Mechanismy koncentrování CO2

C4 a CAM fotosyntéza

Mechanismy koncentrování CO2(carbon-concentrating mechanisms)

Sun, Y., Casella, S., Fang, Y., Huang, F., Faulkner , M., Barrett, S. and Liu, L. (2016). Light modulat es the biosynthesis and organization of cyanobacteri al carbon fixation machinery through photosynthetic electron flow. Pla nt Physiol. 171: 530-541. Engel, B.D., Schaffer, M., Kuhn Cuellar, L., Villa, E., Plitzko, J.M. and Baumeister, W. (2015). Native architecture of the Chlamydomonas chloroplast revealed by in situ cryo-electron tomography. eLife. 4: e04889.

Sinice:Karboxyzómy

flagella

chloroplast

nucleus

py

pyrenoid

Řasy:Pyrenoid

Rostliny:C4 a CAM

metabolismus

HCO2- CO2

C4 acids

CO2

CB cycle

PEPC

Rubisco

CA

ME n. PEPCK

Cíl: snížení oxygenázové akt. Rubisco (fotorespirace)

Karboxyzóm sinic koncentruje Rubisco a CO2

Adapted from Price, G.D., Badger, M.R. and von Caemmerer, S. (2011). The prospect of using cyanobacterial bicarbonate transporters to improve leaf photosynthesis in C3 crop plants. Plant Physiol. 155: 20-26; Badger, M.R., and Price, G.D. (2003). CO2 concentrating mechanisms in cyanobacteria: molecular components, their diversity and evolution. J. Exp. Bot. 54: 609 –622. Toyeates

HCO3-

CO2 HCO3-

HCO3-

CO2CA

Rubisco

Carbonic anhydrase (CA) anhydráza kys. uhli čité:

CO2 + H2O HCO3- + H+

obalové proteiny: - tvo ří dvacetist ěn- umožňují vstup HCO 3

-

- brání úniku CO 2- váží Rubisco- vstup a výstup metabolit ů

- asi všechny sinice- koncentrování až 1000 x- nutné transportéry - nutná CA v karboxyzómu

chloroplast

nucleus

py

Engel, B.D., Schaffer, M., Kuhn Cuellar, L., Villa, E., Plitzko, J.M. and Baumeister, W. (2015). Native architecture of the Chlamydomonaschloroplast revealed by in situ cryo-electron tomography. eLife. 4: e04889.

Tylakoidy

škrob

Rubisco Rubisco

Pyrenoidy řas a růžkatců koncentrují Rubisco a CO2

- škrobovými zrny obklopený kompartment- aglomeráty Rubisco v proteinové matrix (EPYC1 + tubuly tylakoid ů)- tvorba často indukována malou [CO 2]

Koncentrování CO2 v pyrenoidech

Adapted from Meyer, M. and Griffiths, H. (2013). Origins and diversity of eukaryotic CO2-concentrating mechanisms: lessons for the future. J. Exp. Bot. 64: 769-786.

Plasma membrane

Chloroplast envelope

Chloroplast

Pyrenoid (Rubisco)

Difúzní bariéra ze škrobu

Thylakoids

HCO3-

HCO3-

HCO3-

Bicarbonate transporter

HCO3-

CO2

CA

- transportéry HCO 3- - špatná prostupnost membránami

- nutná p řítomnost CA lumen tylakoidního tubulu- CO2 dob ře difunduje z lumen k Rubisco

Koncentrování CO2 u rostlin (C4 a CAM)odlišná strategie - komplexní stavba t ěla

- příjem CO 2 spjat se ztrátou vody

- dráha difúze CO 2 delší (až do plastidu = část cesty ve vodě!)

- gradient rel. obsahu vodní páry zpravidlavětší (RVV v listu, vn ě)

průměrně 200- 800 mol H 2Ona 1 mol CO 2

(x sinicím a řasám)

Potřeba omezení ztráty vody ⇒ zavření průduch ů ⇒ fotorespirace

TK = ΣH2O / ΣCH2Otranspira ční koef.

vacuole

PEP

Koncentrování CO2 u rostlin (C4 a CAM)Cíl: omezit ztráty vody bez současné indukce fotorespirace

Koncentrování CO2 u rostlin - princip1) vazba CO 2 (i v nízké koncentraci - karboxylace C3 kys.)

