Existuje velká skupina rostlin (500 druhů krytosemenných rostlin), u kterých jsou primárními produkty fixace a redukce CO 2 čtyřuhlíkové sloučeniny. Se nazývají S 4 -rostliny. V pracích byly položeny základy pro biochemické studium fotosyntézy v rostlinách _C 4 L. A. Nezgovorová (1956-1957), K. S. Karpilov a I. A. Tarčevskij(1960-1963). V roce 1966 Hatch a Slack(Australan) navrhl kompletní schéma cyklu rychlostních reakcí v C 4 rostlinách, které bylo tzv Cyklus Hatch and Slack.

C 4 rostliny zahrnují řadu pěstovaných rostlin, především tropický a subtropický původ: ­ kukuřice, proso, čirok, cukrová třtina a mnoho škodlivých plevelů - prasečník, kulatá tráva, tráva polní, slepičí proso, velké proso, gumai (Aleppo sorghum), žalud tráva, štětinatec atd. . Zpravidla se jedná o vysoce produktivní rostliny, které stabilně významně provádějí fotosyntézu rostoucí teploty a suché podmínky.

Pro listy S 4 -rostliny vyznačující se anatomickou stavbou typu kranz (z něm. Kranz- věnec, koruna), tj. přítomnost dvou typů fotosyntetických buněk, které se od sebe jasně liší, které jsou umístěny v soustředných kruzích: radiálně umístěné kolem cévních svazků obložení buněk a hlavní mezofyl (obr. 40).

Buňky výstelky cévního svazku obsahují velké, bez grana ( agranal ) chloroplasty . Mezofylové buňky obsahují menší zrnité chloroplasty. Tyto dva typy buněk nejsou fyziologicky ekvivalentní a specializují se na provádění různých částí fotosyntézy.

Cyklus C 4 lze rozdělit na dvě etapy: karboxylace (v buňkách mezofylu ) A dekarboxylace a syntéza sacharidů (ve výstelkových buňkách cévních svazků ). Všem rostlinám C4 je společné, že kyselina fosfoenolpyrohroznová podléhá karboxylaci ( RVP) v hlavních rolích PEP karboxyláza a vzniká kyselina oxaloctová ( SHUK), který je obnoven na kyselina jablečná nebo aminované do formy kyselina asparagová .

Štika, kyselina jablečná a asparagová jsouC 4 spojení.

Podle dekarboxylační metoda za účasti NADP-H nebo NAD-malátdehydrogenázy (MDH), nazývané také jablečný enzym a jablečný enzym) nebo PEP-karboxykinázy (PEP-KK) v rostlinách C 4 lze izolovat tři skupiny: Typy NADP-MDH, NAD-MDG a PEP-KK respektive.

V závodech NADP-MDG hlavními metabolity zapojenými do výměny mezi buňkami jsou malátný a pyruvát (PVC), v rostlinách NAD-MDH - aspartát a alanin A v závodech PEP-KK - aspartát a PEP.

Nejvýznamnější zemědělské plodiny (kukuřice, čirok, cukrová třtina) a plevele jako tráva, tráva tráva, štětinatec a gumai patří do typu NADP-MDG.

Uvažujme C 4 -cyklus redukce CO 2 na příkladu těchto rostlin ( rýže.).

CO 2 , vstupující do listu průduchy, vstupuje do cytoplazmy mezofylové buňky, kde s účastí PEP karboxyláza reaguje s RVP , formování SHUK (oxalacetát).

Pak v chloroplastech SHUK obnoven do jablko kyselina (malát) kvůli NADP  N , vznikající během světelné fáze fotosyntézy; SHUK v přitomnosti N.H. 4 může se také proměnit v aspartát .

Experimenty s radioaktivní značkou ( 14 C) ukázal, že po osvícení rostlin po dobu 1 s se více než 90 % radioaktivity nachází ve složení C 4 -kyseliny.

Pak malátný transportován do chloroplastů obložení buněk cévního svazku, kde je obnažena oxidační dekarboxylace , jehož produktem je PVK . Ten se opět rozšíří do mezofylu, kde za účasti ATP vzniklého ve fázi světla, Regenerace FEP , načež se karboxylační cyklus opakuje za účasti nové molekuly CO 2 . Vzniká jako výsledek oxidační dekarboxylace malátu CO 2 a NADP-H vstupují do Calvinova cyklu, což vede ke vzniku FGK a další produkty , charakteristické pro rostliny C 3. V důsledku toho jsou to buňky pochvy, které působí jako hlavní asimilační tkáň, která dodává cukry do vodivého systému. Buňky mezofylu plní pomocnou funkci – čerpání CO 2 pro Calvinův cyklus.

