský a Kulich, fyziologie rostlin


25.2.2013

46

remodelace chromatinueuchromatin– transkripčně aktivní

heterochromatin– kondenzovaný, transkripčněneaktivní

Histony H2A, H2B, H3 a H4 tvoří histonové jádro, kolem kterého seobtáčí DNA.Acetylace histonů chromatin rozvolňuje a umožňuje přístuptranskripčnímu aparátuDeacetylace naopak chromatin kondenzuje



Jaderná membrána

Samir S. Pater:http://video.google.com/videoplay?docid=6374761646657730470#


• ze dvou paralelních membrán• vnější membrána propojena s ER•slouží jako nukleační jádro cytoskeletu• až 30 % povrchu tvoří jaderné póry•jaderné póry zabezpečují specifickýtransport bílkovin a RNA do/z jádra.


25.2.2013

47

Buchanan et al. 2OOO

Endomembránovýsystém -

.....proč?

1. cytoplazmatická membrána2. endoplazmatické retikulum3. Golgiho aparát4. jaderná membrána5. tonoplast (vakuolární m.)6. oleozómy


Buchanan et al. 2OOO

Membránové systémy-kompartmentace:Různé reakční prostory

potřeba gradientů iontů (H+) proenergetické procesy v buňce

Komunikace mezi kompartmenty– pomocí váčků

hotovost látky v kompartmentu:pool


25.2.2013

48

Cytoplasmatická membrána - plasmalema

Plasmalema - propojena s buněčnou stěnou

Důkazem toho jsou hechtovy provazce,které vznikají při plazmolýze

Hechtovy provazce

fosfolipidová dvouvrstva s obsahem sterolů a s mnoha proteiny

transmembránové (prostupují membránou)

periferní - zasahují do membrány jen částečně.



Cytoplasmatická membrána - plasmalema

Hechtovy provazce1) Je bariérou pro volnou difúzilátek rozpustných ve vodě

2) Svojí semipermeabilitou apřítomností různých transportníchkanálů, pump a přenašečů řídípasivní i aktivní transport látekmezi buňkou a jejím prostředím.

3) Podílí se na tvorbě buněčnéstěny.

4) Prostřednictvím zvláštníchreceptorů přijímá signály z okolí apředává je do buňky.


25.2.2013

49

Endomembránový systém

nezbytný pro vznik buněčné stěny•hemicelulózy a pektiny syntéza v Golgiho aparátu

•sekretorickými vezikuly doprava do buněčné stěny, stejnějako prekurzory ligninu


•Endoplazmatické retikulum•Golgiho aparát


Endoplazmatické retikulum (ER)proměnlivý kompartment, složený z tubulů a cisterenfunkčně rozlišujeme drsné a hladké ER

• drsné ER (vzhled způsoben množstvím ribozomů) - syntéza proteinů

• hladké ER syntéza lipidů a dodává materiál pro všechny membrányendomembránového systému a plasmalemy

• syntéza zásobních triacylglyceroly - tvorba tzv. oleosomů

drsné ER hladké ER

ER slouží jako zásobárnavápníku, který po stimulaciněkterými signály vytéká zER do cytoplasmy, v nížfunguje jako tzv. druhýposel


25.2.2013

50

Endoplazmatické retikulum (ER)

kortikální ER v rostlinnébuňce se neustále mění apohybuje. Na videu jsoupatrné tubuly i cysterny.Toto videovytvořili vaši spolužáci nakurzu naší katedryMB130C30 - Praktikumz rostlinné buňky pod vedenímDr. Schwarzerové

ER je výchozím kompartmentem endomembránovéhosystému. Je velice univerzální a velice proměnlivýkompartment, složený z tubulů a cisteren. Funkčněrozlišujeme drsné a hladké ER. Drsné ER(vzhled způsobenmnožstvím ribozomů) je místem pro syntézu proteinů.Hladké ER je místem syntézy lipidů a dodává materiál provšechny membrány endomembránového systému aplasmalemy. Materiál pro syntézu - mastní kyseliny, všakpocházejí z plastidů. Také se zde syntetizují zásobnítriacylglyceroly - tvorba tzv. oleasomů

drsné ER hladké ERhttp:/kfrserver.natur.cuni.cz/studium/prehled.html Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, prof. Albrechtová