PEPc (bez rizika oxygenázové aktivity): PEP + CO2 → OAA (fosfoenolpyruvátkarboxyláza) C3 + CO2 → C4 kyselina (OAA)

PEPc: Km = 0,7- 0,05 µM (CO2) Rubisco: Km = 15 µM (CO2)

2) místn ě či časově specifické uvoln ění CO2 (dekarboxylace C4 kys.)

ME (NADP či NAD dependentní) – jablečný enzym:(dekarboxylující malátdehydrogenáza)

nebo

PEPCK (fosfoenolpyruvátkarboxykináza):

3) fixace v Calvinov ě cyklu ( Rubisco )- omezená oxygenázová aktivita díky vysoké koncentraci CO2

( )

( )

2) B. pochev cévních sv. (BSC)

dekarboxylace C4 molekuly (Mal, OAA)

vlastní (sekundární) fixace CO 2(Rubisco v Calvinov ě cyklu)

→ PGA (C3)

C4 fotosyntéza

Dvojí fixace CO 2

1) Mezofylové bu ňky (MC)

primární fixace PEPc → OAA (C4)

Reprinted from Denton, A. K., Simon, R., and Weber, A.P.M. (2013). C4 photosynthesis: from evolutionary analyses to strategies for synthetic reconstruction of the trait. Curr. Opin. Plant Biol. 16: 315–321with permission from Elsevier.

C4 fotosyntézamístně specifické uvolnění CO2 z C4 kys. v BSC

(v buňkách pochev cévních svazků)

C3

C4

Vascular bundle

Vascular bundle

Vascular bundle

Vascular bundle

BSC

Mesophyll cells

Mesophyll cells

C3: Rubisco ve všech chloroplastechC4: Rubisco jen v chlp BSC

R R

R

RR R

R

R

RR

R

R

Předpoklady pro funkční C4 fotosyntézu

- buněčně specifická exprese genů- PEPc v mesofylu - Rubisco v BSC- častá absence PSII v BSC

PROČ?

- masivní symplastická spojení mezi zdroji a sinky pro cyklující C3 a C4 molekuly

- difusní bariéra pro CO2 na povrchu pochev (suberinová vrstva)

hranice pochvy cévního svazku

BSC

MC

Plasmodesmy

Evoluce C4 fotosyntézy- paraleln ě vznikla min. 62x (19 čeledí), 3 % druh ů- 6-22 mil. let - Poaceae, Cyperaceae, Amaranthaceae- u některých C3 rostlin (tabák) je C4 fotosyntéza ve sto ncích a v řapících

Sage et al. 2011, JXB

Vývojová centra dvoud ěložných C4

Cíl: omezit ztráty vody bez současné indukce fotorespirace

C4 fotosyntéza: NADP -ME dráha

Maier A., Zell M.B.and Maurino V.G. (2011). Malate decarboxylases: evolution and roles of NAD(P)-ME isoforms in species performing C4 and C3 photosynthesis. J. Exp. Bot 62: 3061-3069by permission of Oxford University Press.

(1) Carbonic anhydrase

(2) PEPCase

(3) NADP-Malate dehydrogenase

(4) NADP-Malic enzyme

(5) Pyruvateorthophosphate dikinase

- výhodné – dekarboxylace v chloroplastu, redukce NADP- paralelně cykluje 3-PGA a triosa-P - PROČ?

(1) C

arbo

nic

anhy

dras

e

(2) PEPCase

(5) Pyruvateorthophosphate

dikinase

(3) NADP-Malate dehydrogenase

(6) Aspartate aminotransferase (6) Aspartate aminotransferase

(8) Alanine

aminotransferase

(7) NAD-Malic enzyme

Maier A., Zell M.B.and Maurino V.G. (2011). Malate decarboxylases: evolution and roles of NAD(P)-ME isoforms in species performing C4 and C3 photosynthesis. J. Exp. Bot 62: 3061-3069by permission of Oxford University Press.