Cesta C 4 tedy poskytuje úplnější absorpce CO 2 , co je zvláště důležité pro tropické rostliny, kde hlavním limitujícím faktorem pro fotosyntézu je koncentrace CO 2 . Účinnost asimilace CO 2 4 rostlinami se také zvyšuje v důsledku dodávky NADP-H do chloroplastů buněk pochvy. Tyto chloroplasty mají agranální strukturu a se specializují na tempovou fázi fotosyntézy se zde prakticky žádná NCPP nevyskytuje. V průměru na jeden agranální chloroplast připadá 8-10 zrnitých chloroplastů, které provádějí primární fixaci CO 2 a NCPP. Takový kompartmentace procesů a spolupráce fungování tkání zajišťují zvýšenou produktivitu rostlin a povolit hromadit CO 2 v organických kyselinách i pro fotosyntézu s uzavřenými průduchy nejvíce horká denní doba . Tento snižuje ztráty vody pro pocení. Účinnost využití vody se 4 rostlinami dvakrát vyšší než u rostlin C 3.

V roce 1966 australští vědci M. Hatch a K. Slack zjistili, že fotosyntéza má u některých obilných rostlin tropického a subtropického původu své vlastní charakteristiky.

Zvláštností je, že první produkty fotosyntézy u této skupiny rostlin tvoří ne tří, ale čtyřuhlíkové sloučeniny. Když se tvoří 4-uhlíkové sloučeniny, oxid uhličitý se neslučuje s ribulóza difosfátem, ale s * kyselinou. Cesta asimilace CO 2 přes * kyselinu za vzniku C4-dikarboxylových kyselin se nazývá C4-cesta asimilace uhlíku a organismy se nazývají C4-rostliny.

U rostlin tropického původu - cukrová třtina, čirok, proso, obiloviny, kukuřice, amarant atd. jsou cévní svazky listů obklopeny velkými buňkami parenchymu s velkými, často granulemi zbavenými, chloroplasty. Tyto buňky jsou zase obklopeny menšími buňkami mezofylu s menšími chloroplasty. V buňkách mezofylu listu dochází k primárnímu přijímání CO 2 * kyselinou, což zapojuje CO 2 do karboxylačních reakcí i při velmi nízkých koncentracích CO 2 v okolním vzduchu.

V důsledku karboxylace vznikají kyseliny oxaloctová, jablečná a asparagová. Z nich jablečná a asparagová přecházejí do parietálních buněk cévních svazků listu, procházejí zde dekarboxylací a vytvářejí uvnitř buněk vysokou koncentraci CO 2, který je v Calvinově cyklu absorbován prostřednictvím ribulózadifosfátkarboxylázy. To je výhodné, za prvé, protože to usnadňuje zavedení CO 2 do Calvinova cyklu prostřednictvím karboxylace ribulóza difosfátu pomocí enzymu ribulóza difosfát karboxylázy, který je méně aktivní a vyžaduje vyšší koncentrace CO 2 pro optimální provoz než *-karboxyláza. Vysoká koncentrace CO 2 v parietálních buňkách navíc snižuje světelné dýchání a s tím spojené energetické ztráty.

Dochází tak k vysoce intenzivní a kooperativní fotosyntéze, bez zbytečných ztrát při dýchání světla, bez inhibice kyslíku a dobře přizpůsobené atmosféře chudé na CO2 a bohaté na O2.

Rostliny s C4 fotosyntézou jsou kvetoucí rostliny z 19 čeledí (3 čeledí jednoděložných a 16 čeledí dvouděložných). Zrna C4 převládají v oblastech s velmi vysokými teplotami během vegetace. C4 dvouděložné jsou rozšířeny v oblastech, kde je vegetační období charakterizováno nadměrnou suchostí. 23 čeledí kvetoucích rostlin se vyznačuje metabolismem organických kyselin podle typu Crassulaceae, označovaným jako metabolismus CAM. Metabolismus CAM se vyvinul v listech sukulentních rostlin, včetně kaktusů a crassula, ale ne všechny rostliny CAM jsou sukulenty, jako je ananas.

Sukulenty rostoucí v suchých oblastech (kaktusy) také fixují atmosférický CO 2 za vzniku 4-uhlíkových sloučenin. Svým fyziologickým chováním se však tyto rostliny od ostatních zástupců typu C4 liší. Jejich průduchy jsou v noci otevřené a přes den zavřené. Obvykle je obraz opačný: světlo stimuluje otevírání průduchů, ale ve tmě zůstávají zavřené.

Tento typ chování je nepochybným přínosem pro pouštní rostliny. Tyto rostliny absorbují atmosférický CO2 v noci, což vede k fixaci 4-uhlíkové organické kyseliny, zejména kyseliny jablečné. Kyselina jablečná je uložena ve vakuolách. V nich, stejně jako v jiných C4 rostlinách, hraje PEP roli primárního akceptoru uhlíku. Během dne, kdy je chlorofyl aktivován světlem, je kyselina jablečná dekarboxylována za vzniku 3-uhlíkové sloučeniny a CO2, který pak vytváří 6-uhlíkové cukry v Calvinově cyklu.

Střídání dvou procesů během dne: hromadění kyselin v noci a jejich odbourávání během dne se podle čeledi Crassulaceae nazývá CAM metabolismus.

V CAM rostlinách dochází k primární karboxylaci a tvorbě 6-uhlíkových cukrů ve stejných buňkách, ale v různých časech. Zatímco v jiných C4 rostlinách tyto procesy probíhají současně, ale mohou být omezeny na různé buňky. Časové oddělení fixace CO 2 a zpracování CO 2 následující den je ekonomicky výhodné. Tímto způsobem si poskytují uhlík, aniž by utrpěly nadměrné ztráty vody.