Golgiho aparát

• centrum endomembránového transportu•syntéza, třídění a úprava makromolekul

(glykosylace proteinů)•syntéza na polysacharidů buněčné stěny•tvořen z váčků - diktyosomů

GA rostlinné buňky zůstává aktivní i během mitosy (na rozdílod živočichů) a produkuje váčky fragmoplastu



25.2.2013

51

http://www.skidmore.edu/academics/biology/plant_bio/photos/photos/cellbio/Golgi%20vesicle%20forming.jpg

Tvorba váčků Golgiho komplexu


Komunikace GA s ostatními kompartmenty

Komunikace GA s ostatními kompartmenty•vezikuly opouštějící GAa plasmalemu jsouobalené dalším typemcoat proteinu -clathrinem

obalový protein I(coat protein)

obalový protein II(coat protein)


25.2.2013

52

Curr Opin Plant Biol. 2009 Dec;12(6):660-9

• transport mezi ER a Golgi jesprostředkován coat proteiny- COP•transport z ER do Golginazýváme anterogradální.Tento transport odehrávápomocí COP II vezikul.•transport z Golgi do ERnazýváme retrogradální azabezpečují ho COP I proteiny

•sestavování těchto váčků řídímalé GTPázy z rodiny ARF aSAR a také jejich GEFs a GAPs.



• GA komunikuje jak s plasmalemou, tak i sprevakuolárnímikompartmenty (PVC) a recyklačními endosomy (RE)• identita endomembránových kompartmentů jezabezpečena pomocímalých GTPáz z rodiny RAB (rat brain)• vezikuly opouštějící GA a plasmalemu jsou obalenédalším typem coatproteinu - clathrinem (ccv=clathrin coated vesicles)



25.2.2013

53

Vakuoly:Ohraničené tonoplastem - jednoduchá membrána,specifické bílkoviny

vodný roztok různých látek : neprotoplazmatická fáze –šťáva buněčná

Vznik z váčků GA, ER

Meristematické buňky obsahují více drobných vakuol,diferencované zralé buňky obsahují většinou velkoucentrální vakuolu.

V jedné rostlinné buňce často existuje několik různých typů vakuol

převzato od Dr. Votrubové


Vakuola - funkce:1. Homeostáze cytoplazmy, např. pH jak

protonové, tak vápníkové pumpy

2. Zásobní

3. odpadní, detoxifikační (alkaloidy, silicea kaučuk ) málo rozpustné krystalyšťavelanu vápenatého

4. Interakce rostliny s prostředímanthokyany a další flavonoidy

5. Lysozomální kompartment

6. Vodní hospodářství buněk

7. Růst buněk (turgor), stavební fce –vakuoly přispívají k pevnosti strukturypletiv a orgánů

Lytická vakuola

zásobnívakuolaobsahujícíproteiny

aleuronová vrstva v obilce pšenice


25.2.2013

54

Vakuola – osmotickýsystém

http://knicelybiology.pbwiki.com/Chapter+9+Section+2:+Page+2

Hypotonický roztok Izotonický roztok Hypertonický roztok

Živočišná buňka

Rostlinná buňka

Lyzovaná Normální

Turgescentní (normální) Ochablá Plazmolyzovaná

Svraštělá


Plazmolýza pokožkových buněk Rhoeo discolorfoto Schwarzerová a kol.

Vakuola – osmotický systém

Pokožkav roztoku1% sacharozy


25.2.2013

55

Peroxisomy

ohraničené jednotkovou membránou,specializované na oxidační reakce

katabolismus mastných kyselin b-oxidací, kteráu rostlin probíhá výlučně v peroxisomech

nevznikají de novo- množí se zaškrcováním

peroxisom

V listech se podílejí na fotorespiraci


Mitochondrie

• stejně jako plastidy jsou semiautonomní• organely s dvojitou membránou

• 0,5-1 µm široké a 3 µm dlouhé• ALE: velmi dynamické organely schopné změny tvaru a velikosti v

řádu sekund (Bereiter-Hahn and Voth, 1994)

• méně než u živočichů, metabolicky aktivní buňky jich však majímnoho (třeba svěrací buňky průduchů)

