Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Biotechnologiczne próby udoskonalania fotosyntezy typu C 3 Journal of Experimental Botany - April 2002: Overexprssion of C4-cycle enzymes in transgenic.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Biotechnologiczne próby udoskonalania fotosyntezy typu C 3 Journal of Experimental Botany - April 2002: Overexprssion of C4-cycle enzymes in transgenic."— Zapis prezentacji:

1 Biotechnologiczne próby udoskonalania fotosyntezy typu C 3 Journal of Experimental Botany - April 2002: Overexprssion of C4-cycle enzymes in transgenic C3 plants: a biotechnological approach to improve C3-photosntesis Tomasz Prajsnar Maciej Łuczyński

2 Plan prezentacji: Rośliny typu C 3 i C 4 – wprowadzenie Rola enzymów cyklu C 4 u roślin typu C 3 Fizjologiczna i biochemiczna charakteryzacja roślin C 3 z ekspresją genów C 4 Perspektywa na przyszłość – co można jeszcze poprawić w roślinach typu C 3

3 Fotooddychanie – poważna wada roślin typu C 3 : Rosliny typu C 3 (np. pszenica, ryż, soja czy ziemniaki) produkują 3-PGA jako pierwszy trwały produkt asymilacji CO 2 - reakcja kat. Rubisco Rywalizacja O 2 i CO 2 o centrum aktywne strata do 50% związanego węgla Oksygenacja RubP zmniejszenie asymilacji CO 2 i produkcja: 3-PGA i 2-PG. Szlak fotoodychania jest również związany z metabolizmem aminokw.: Gly, Ser, Glu, Gln – metaboliz. w wysokim stopniu W mitochondriach uwalniany jest :CO 2 i NH 3 Strata CO 2 uwidacznia się w punkcie kompensacyjnym : 40 – 60 l/l w przestworach międzykomórkowych

4 Wpływ fotoodychania na metabolizm

5 Strategia roślin C 4 -zagęszczanie CO 2 : Adaptacja do wyższych temp. i mniej uwodnionych środowisk Wydajne uwalnianie CO 2 w pobliżu Rubisco i znaczny wzrost stosunku karboksylajca/oksygenacja RubP Znaczne obniżenie strat CO 2 - fotooddychanie Wyrażny wzrost wydajności zużycia H 2 O i azotu w porównaniu z roślinami typu C 3 Charakterystyczna anatomia typ Kranza komórki mezofilu otaczjące komórki pochwy okołowiązkowej Mezofil wiązanie atmosf. CO 2 Pochwa okołowiązkowa uwalnianie CO 2 i związanie go przez cykl C 3

6 Wiazanie CO 2 przez rośliny C 4 : Karbokcylacja PEP przez PEPC reakcja przebiega w cytoplazmie kom. mezofilu, HCO 3 - jest używany jako donor węgla w ten sposób powstaje OAA OAA jest następnie redukowany do kw. L-jabłkowego, który jest transportowany do kom. pochwy okołow. Gdzie CO 2 jest uwalniany w szybkim tempie przez enzym dekarboksylujący W zależności od typu rośliny C 4 : chloroplastowy NADP-ME mitochondrialny NAD-ME cytoplazmatyczny PEPCK Po dekarboksylacji powstaje pirogronian Pirogronian jest transportowany do chloroplastów mezofilu gdzie przy pomocy PPDK odtwarzany jest PEP

7 Wiazania CO 2 przez rośliny C 4 c.d. : Wzrost stężenia CO 2 w kom. pochwy okoł. supresja oksygenacyjnej aktywności Rubisco zmnej. fotooddych. Strategia C 4 pozwala na sprawną asymilację CO 2 przy niewielkim stopniu otwarcia aparatów szparkowych Punkt kompensacyjny roślin C 4 jest bliski zero lub bardzo niski w porównaniu z roślinami C 4 Typ C 4 Typ C 3

8 Mechanizm zagęszczania CO 2 u roślin C 4 z NADP-ME

9 Rośliny C 4 bez budowy typu Kranz: Hydrilla verticilla – wodna roślina zdolna do indukcji metabolizmu C 4, ale nie posiadająca anatomii Kranz Niskie stężenie CO 2 powoduje wzrost ekspresji PEPC, ME i PPDK dochodzi do obniżenia punktu kompen. Egeria densa – roślina wodna, która oprócz indukow. fotosynt. C 4 wykazuje polaryzację pH powierz. liści Powierzchnia dolna liścia pH = 10 Powierzchnia górna liścia pH = 4,0 Mechanizm ten pozwala na wzrost stężenia HCO 3 - przy dolnej pow. liści

10 Rośliny C 4 bez budowy typu Kranz c.d. : Borszczowia aralocaspica – roślina zdolna do przeprowadzania cyklu C 4 w obrębie jednej kom. Pojedyncze kom. chlorenchymy tej rosliny mają dwa typy chloroplastów z różną zawartością enzymów i zdolnością do produkowania skrobi Immunolokalizacja enzymów wskazuje że Rubisco jest umiejscowione w chloroplastach bazalnej części kom. chlorench., natomiast PPDK w chloroplast. W części obwodowej kom.