UDC 581.1:577.1

EVOLUČNÍ ASPEKTY FOTOSYNTÉZY C4

V.V. Ivaniščev

Zvažovány jsou otázky spojené s rozmanitostí projevů fotosyntetické asimilace oxidu uhličitého v rostlinách a evoluční aspekty fotosyntézy typu C4. Ukazuje se, že za poslední dekádu a půl byla získána experimentální data, která významně mění naše představy o způsobech, jakými probíhá fotosyntéza C4 a implementaci jejích speciálních vlastností v řadě typických rostlin C3. Jsou diskutovány vyhlídky na využití těchto znalostí k vývoji strategií pro zlepšení účinnosti fotosyntézy rostlin C¡ za účelem zvýšení jejich produktivity.

Klíčová slova: rostliny, asimilace anorganického uhlíku, C3-C4 fotosyntéza, C4 fotosyntéza, evoluční aspekty, produktivita rostlin.

Úvod

Fotosyntéza je hlavní metabolickou cestou, kterou se anorganický uhlík na naší planetě přeměňuje na organické sloučeniny. Studium mechanismů fotosyntetického procesu vedlo k vytvoření představ o biochemických drahách asimilace anorganického uhlíku typu C3 a C4. Po objevení oxygenázové reakce Rubisco f-ribulóza-1,5-bisfosfátkarboxylázová oxygenáza, EC 4.1.1.39) bylo zvykem hovořit o fotorespiraci jako o paralelním procesu. Jednotliví specialisté vč. Autor, který významně přispěl k pochopení biochemie fotorespirace, začal identifikovat tzv. C2 fotosyntézu. Zjištěny vlastnosti transportu (ne do mitochondrií a peroxisomů téže buňky) a metabolismu fosfoglykolátu (vzniká při oxidaci D-ribulóza-1,5-bisfosfátu kyslíkem), ale jeho přenos a metabolismus v buňkách pochvy s následným „zachycování“ uvolněného CO2 chloroplasty Tyto buňky umožnily formulovat představy o C2 fotosyntéze. V tomto případě je dokonce oxygenázová reakce Rubisco považována za dodavatele CO2, v důsledku čehož se celková účinnost fotosyntézy alespoň příliš nesníží.

Aktivní studie rostlin, jejichž život je v posledních třech desetiletích omezen na specifické podmínky prostředí, odhalily určité variace v projevech různých drah metabolismu uhlíku během fotosyntézy. Současně byla odhalena vysoká morfologická a biochemická plasticita rostlin C3 i C4. Kromě toho byly objeveny různé mechanismy, díky kterým rostliny typu C3 vykazovaly řadu vlastností charakteristických pro rostliny typu C4.

Ve specifických ekologických podmínkách salinity a sucha ve Střední Asii byly objeveny rostliny, které mají fotosyntetickou dráhu podobnou C4 bez klasické anatomie Kranzových listů. Navíc se díky dalšímu objevu stírá ostrá hranice mezi dvěma hlavními druhy rostlin z hlediska mechanismu fixace CO2. Bylo prokázáno, že v buňkách obklopujících centrální žílu vodivého systému listů rýže (typická rostlina C3) jsou přítomny klíčové enzymy charakteristické pro typ fotosyntézy C4.

To vše vyžaduje zobecnění získaných výsledků za účelem stanovení dalších směrů výzkumu v této oblasti vědy a možných cest ke zvýšení účinnosti fotosyntézy (a produktivity) klasických C3 rostlin, které tvoří většinu nejvýznamnějších zemědělské plodiny.

Anatomické a morfologické znaky a plasticita

C4 fotosyntéza

O rostlinách s typem fotosyntézy C4 je známo, že mají celý komplex znaků. Poskytují rostlinám řadu důležitých praktických vlastností – větší odolnost vůči některým faktorům prostředí (vysoká teplota, sucho), ekonomičtější spotřeba vody, větší produktivita při menší spotřebě dusíku, což vysvětluje ekonomický zájem producentů o pěstování takových plodin. Charakteristické vlastnosti listové struktury poskytují rostlinám C4 především mechanismus koncentrování CO2, který jim umožňuje zabránit ztrátě oxidu uhličitého a tím snížit fotorespiraci, díky čemuž se účinnost fotosyntézy u rostlin C3 může snížit až o až 40 %, zejména v podmínkách vysokých teplot a sucha.

U rostlin C3 lze pozorovat dva fyziologicky a prostorově oddělené typy buněk, a to: jedna skupina je víceméně rovnoměrně rozložena a tvoří mezofyl, druhá část buněk je soustředěna kolem cévních svazků. Díky tomuto obrázku vypadají jako rostliny C4. Biochemicky jsou však takové buňky stejné.