• stejně jako plastidy mají vlastní genom-chondriom a množí sedělením

• vnitřní membrána je tvořena proteiny až z 70%

http://5e.plantphys.net/we11.03.01.htmlhttp:/kfrserver.natur.cuni.cz/studium/prehled.html Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, prof. Albrechtová

25.2.2013

56

Ultrastruktura mitochondrie

matrix – prostorobklopen vnitřní

membránou

kristy - vchlípeniny

mezimembránovýprostor



Cytoplasma

• obsahuje minerální ionty (kroměvápníku)

• metabolity• rozpuštěné plyny• makromolekuly – bílkoviny, nukleové

kyseliny

v cytoplasmě probíhá řada důležitých dějů:• translace a degradace bílkovin• signální dráhy

umělecká představa cytoplazmy – viskózní želatina plná proteinů


„Cytoplazma je velice viskózní a hustota koloidních částic je tak vysoká,že představa cytoplazmy jako vodného roztoku je nesprávná.“


25.2.2013

57

Pollard et al.:Science. 2009 Nov 27;326(5957):1208-12.

Cytoskelet: aktin a mikrofilamenty


Cytoskelet: aktin a mikrofilamenty

cyklóza – proudění cytoplazmy a pohyb organel po aktinových vláknechhttp:/kfrserver.natur.cuni.cz/studium/prehled.html Katedra experimentální biologie rostlin, UK PřF, prof. Albrechtová

25.2.2013

58

Cytoskelet: Tubulin a mikrotubuly• dimer α a β tubulinu mikrotubul je zložený z přiléhajících protofilament•stabilní – (mínus) konec (stabilizován γ-tubulinem)•nestabilní + (plus) konec.•MAPS- microtubule associated proteins - umožňují mikrotubulům interagovats plasmalemou, organizovat se do svazků a interagovat s organelami

Taiz and Zeiger, 2010


Motorové proteiny

• po filamentech aktinu se pohybují myoziny• po mikrotubulech se pohybují kinesiny(v živ. buňce: kinesiny směrem k + koncia dyneiny směrem k – konci)

Dyneiny ale u rostlin nejsou zatím (?) popsané(to neznamená, že neexistují :-)

pohyb se odehrává za hydrolýzy ATP



25.2.2013

59

Buněčná stěna- není jen mechanický obal protoplastu!!

- recepce vnjších podnětů chemických (pH, patogeny, symbionti) i fyzikálních (tlak, teplota)

- skladovací, odpadní, ochranný kompartment (např. ukládání těžkých kovů)

- vlastní signalizace dovnitř buňky

např. -interakce mikrofibril stěny a kortikálního MT cytoskeletu,

- kotvení preprofázového prstence MT a fragmoplastu

- nezbytná pro buněčné dělení – preprofázový prstenec MT, fragmoplast

Taiz and Zeiger, 2010


http://micro.magnet.fsu.edu/cells/plants/cellwall.html

Pektin

Hemicelulozy(xyloglukany

glukuronoarabinoxylany)

Celulozovémikrofibrily

Plazmatickámembrána

Primárníbuněčnástěna

Střednílamela

MB130P34 Biologie rostlinné buňky, Žárský V.

Buněčná stěna - struktura


25.2.2013

60

Buněčná stěna

celulozové mikrofibrily

Replika (otisk) vnějšího listu plazmatické membrány

Buchanan a kol. 2000

transportní váčkyinterakce mikrofibrilstěny a kortikálního MTcytoskeletu


Celulózasyntéza celulózy terminálním komplexem v plazmalemě


25.2.2013

61

orientace mikrofibril - růst

mikrofibrila asi 3 nm silná

tvořena 30 až 36 individuálnímiřetězci a může při počtu 14 000glc jednotek dosáhnout délky7um.

Celulóza


Střední lamela

Vrstevnatá sekundárnístěna


Plazmodesma


Vrstevnatá sekundárnístěna

Primární stěna

Primární stěna

Střední lamela

Buněčná stěna

Cytoplazma

Primární buněčné stěnya střední lamela na styku

tří buněk

Buchanan a kol.