C4 fotosyntéza: NAD -ME dráha

- méně výhodné – dekarboxylace v MT (cyklus NAD+/NADH)- zvýšené množství PSII v BSC - PROČ?

(1) C

arbo

nic

anhy

dras

e

(2) PEPCase

(3) NADP-Malate dehydrogenase

(5) Pyruvateorthophosphate dikinase

(6) Aspartate aminotransferase

(6) Aspartate aminotransferase

(9) PEP-carboxykinase

(7) NAD-Malic enzyme

(8) Alanine

aminotransferase

Maier A., Zell M.B.and Maurino V.G. (2011). Malate decarboxylases: evolution and roles of NAD(P)-ME isoforms in species performing C4 and C3 photosynthesis. J. Exp. Bot 62: 3061-3069by permission of Oxford University Press.

C4 fotosyntéza: PEPCK dráha(PEP carboxykinázová) - zde s NAD-ME

- méně výhodné – dekarboxylace v cytoplasmě, bez red. NADP- asi vždy v kombinaci s NAD-ME či NADP-ME (aminoskupiny)- energetizace transportu výhodnější (PEPCK x PPDK) – 1 ATP!

C4 metabolismus je často komplexní

Wang, Y., Bräutigam, A., Weber, A.P.M. and Zhu, X.-G. (2014). Three distinct biochemical subtypes of C4 photosynthesis? A modelling analysis. J. Exp. Bot. 65: 3567-3578by permission of Oxford University Press.

Klasický modelsamostatných cykl ů

Reálné smíšené cykly

Relativní příspěvek PEPCK dráhy

Fylogeneze typů C4 u lipnicovitých

(Rao and Dixon, FiPS 2016)

- všechny enzymy přítomné i u C3 – umožnilo nezávislou evoluci

Rod Flaveriaškála druhů od C3 po C4 metabolismus

Flaveria trinervia

Mallmann, J., Heckmann, D., Bräutigam, A., Lercher, M.J., Weber, A.P.M., Westhoff, P. and Gowik, U. (2014). The role of photorespiration during the evolution of C4 photosynthesis in the genus Flaveria. eLife. 3: e02478; Forest & Kim Starr .Whitney et al. PNAS 2011.

- výborný modelstudia evoluce C4 metabolismu

C2 metabolismus

Substituce Met-309-Ile ve velké podjednotce Rubisco - switch mezi pomalým s vyšší afinitou a rychlým s nižší afinitou

C2 fotosyntéza koncentruje CO2uvolněný fotorespirací v BSC

Sage R.F., Khoshravesh R., and Sage T.L. (2014). From proto-Kranzto C4 Kranz: building the bridge to C4 photosynthesis. J. Exp. Bot. 65: 3341-3356by permission of Oxford University Press.

C3 C4C2

- C2 pumpa (glycinová pumpa) – dekarboxylace jen v BSC

Opakovaná evoluce C4 fotosyntézy

Edwards E.J. (2014). The inevitability of C4 photosynthesis. eLife 3: e03702

Model evoluce – klíčové kroky zvyšující fitness:1) genové duplikace2) zvýšení poměru BSC:MC3) glycinová pumpa

Brown et al. 2011, Science

C4 metabolismus – dávná strukturn ě regula ční predispozice?

v kódující sekvenci NAD-ME je úsek navozující expres i v pochvách cévních svazk ů (i u ortolog ů z C3 !)

Independent and Parallel Recruitment of Preexisting Mechanisms Underlying C4 Photosynthesis

C4 fotosyntéza v jedné buňce- dva typy chloroplastů (periferní bez Rubisco, central compartment: s Rubisco)

Lung, S.-C., Yanagisawa, M. and Chuong, S.D. (2012). Isolation of dimorphic chloroplasts from the single-cell C4 species Bienertia sinuspersici. Plant Methods. 8: 1-13; Rosnow, J., Yerramsetty, P., Berry, J.O., Okita, T.W. and Edwards, G.E. (2014). Exploring mechanisms linked to differentiation and function of dimorphic chloroplasts in the single cell C4 species Bienertia sinuspersici. BMC Plant Biology. 14: 1-18.