Na druhé straně některé rostliny C3 vykazují charakteristiky rostlin C4 v nepřítomnosti dvou anatomicky podstatně odlišných typů buněk, což je v souladu s klasickými představami o fixační cestě oxidu uhličitého C4. Navzdory tomu se fotosyntéza C4 vyznačuje řadou přísně specifických funkčních znaků. Pochopení evolučních transformací v tomto aspektu

je založena na představách o změnách vlastností buněk a jejich genetické předurčení.

Ve většině rostlin C4 je fungování karboxylázy PEP a Calvinova cyklu mezi těmito dvěma buněčnými typy prostorově odděleno. Vysoká hustota žil cévních svazků vede k tomu, že poměr objemů tkání tvořených buňkami mezofylu a výstelky cévních svazků je přibližně 1:1.

Studium tvorby těchto typů buněk ukazuje, že během ontogeneze se vnitřní vrstvy buněk mohou diferencovat od buněk procambia a vnější vrstvy od buněk meristémů. Fylogenetická analýza ukazuje, že rostliny C4 vznikly několika různými evolučními cestami. V tomto případě mohou stěny buněk lemující cévní svazky obsahovat suberin, který omezuje difúzi CO2 za hranice takových buněk. Zároveň se podobná vrstva suberinu nachází také u některých rostlin C3 na vnějších stěnách vnitřních vrstev výstelky cévních svazků. Dosud tedy nebyly objeveny žádné vlastnosti, které by byly specifické pouze pro buňky listů rostlin C4.

Dalším důležitým bodem je vzdálenost mezi oběma typy buněk, aby byla zajištěna maximální rychlost výměny metabolitů mezi nimi. To vysvětluje, že počet vrstev obložení klece je omezen na jednu nebo dvě. Zvýšení účinnosti procesu fotosyntézy je přitom dosaženo na druhé straně malým počtem buněk mezofylu mezi buňkami pochvy, jejichž počet může být u některých druhů až čtyři. Počet buněk mezi cévními svazky je přitom obecně malý. Aby se zmenšila vzdálenost mezi těmito dvěma typy buněk, buňky achlorofylu se někdy nacházejí v listech.

Studium různých dvouděložných rostlin C4 přitom ukázalo, že ve srovnání s typickými rostlinami C3 se mnohé jejich anatomické a morfologické vlastnosti ukázaly jako podobné. To platí pro takové ukazatele, jako je hustota žil na 1 mm2 povrchu listu, tloušťka listu a procento mezibuněčného prostoru. Ostatní ukazatele měly širší či užší hranice variability, případně byly posunuty směrem k vyšším či nižším hodnotám.

Třetí důležitou charakteristikou C4 rostlin je velký kompartment, který zajišťuje maximální možnou vazbu (bez ztráty) uvolněného CO2 během dekarboxylace čtyřuhlíkaté sloučeniny. To vysvětluje přítomnost zvýšeného počtu chloroplastů přítomných v buňkách pochvy. Přebytku objemu buněk pochev nad objemem buněk mezofylu se dosahuje více způsoby, a to: zvýšením počtu chloroplastů v buňkách pochev, zvýšením počtu buněk pochev, popř.

Počet vodivých svazků nebo změny průměru žil. Popsané ukazatele jsou vzájemně závislé a částečně determinované podmínkami prostředí, které poskytují především potřebné parametry výměny vody a související ukazatele, jako je hydraulický tlak, rychlost proudění a pohyb vody v zařízení atd. . To vše určuje rozmanitost anatomických projevů syndromu C4.

Konečným znakem rostlin C4 je, že chloroplasty buněk pochev cévního svazku a buněk mezofylu se liší nejen počtem, ale i morfologicky a funkčně. Velké množství chloroplastů v buňkách pochev je přitom charakteristické nejen pro rostliny C4, ale také pro rostliny s tzv. C2 fotosyntézou, při které se glycin vzniklý při fotorespiraci přenáší z buněk mezofylu do buněk pochev, kde dochází ke vzniku CO2. uvolněný při jeho metabolismu je dále zachycován chloroplasty a využíván v Calvinově cyklu. Takové zvláštnosti realizace tohoto typu fotosyntézy jsou výzkumníky považovány za jeden ze způsobů, jak lze vývoj mechanismů fotosyntetické asimilace anorganického uhlíku znázornit ve formě sekvence: C3^C2^C4. Mezi další charakteristické rysy C4 syndromu patří rysy distribuce organel, jako jsou mitochondrie a peroxisomy mezi různými buňkami rostlinných listů, stejně jako rysy ultrastruktury a fotochemické vlastnosti chloroplastů.

Výše popsané indikátory jsou velmi flexibilní. V závislosti na podmínkách prostředí se mohou výrazně měnit, díky čemuž mohou rostliny s cestou fotosyntézy C3 získat znaky charakteristické pro cestu C4. Různorodost možných anatomických a morfologických změn různých znaků u rostlin C4 jim zároveň umožňuje zachovat jejich fyziologické a biochemické vlastnosti na požadované úrovni. Obecně je však plasticita rostlin C3 v tomto aspektu hodnocena vyšší, přestože experimentální data v této oblasti zjevně chybí.