11 Rola enzymów cyklu C 4 w roślinach C 3 : Wszystkie enzymy potrzebne do slaku C 4 są również obecne u roślin C 3 jednak ich aktywność jest bardzo niska Różna też jest specyficzność tkankowa tych enzymów Przed przystąpieniem do uruchomienia cyklu C 4 w roślinach C 3 ważne jest zapoznanie się z fizjol. funkcjami enzymów C 4 w roślinach C 3

12 Enzym :Lokalizacja:Funkcje metaboliczne: PEPC Owoce, nasionaWiązanie CO 2 uwolnion. podczas oddychania (stos. wysoka aktyw.) Liście Dostarczanie węgla do syntez łańcuchów węgl. Aminokwasów Buforowanie OH - tworzącego się w cytopl. podczas redukcji azotu tworzenie jabłczanu Kom. aparatów szparkowych Tworzenie jabłczanu podczas otwierania aparatów szparkowych NADP-ME Owoce Deacydyfikacja wakuol Dostarczanie redukcyjnych ekwiwalentów i łańcuchów węglowych do glukoneogenezy NasionaDostarczanie redukcyjnych ekwiwalentów i łańcuchów węglowych do syntezy kwasów tłuszcz. NAD-ME LiścieRazem z PEPC zaangażowany dostarczanie węgla do syntez łańcuchów węgl. aminokwasów PEPCK Owoce, nasionaprodukcja PEP z OAA PPDK Kom. aparatów szparkowych produkcja PEP z pirogronianu podczas zamykania aparatów szparkowych

13 Efekty prób wprowadzenia nadekspresji genów cyklu C4 u roślin typu C3 U roślin typu C3: Enzymy cyklu C4 posiadają różne funkcje u roślin typu C3 Zwiększenie aktywności tych enzymów może doprowadzić do zakłócenia metabolizmu lub do efektów kompensacyjnych Zmiany kompensacyjne mogą być podstawą do badań interakcji pomiędzy rożnymi szlakami metabolicznymi

14 Nadekspresja karboksylazy PEP jako pierwszy krok w celu utworzenia cyklu C4 u roślin typu C3 Pierwsza próba: cDNA PEPC z kukurydzy (roślina C4) pod kontrolą własnego promotora do tytoniu (stosowano również promotor wirusa mozaiki kalafiora CaMV) Efekt:około dwukrotne zwiększenie aktywności enzymatycznej PEPC, nie zaobserwowano jednak widocznych efektów w wydajności asymilacji CO 2 jak i zmian w wartości punktu kompensacyjnego CO 2. Ponadto zauważono negatywne zmiany: ruchy aparatów szparkowych, zaburzenia w metabolizmie wtórnym (biosynteza flawonoidów)

15 Nadekspresja enzymów katalizujących dekarboksylację Nadespresja PEPCK (karboksykinaza PEP) PEPCK jest enzymem cytoplazmatycznym, jednakże wspólna aktywność w cytoplaźmie z PEPC prowadziłaby do cyklu jałowego. Stosuje się fuzję z sekwencją tranzytową z małej podjednostki Rubisco (rbcS). Nadespresja NADP-ME (enzym jabłczanowy) Problem z aktywność w chloroplastach, ponadto zaburzony potencjał redox w stromie chloroplastów

16 Możliwość nadekspresji dwoćh genów (enzymów) Kombinowana nadekspresja PEPC oraz chlor. NADP-ME Efektem jest zmniejszenie wartości punktu kompensacyjnego CO 2 z 45 l/l do 20 l/l (Flaveria pringlei), jednak tylko przy odpowiednim natężeniu swiatła. Całkiem przyzwoite efekty zaobserwowano u ziemniaka. Nadekspresja PEPC razem z PPDK (dikinaza pirogronianu) Zaobserwowano 35% wzrost wydajności fotosyntezy oraz 22% wzrost plenności w ryżu wykazującym nadekspresję PEPC razem z PPDK. Dalsze analizy w toku.

17 Nadekspresja wielu enzymów cyklu C4 Przy pomocy kolejnych transfekcji plazmidami kodującymi dane enzymy oraz zawierającymi geny oporności na różne antybiotyki (selekcja). Do linii transgenicznych zawierających PEPC, wprowadzano NADP-ME, PPDK oraz PPT. W przypadku tytoniu stosowano krzyżowanie transgenicznych roślin z pojedynczą nadekspresją danego enzymu (różne kombinacje). Analiza otrzymanych roślin w toku.

18 Gatunkowo-specyficzne odpowiedzi metaboliczne na nadekspresję genów cyklu c4 U ziemniaka najbardziej wymowne wyniki - nadekspresja PEPC razem z NADP-ME. Jednakże w przypadku tytoniu nadekspresja samego PEPC przyniosła najlepsze rezultaty. Uświadomiono sobie o trudnościach, związanych z pomyślnym wprowadzeniem sprawnie działającego cyklu C4 do wszystkich roślinach uprawnych.

19 Perspektywy na przyszłość 1. Enzymy otrzymane technikami inżynierii genetycznej (np. PEPC) - zmniejszenie wrażliwości na inhibicję produktem - zwiększenie powinowactwa enzymu do substratu 2. Adaptacje morfologiczne - modyfikacje w anatomii liścia (należy zidentyfikować czynniki odpowiedzialnych za zmiany w anatomii) 3. Promotory - tkankowo-specyficzne - indukowane (np. światłem)

20 Zastosowania Wprowadzenie cyklu C4 do roślin typu C3 spowoduje zmniejszenie przewodnictwa aparatów szparkowych (zmniejszony ubytek wody np. podczas suszy) bez dużego wpływu na asymilację CO 2. Cecha ta pozwoli na uprawę tych roślin na terenach niedostępnych dla niezmodyfikowanych roślin typu C3 oraz pozwoli na zmniejszenie zużycia nawozów. Te dwa czynniki wydają się ważniejsze niż tylko wzrost produkcji biomasy.

21 DZIĘKUJEMY za uwagę


Pobierz ppt "Biotechnologiczne próby udoskonalania fotosyntezy typu C 3 Journal of Experimental Botany - April 2002: Overexprssion of C4-cycle enzymes in transgenic."

Podobne prezentacje


Reklamy Google