Bienertia sinuspersici

C4 metabolismus v jedné bu ňcePEPc perifern ě, NAD-ME centráln ě (Bc ) či u cévních sv.v mitochondriích obklopených plastidy s Rubisco ( Ba)

Borszczowia aralocaspica Bienertia cycloptera

C4 fotosyntéza

- 3 % druh ů, 5 % rostlinné biomasy- až 20 % celkové rostlinné fixace CO 2! (travní porosty)Hospodá řsky významné C4 rostliny :

- plodiny: kukuřice, cukr. třtina, proso, merlík- plevely: lebeda, merlík

C4 se vyplatí v sušších a teplejších podmínkách:

- šet ří vodu (!!!) – přivřené průduchy (stačí méně CO2) - ale energeticky náročnější: PPDK/PEPCK + 1-2 ATP/CO2

- málo účinná při nižší teplotě (PPDK, Rubisco)

C4 fotosyntéza je výhodná při vyšší teplotě

C3 plant

C4 plant35°C

IrradianceFull sunlight

Pho

tosy

nthe

sis

10°C

C3 plant

C4 plant

IrradianceFull sunlight

Pho

tosy

nthe

sis

Adapted from C4 photosynthesis, Plants in Action

- u C4 limitace aktivitou enzymů (ATP???) - fotosyntéza není u C4 limitovaná CO2

- C4 není saturovaná ani při plné ozářenosti- při zvýšené [CO2] rozdíly mizí

50

Net

pho

tosy

nthe

sis

(µ

mol

/m2 -

sec)

0

10

20

40

30

50

60

0

10

20

40

30

50

60

Leaf temperature (ºC)20 30 4015 3525 45

330 ppm CO 2

1000 ppm CO 2

C4

C3

C4

C3

snížení [O 2] - zvyšuje rychlost fotosyntézy jen u C3 (až o cca 50 %) zvýšení [CO 2] - výhodné p ředevším pro C3

C4 rostliny jsou schopny fotosyntézy i p ři nízkých koncentracích CO 2

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25 30 35 40

C3

C4

Pokles [CO 2]v uzav řeném prostoru

Porovnání C3 a C4 rostlin

Odlišná citlivost ke zm ěnám koncentrace O2 a CO2

CO2Fotosyntéza, (fotorespirace) a respirace v rovnováze

Mossův test

Rozdíly mezi rostlinami typu C3 a C4

Parametry fotosyntézy rubisco PEPc

CO2:ATP:NADPH (teoreticky – netěsnosti!) 1 : 3 :2 1 :5 :2

teplotní optimum °C (rubisco, PPDK) 15 - 25 30 - 45

kompenzační koncentrace CO2 (ppm) 30 - 50 0 - 10

důsledky poklesu koncentrace O2 PN se zvýší PN se nemění

max. rychlost čisté fotos. PN(mol dm-2 h-1) 15 - 35 40 - 60

produkce sušiny (t ha-1 rok-1) 22 38

transpirační koeficient Tk (g H2O/g CH2O) 450 - 1100 250 - 350

účinnost využití N (produkce sušiny na množství vázaného dusíku) Nízká Vysoká

isotopová diskriminace δ13CO2 (promile) -22 až -34 -11 až -19

C3 C4Primární karboxylace

Účinnost využití vody a dusíku u C3 a C4 rostlin

Rýže (C3) Kuku řice (C4)

Vody (g DM / kg vody) 1,4 2,6 (1,9x)Dusíku (µmol CO2 s-1 / mmol N) 0,26 0,74 (2,8x)Záření (g DM / MJ pohlcené FAR) 2,2 3,3 (1,5x)

Účinnost využití dusíku = rychlost asimilace CO2 vztažená na obsah dusíku v listu

- většina dusíku je vázaná v proteinech, - u C3 rostlin tvoří až polovinu všech proteinů enzym rubisco - u C4 je méně rubisco, tedy dusík je efektivněji využit

Účinnost využití vody (produkce biomasy na jednotku vytranspirované vody)– převrácená hodnota TK (transpiračního koeficientu)- menší otevřenost průduchů (C4 fotosyntéze stačí nižší [CO2])

(orientační hodnoty: velký vliv stanoviště, klimatu, genotypu apod.!)