Biochemické rysy projevů fotosyntézy C4

u vyšších rostlin

Klasické obecné představy o cestě C4 pro fixaci anorganického uhlíku zahrnují tři hlavní varianty použití prvního stabilního produktu – čtyřuhlíkové sloučeniny (malát a/nebo aspartát) jako zdroje CO2 pro D-ribulózu-1,5- bisfosfát karboxyláza oxygenáza (Rubisco) – klíčový enzym v Calvinově cyklu. Takové formy rostlin se označují jako NADP-

malik-enzym, NAD-malik-enzym a PEP-karboxykináza - pojmenované podle klíčového enzymu, který zajišťuje dekarboxylaci čtyřuhlíkové sloučeniny s uvolňováním CO2. Později bylo v travách typu C4 objeveno 14 odrůd anatomických a biochemických kombinací. Lišily se v takových vlastnostech, jako jsou velikosti mezofylových buněk a výstelkových buněk cévních svazků, celkové objemy buněk různých typů, umístění chloroplastů v buňkách, přítomnost počtu grana v chloroplastech atd. s odpovídajícími variacemi v buněčné distribuci a velikosti enzymové aktivity.

Na rozdíl od těchto bylin jsou u dvouděložných rostlin známy pouze dva druhy rostlin: typ NADP-malik-enzym a typ NAD-malik-enzym, zatímco PEP karboxykináza se u řady druhů účastní sekundárních drah metabolismu sacharidů. Anatomické a biochemické rysy takových rostlin jsou navíc spojeny s environmentálními rysy jejich růstu a vývoje. Studie například odhalila pět odrůd anatomie listů Kranz u zástupců C4 z čeledi Chenopodiaceae.

Studie biochemických charakteristik dvouděložných rostlin C4 ukázala, že obecně jsou popsané ukazatele podobné těm, které jsou charakteristické pro jiné druhy C4. Jako rys je třeba ještě jednou poznamenat, že PEP karboxykináza se na rozdíl od jednoděložných trav významně nepodílí na metabolismu dikarboxylových kyselin. Na druhou stranu přítomnost dvou dekarboxylačních enzymů v jednom druhu najednou (NAD-malik enzym + PEP karboxykináza nebo NADP-malik enzym + PEP karboxykináza) zůstává do značné míry nejasná. Částečně to lze vysvětlit např. potřebou syntézy PEP (pro šikimátovou dráhu), úspory ATP pro podporu dalších procesů atp. .

V důsledku toho bylo zjištěno, že mezi rostlinami typu C4 převažují druhy s atriplikoidní (charakteristikou zástupců rodu Atriplex) anatomií listů a biochemií NADP-malik-enzymu.

Vlastnosti „středních“ rostlin C3-C4

Studium různých zástupců rostlinné říše umožnilo hovořit o specifické fotosyntetické skupině, která se začala označovat jako rostliny C3-C4. Charakteristickými rysy této skupiny (C3-C4 meziprodukty) jsou unikátní vlastnosti výměny plynů v listech, které vykazují nízký kompenzační bod CO2 a jeho křivočarou závislost na koncentraci kyslíku v prostředí. Je to dáno speciální kompartmentalizací (místem výskytu) fotorespirace v buňkách beze změny fotosyntetického metabolismu uhlíku. Většina

zástupci meziproduktů mají fotosyntézu typu C3 a jejich hlavní charakteristikou je přítomnost snížené fotorespirace

Anatomická stavba listů meziproduktů C3-C4 je odlišuje od typických rostlin C3 a C4. Na rozdíl od rostlin C4 nejsou v meziproduktech mezofylové buňky soustředěny kolem výstelkových buněk cévních svazků a jsou volněji umístěny ve struktuře listu. Mezilehlé buňky zároveň obsahují velké množství organel a mnohé z nich jsou umístěny dostředně (směrem ke středu) v buňkách pochvy. Počet mitochondrií a peroxisomů je zde čtyřikrát větší než v mezofylových buňkách a mitochondrie jsou dvakrát větší. Současně je počet plasmodesmat mezi buňkami pláště a mezofylu mnohem větší než u rostlin C3 a blíží se postavě charakteristické pro typ C4. To zajišťuje rychlou výměnu metabolitů mezi různými buňkami rostlinných listů.

Klíčový enzym zodpovědný za uvolňování CO2, glycindekarboxyláza, je lokalizován hlavně v buňkách pochvy. Zvláštnosti relativního uspořádání různých organel v buňkách umožňují rostlinám C3 zachytit až 50 % vzniklého CO2 (při konverzních reakcích glycinu), zatímco u meziproduktů C3-C4 může tato hodnota dosáhnout 75 %.

Ve výsledku tyto vlastnosti umožňují meziproduktům vykazovat lepší vlastnosti v účinnosti fotosyntetické asimilace CO2, zejména při zvýšených teplotách, při použití vody atd., což je úspěšně popsáno pomocí matematického modelu.