25.2.2013

62

ER je konstitutivní součástíplasmodesmů

středem kanálkuplasmodesmu jehož stěnyjsou tvořeny plasmalemou)prochází "potrubí" ER,zvané desmotubulus, zjedné buňky do druhé

Plasmodesmy – cytoplazmatické spoje skrz buněčnou stěnu

SYMPLASTsoubor buněk propojený plasmodesmy

může jej tvořit takřka celá rostlina


Plasmodesmy – cytoplazmatické spoje skrzbuněčnou stěnu

cytoplasmatická spojení protoplastů sousedních buněkvznikají už při buněčném dělění (primární)ale mohou i později (sekundární) de novomohou být uzavírány


25.2.2013

63

Dělení rostlinné buňky (kořen huseníčku),vznik buněčné přepážky

© Matyáš Fendrych, Ústav experimentální botaniky AV ČR


Plastidy – semiautonomní organely

http://ultrastruktur.bio.lmu.de/de/forschung/tem/plastiden/index.html


25.2.2013

64

nejrůznější struktury a funkce:proplastidy až gerontoplastidy,chloro-chromo-leuko-amyloplasty, metamorfóza plastidů

- endosymbiotický původ,dvojitá membrána jako markerpůvodu

- semiautonomní,zaškrcování,spec.cytoskelet

- plastom: vlastní cyklická dvojvláknová DNA v mnohakopiích, nekóduje jen funkce související s barvivy čifotosyntézou (CMS aj.)

- genový tok mezi jádrem a plastidy

PLASTIDY



Plastidy

BAREVNÉ:chromoplasty(v širším slova smyslu)

BEZBARVÉ:leukoplasty-dělení podlepřevažujícíchzásobních látek

FOTOSYNTETICKY AKTIVNÍchloroplasty

FOTOSYNTETICKYNEAKTIVNÍchromoplasty

amyloplasty (škrob)proteinoplasty (bílkoviny)elainoplasty (lipidy)

PLASTIDY

25.2.2013

65

http://ultrastruktur.bio.lmu.de/de/forschung/tem/plastiden/index.html

Proplastid

Amyloplast

etioplast(prolamelární těleso)

chromoplast

funkční dospělýchloroplast

PLASTIDY


fotosynteticky aktivní = chloroplasty

lokalizace – hlavně listový mezofyl (ale i další....)

PLASTIDY


25.2.2013

66


granum

granum

mezimembránový prostor

lumenmembrána

stroma

vnitřní obalovámembrána chloroplastu

thylakoid

stromatální thylakoid

strukturachloroplastu

Thylakoidy, grana

PLASTIDY


struktura chloroplastu

thylakoidy

(lumen / stroma)

lipidová dvouvrstva membrány thylakoiduje nepropustná pro protony !!

PLASTIDY


25.2.2013

67

rozdíl mezi granálními (GT) astromatálními (ST) thylakoidy:

„zrna“ na GT jsou PS IIstrukturachloroplastu

PLASTIDY


Pohlcení prokaryotní buňky buňkou eukaryotníVlevo – pohlcená buňka je strávenaVpravo – pohlcená buňka zůstává a stává se endosymbiontem

Převzato od Dr. Votrubové – nová skripta

Endosymbiotická teorie o původu mitochondrií a plastidůNahoře – vznik mitochondrií pohlcením aerobní heterotrofní bakterieDole – vznik chloroplastů pohlcením aerobní fotoautotrofní bakterie (sinice)

Endosymbiotická teorie o vzniku mitochonodrií a plastidůCHLOROPLASTY: K.S. Merežkovskij 1905: fotosyntetizujícíbakterie –sinice(Synecoccocus sp.?)„1920 –teorie symbiogeneze


25.2.2013

68

Evoluce rostlinné buňky

Endosymbiotický vznik organel

Endosymbiotická teorie o vzniku mitochonodrií a plastidů


Převzato: doc. Cvrčková

MB130P30 Rostlinná cytologie Schwarzerová Kateřina

MB130P73 Biologie eukaryotické buňky Žárský Viktor

MB130P34 Biologie rostlinné buňky Žárský V.

MB130C30 Praktikum: Rostlinná buňka Schwarzerová Kateřina

Documents

Praktikum z Fyziologie rostlin MB130C14 Dr. Michal …kfrserver.natur.cuni.cz/fr/download/pdf/2013-FR-1.pdf · Mohr H., Schopfer P.: Plant Physiology. ... Taiz L., Zeiger E.: Plant