Diskriminace 13CO2 ve fotosyntéze je vyšší u C3

- Rubisco p řednostn ě fixuje 12CO2, pokud má na výb ěr(u C4 má rubisco v uzavřeném prostoru méně na výběr)

δ13C = ((13C/12C)vzorek - (13C/12C)atm. )) / (13C/12C)atm.

C3C4

⇒ diskriminuje rubisco, PEPc nerozlišuje 13C a 12C

Isotopová diskriminace nejen Rubisco - projevuje se i v mnoha dalších

procesech a reakcích

Von Caemmerer, S., Ghannoum, O., Pengelly, J.J.L. and Cousins, A.B. (2014). Carbon isotope discrimination as a tool to explore C4 photosynthesis. J. Exp. Bot. 65: 3459-3470by permission of Oxford University Press.

Respiration (mesophyll)

Isotope discrimination during diffusion into mesophyll cell

Isotope discrimination by carbonic anhydrase and PEPC

Isotope discrimination

by Rubisco

Respiration (bundle sheath)

CAM fotosyntéza = „sukulentní“(Crassulacean acid metabolism)

- speciální typ C4 fotosyntézy (= C4 meziprodukt)- adaptace na kritický nedostatek vody- první výskyt už před 200 mil let (Proteaceae), - recentní sukulenty především v třetihorách (40 mil let, hlavní radiace 15 mil let)- 6-7 % druhů (33 čeledí)

Problém : - E pro fixaci CO2 lze získat jen za dne- otevření průduchů = obrovské ztráty vody

HYPOTETICKÁ ŘEŠENÍ?

Frerea indica- CAM ve stoncích, C3 v opadavých listech

CAM fotosyntéza = C4 odd ělená časově !Noc- otevřené průduchy (↓ ztráta vody)- primární fixace CO2 (PEPc)- štěpení škrobu (zdroj PEP, NADH)- skladování MA ve vakuole

Den- zavřené průduchy- fotochemické reakce- dekarboxylace malátu (ME)- fixace CO2 Calvinovým cyklem

Plastická regulace: je-li dost vody, pak fixace i přes den (sezónní změny), je-li extrémní sucho, průduchy zavřené i v noci (CAM idling)

CAM – cyklické změny hladin škrobu a kys. jablečné

Adapted from Plants in Action

NIGHT NIGHTDAY DAYCO2

org. kyselina,(MA)

CO2

Karboxyláza PEPC PEPC RubiscoRubiscopH

škrob

Mal

ate

Time of day (hours)

Typický průběh CAM metabolismu nemá 2 ale 4 fáze

Adapted from Osmond, C.B. (1978). Crassulacean acid metabolism: a curiosity in context. Annu. Rev. Plant Physiol. 29: 379-414; Yikrazuul .

Fáze I: otev řené průduchy,CO2asimilacejen PEPc

Fáze III: zavřené průduchy, CO2asimilacejen Rubisco

Fáze II a IV, přechodné stavy (pootev řené průduchy, asimilace ob ěma E)

rych

lost

- efektivní modulace dle vn ějších podmínek- CAM idling (extrémní sucho – ne činnost)- sezónní zm ěny

CAM cyklování (∼ C3) a nečinnost

Adapted from Kerbauy, G.B., Takahashi, C.A., Lopez, A.M., Matsumura, A.T., Hamachi, L., Félix, L.M., a Pereira, P.N., Freschi, L., and Mercier, H. (2012) Crassulacean acid metabolism in epiphytic orchids: Current knowledge, future perspectives. In Applied Photosynthesis. Pp. 81-104.