Studium charakteristik biochemie ukázalo, že meziprodukty nemají typickou specifickou distribuci klíčových enzymů (PEP karboxylázy a Rubisco) v různých buňkách, jako je tomu u rostlin s typem fotosyntézy C4, ukazují neúčinnost stávajících složky enzymatických systémů typu C4 a vyznačují se nízkou aktivitou enzymů spojených s výměnou C4-dikarboxylových kyselin (PEP karboxyláza, NADP malát dehydrogenáza, jablečný enzym NADP, pyruvát ortofosfát dikináza). V tomto případě končí významná množství značeného uhlíku z asimilovaného 14CO2 ve složení glycinu, serinu a zejména fumarátu. Současně jsou výhody některých rostlin C3-C4 způsobeny pouze přítomností aktivní výměny glycinu mezi buňkami listů, jak bylo diskutováno výše. Metabolismus aktivního uhlíku však musí být doprovázen aktivní dusíkovou bilancí, ale obraz tohoto procesu zůstává neznámý.

Fotosyntéza C4 bez anatomie listu Kranz

Fotosyntéza C4 díky přítomnosti Kranzovy anatomie listu naznačuje, že buněčná stěna mezi buňkami pochvy a mezofylu zabraňuje ztrátě CO2 uvolněného během dekarboxylace metabolitu C4. Studium rostlinné diverzity spojené s existencí v různých ekologických nikách však umožnilo objevit rostliny ve Střední Asii, v jejichž listech se v rámci jedné buňky realizuje mnoho rysů fotosyntézy C4 bez zásadní změny v anatomii listů. Přitom známé údaje o mechanismech koncentrace CO2 ve vodních rostlinách, stejně jako o přítomnosti C4-fotosyntetického cyklu u některých z nich v rámci jednotlivé buňky, jsou do značné míry určovány podmínkami existence ve vodním prostředí. .

Naproti tomu u suchozemských rostlin musí existovat fyzická hranice (silná buněčná stěna, membrána, membrána) oddělující buňky, kde dochází k fotosyntetické asimilaci oxidu uhličitého, a buňky, kde funguje Calvinův cyklus (obr.).

Zjednodušené schéma kompartmentalizace C^-fotosyntézy (jsou zobrazeny dva typy buněk, mezi kterými je prostorově oddělena asimilace anorganického uhlíku a jeho inkorporace

do produktů Calvinova cyklu)

Suchozemské rostliny z čeledi CHnporoShasvav, zastoupené více než 1300 druhy, jsou často odolné vůči suchu a zasolení, což je z velké části zajištěno přítomností fotosyntézy typu C4. Mezi zástupci této čeledi byly objeveny druhy, u kterých probíhá fotosyntéza C4 v rámci jedné buňky bez

přítomnost klasické anatomie Kranzových listů. Jedná se o Bienertia cycloptera, B. sinuspersici, Suaeda aralocaspica. Rostou v podmínkách slanosti a/nebo nedostatku vody. Současně se velikosti rostlin výrazně liší, a to: pokud je výška B. cycloptera a Suaeda aralocaspica 20 ... 50 cm, pak rostliny B. sinuspersici mohou dosáhnout 130 ... 160 cm.

U těchto druhů byly nalezeny dva typy topografické distribuce organel v buňkách. V buňkách X aralocaspica se tedy rozlišují distální a proximální části. V distální části jsou lokalizovány agranální chloroplasty, ve kterých se nesyntetizuje škrob, ale je zde enzym - pyruvát orthofosfátdikinasa pro syntézu PEP a zde (v této části buňky) je CO2 fixován za vzniku a Produkt C4. V proximální části buňky jsou koncentrovány chloroplasty s enzymy Calvinova cyklu a malik enzymem, díky čemuž se malát přeměňuje na pyruvát za uvolňování CO2 pro jeho zařazení do reakčních produktů Calvinova cyklu za účasti Rubisco. a další enzymy.

V buňkách druhů rodu Bienertia se rozlišuje centrální a periferní kompartment. V periferní části jsou chloroplasty s malým počtem zrn, téměř žádné mitochondrie, zato jsou přítomny klíčové enzymy dráhy C4 - pyruvát ortofosfát dikinasa a PEP karboxylasa, které zajišťují syntézu PEP, respektive fixaci oxidu uhličitého. V centrální části buňky jsou koncentrovány mitochondrie a chloroplasty s vyvinutou zrnitou strukturou, velké množství Rubisco a dalších enzymů Calvinova cyklu. V tomto případě je centrální kompartment obklopen vakuolou (vakuolami), aby se zabránilo ztrátám CO2.

Popsané druhy mají zároveň různé poměry aktivit klíčových enzymů důležitých pro realizaci drah C3 a C4, což je odlišuje od skutečných druhů C4.

Dalším zajímavým objevem je objev fotosyntézy typu C4 ve stoncích a řapících tabáku a také ve středních žebrech listů Arabidopsis (Arabidopsis LaNapa L.) - zástupců dvouděložných rostlin. Tyto zvláštnosti souvisí s přítomností vysoké aktivity všech klíčových enzymů syndromu C4, vč. současná přítomnost vysoké aktivity všech dekarboxylačních enzymů (NAD a NADP jablečných enzymů, stejně jako PEP karboxykinázy).

Později byl podobný objev učiněn pro zástupce jednoděložných rostlin. V buňkách umístěných kolem centrální žíly cévního svazku listu typické rostliny C3 – rýže, byla tedy zjištěna podobná zvýšená aktivita výše uvedených enzymů. Použití imunoblotové analýzy autory poskytuje získané

výsledky mají významný význam jako důkazní základna. Bylo prokázáno, že aktivita Rubisco v buňkách této části je dvakrát nižší než v jiných částech čepele listu. Aktivita karboxylázy PEP je zvýšena přibližně o 30 %. Současně byla aktivita každého z dekarboxylačních enzymů (NAD a NADP jablečné enzymy a také PEP karboxykináza) v oblasti středního žebra listu šestkrát nebo vícekrát vyšší. Aktivita dalšího důležitého enzymu, pyruvátortofosfátdikinasy, byla 7,5krát vyšší než u buněk listové čepele.

Na jedné straně při diskusi badatelé interpretují taková data jako jednu z přirozených (přirozených) cest možné evoluce a vzniku C4 fotosyntézy, na druhé straně autoři takový obrázek považují za příležitost pro lidskou manipulaci k „zlepšit“ fotosyntézu rostlin C3 (o tom, jaké diskuse se vedou od poloviny 70. let minulého století). To se týká především tak celosvětově významné zemědělské plodiny, jakou je rýže.

Autoři studie přitom podstatnou část své práce věnovali studiu zvláštností chloroplastového pigmentového systému, který poskytuje energii pro syntézu organických sloučenin při fotosyntéze.

Fotosyntéza C4 ve světle evoluce

K objevení rostlin s typem fotosyntézy C4 během evoluce, jak se mnozí autoři domnívají, došlo několik desítekkrát nezávislými způsoby. Převážnou část těchto rostlin dnes představují trávy (přibližně 4600 druhů) a ostřice (1600 druhů), zatímco u dvouděložných rostlin jsou rostliny typu C4 zastoupeny přibližně 1600 druhy, což naznačuje polyfyletický evoluční původ syndromu C4. Evoluční vznik nové cesty pro fotosyntetickou asimilaci CO2 měl přitom zahrnovat řadu etap ovlivňujících vývoj anatomie Kranzových listů, vytvoření CO2 pumpy pro koncentraci oxidu uhličitého, lokalizaci a tvorbu cyklu C4. , změny v genové expresi s další optimalizací vlastností enzymů.

Poměrně jasný a jednoduchý teoretický obraz vzniku C4 fotosyntézy samozřejmě také vyvolává otázky týkající se změn metabolických drah dalších chemických prvků a především dusíku a síry. K výskytu obilnin se syndromem C4 tedy mohlo dojít již poměrně dávno – přibližně před 30 miliony let, zatímco výskyt dvouděložných rostlin s tímto typem fotosyntézy se odhaduje na 20 milionů let.

Vznik fotosyntetické dráhy C4 byl dříve zvažován prostřednictvím výskytu meziproduktů C3-C4 jako přechodných forem. Studium různých rysů uspořádání organel v buňkách mezofylu a výstelky cévních svazků, stejně jako řada enzymů, ukázalo, že klíčovým mechanismem při vzniku syndromu C4 se zdá být redistribuce mezi různými buňkami glycindekarboxylázy, jejíž aktivita byla v mezofylových buňkách prudce snížena nebo ztracena. Nepřímým důkazem této dráhy je, že aktivita tohoto enzymu u rostlin C4 je přítomna pouze v buňkách pochvy. Zároveň zůstává nejasné, proč u takových druhů C3-C4, v přítomnosti glycinového „shuttle“ (přenosu) z jednoho typu buňky do druhého s následnou dekarboxylací, teoreticky předpokládané výhody v rychlosti asimilace CO2 a účinnost využití vody a dusíku se v podmínkách normálních koncentrací oxidu uhličitého neprojevuje.

Zvážení možností anatomických změn ve stavbě listů ukazuje, že každý znak charakteristický pro syndrom C4 se může u rostlin C3 nezávisle měnit (velikost buněk mezofylu a pochvy, tloušťka listu, vzdálenost žilek cévních svazků), zatímco u C4 fotosyntéza Koordinace takových změn je důležitá. Z této pozice mnozí badatelé zvažují přechod k rostlinám C4 prostřednictvím vzniku tzv. C2 fotosyntézy se zaměřením na transport glycinu a jeho dekarboxylaci v buňkách pochev.

Polyfyletický původ syndromu C4 se tak stal možným pouze díky vzniku četných charakteristických rysů, které byly koordinovány během přirozeného výběru za měnících se podmínek prostředí.

Perspektivy vytváření koncentračních mechanismů

CO2 v C3 závodech

Teoretické výzkumy a řada experimentálních dat umožnily hovořit o potenciální genetické transformaci rostlin C3, díky které by bylo možné je vylepšit (přiblížit je rostlinám C4 z hlediska fotosyntetických parametrů, odolnosti vůči faktorům prostředí a produktivita). Později byla experimentálně doložena možnost podobného mechanismu fungujícího pouze za účasti oxaloacetátdekarboxylázy.