Stomatal features

Atmospheric CO 2 uptake

Organic acid accumulation

Carbohydrate fluctuation

CAM cycling: - kombinace C3 a CAM - fixace b ěhem dne Rubisco- v noci PEPc

CAM idling:- extrémní sucho- reasimilace vydýchaného CO 2

Rozšíření CAM je spojené s poklesem CO2 a desertifikací

Reprinted with permission from Arakaki, M., Christi n, P.-A., Nyffeler, R., Lendel, A., Eggli, U., Ogburn, R.M., Spriggs, E., Moore, M.J. and Edwards, E.J. (2011). Contemporaneous and recent radiations of the world's major succulent plant lineages. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 108: 8379-8384.

[CO2]

[CO2]

Relativní globální teplota

CAM

Výskyt CAM druhůKDE?

Reprinted from Borland, A.M., Hartwell J., Weston D.J., Schlauch K.A., Tschaplinski T.J., Tuskan G.A., Yang X., and Cushman J.C. (2014). Engineering crassulacean acid metabolism to improve water-use efficiency. Trends Plant Sci. 19: 327-338with permission from Elsevier; Adapted from Lüttge U. 2010. Ability of crassulacean acid metabolism plants to overcome interacting stresses in tropical environments. AoBPLANTS 2010: plq005.

~300

~9500

~1250

~400

~1500

Počet druh ů- především xerofyty a epifyty

Fakultativní CAM při stresu suchem

Winter K., and Holtum, J.A.M. (2014). Facultative crassulacean acid metabolism (CAM) plants: powerful tools for unravelling the functional elements of CAM photosynthesis. J. Exp.Bot. 65: 3425-3441by permission of Oxford University Press; Brilhaus, D., Bräutigam, A., Mettler-Altmann, T., Winter, K. and Weber, A.P.M. (2016). Reversible burst of transcriptional changes during induction of crassulacean acid metabolism in Talinum triangulare. Plant Physiol. 170: 102-122.

Daytime gas exchange Daytime gas exchangeNighttime gas exchange

Water withheld Water provided

Suchem indukovaná no ční akumulace org. kyselin

Talinum triangulare

Charakteristiky významné pro fungování CAM

Heyduk, K., Burrell, N., Lalani, F. and Leebens-Mack, J. (2016). Gas exchange and leaf anatomy of a C3–CAM hybrid, Yucca gloriosa (Asparagaceae). J. Exp. Bot. 67: 1369-1379; Nelson, E.A., and Sage, R.F. (2008). Functional constraints of CAM leaf anatomy: tight cell packing is associated with increased CAM function across a gradient of CAM expression. J. Exp. Bot. 59: 1841-1850by permission of Oxford University Press.

CAM: Yucca aloifolia

C3: Yucca filamentosa

- zásoba vody a malátu (vakuoly)- brání ztrátám uvoln ěného CO 2

Přechodové stavy mezi C3 a CAM jsou zřejmě nevýhodné

Winter, K. and Holtum, J.A.M. (2002). How closely do the δ13C values of crassulacean acid metabolism plants reflect the proportion of CO2 fixed during day and night? Plant Physiol. 129: 1843-1851. See also Winter, K., Holtum, J.A.M. and Smith, J.A.C. (2015). Crassulacean acid metabolism: a continuous or discrete trait? New Phytol. 208: 73-78.

C3 CAM

Další osud

Asimilát ů

Uložit či

odeslat?

- TriosaP/Pi

Co se d ěje s Pi v Clp?

Kde se berePi v cytopl.?

Sacharóza (popř. jiné transportní sacharidy RFO)- symplastické či aploplastické nakládání do floému- využití, určení směru toku?

škrob

transport

Škrob - transientní (chloroplasty v listech) – účel?- zásobní (amyloplasty) – účel?

Diurnální zm ěny metabolismu škrobu a sacharózy