V současné době je řešení problému zvýšení účinnosti fotosyntézy (a v konečném důsledku zvýšení produktivity) C3 rostlin, které představují převážnou část pěstovaných zemědělských plodin, zvažováno několika způsoby.

Řada navrhovaných řešení přitom vyvolává rozumné námitky.

Zvláště zajímavá je v tomto ohledu nedávná práce, která se věnuje nejen podrobné analýze znaků manifestace syndromu C4 pro pochopení evoluce fotosyntetických drah, ale také zdůvodnění genetického determinismu evoluce C3 rostliny do typu C4. Je třeba poznamenat, že až dosud genetické mechanismy, které zajišťovaly výskyt specifické anatomie listů charakteristické pro fotosyntézu C4 v rostlinách, zůstávají neznámé, a to je hlavní problém v bioinženýrských pokusech předat nové vlastnosti nebo transformovat většinu nejdůležitějších zemědělských rostlin C3. do typu C4.

Zvláštnosti genetických mechanismů mohou spočívat ve skutečnosti, že mnoho rysů fotosyntézy C4 je realizováno zjevně pomocí mnoha genů, jejichž projev aktivity má malé účinky, které pouze společně dávají nezbytný účinek. Cesty genetického determinismu, jak ukazují údaje o různých C3-C4- a C4-rostlinách, přitom mohou být různorodé, neboť u zástupců jednotlivých čeledí a rodů mají přechodné formy C3^C3-C4^C4 speciální vlastnosti a vlastnosti. V tomto ohledu je nejprve nutné sledovat takové přechodové znaky u rostlin a rodů, které jsou taxonomicky blízké odpovídajícím zástupcům významných zemědělských plodin.

Problémy při transformaci rostlin C3 na typ C4 jsou popsány v práci Gowika a Westhoffa. Autoři si všímají nejen potřeby oddělit reakce zahrnující PEP karboxylázu a Rubisco do různých buněk, ale také vyvolávají otázky ohledně potřeby změn v expresi různých genů. To je způsobeno například tím, že množství Rubisco v závodech C4 je několikanásobně nižší než v závodech C3. Kromě toho se regulační mechanismy v každém typu buňky (mezofyl a obal) výrazně liší. V rostlině C4 Flaveria trinervia je tedy v buňkách mezofylu přítomen cis-regulační prvek, který je označen jako MEDOFYL EXPRESSION MODULE1. Stejný genetický prvek je přítomen i v genech rostlin typu C3 tohoto rodu Flaveria, nemá však potřebnou specifičnost projevu. Pro specifickou expresi specifikovaného genu stačí mírná modifikace takového prvku.

Na rozdíl od výše uvedeného je specifická (pro buňky pochvy cévního svazku) exprese jednoho z genů kódujících malou podjednotku Rubisco, FbRbcSl, regulována především na posttranskripční úrovni. Zdá se, že stabilita transkriptů tohoto genu v buňkách mezofylu a pochvy je odlišná.

Transformace rostlin C3 na typ C4 je tedy do značné míry spojena se změnami v regulaci aktivity různých genů. V tomto případě se zdá, že klíčovou roli hrají transkripční faktory GOLDEN2-LIKE GLK1 a GLK2, které jsou charakteristické pro všechny suchozemské rostliny. V rostlině Arabidopsis kontrolují expresi více než 100 genů, z nichž mnohé jsou spojeny s procesem fotosyntézy, zatímco u kukuřice (rostliny C4) byla pozorována exprese genů v této skupině specifická pro buňky pochvy. Tyto výsledky vedly autory k závěru, že tyto proteiny jsou důležité pro genovou regulaci při tvorbě mezofylových buněk a výstelky cévních svazků. Další kroky však mohou zahrnovat optimalizaci množství a vlastností mnoha enzymů.

Evoluce fotosyntézy se tedy jeví jako velmi složitá a různorodá a problémy bioinženýrství a řízení produktivity rostlin pomocí genetických manipulací se zdají mít vyhlídky na řešení, vezmeme-li v úvahu nashromážděné znalosti o cestách regulace morfologických a biochemických charakteristik. důležité pro projev efektivnější fotosyntézy C4 dráhy.

Bibliografie

1. Heldt G.-W. Biochemie rostlin. M.: BINOM. Vědomostní laboratoř, 2011. 471 s.

2. Tolbert N. E. Oxidační fotosyntetický uhlíkový cyklus C2 // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1997. V. 48. S. 1-25.

3. Lundgren M.R., Osborne C.P., Christin P.-A. Dekonstrukce Kranzovy anatomie k pochopení evoluce C4 // J. Exp. Bot. 2014. V. 65 (13). P. 33573369.

4. Důkaz C4 fotosyntézy bez Kranzovy anatomie u Bienertia cycloptera (Chenopodiaceae) / E.V. Voznesenskaya // The Plant Journal. 2002. V. 31 (5). str. 649-662.

5. Šalvěj R.F. Fotosyntéza C4 v suchozemských rostlinách nevyžaduje Kranzovu anatomii // TRENDY in Plant Science. 2002. V. 7 (7). str. 283-285.

6. Wickramage A.T. Jednobuněčná C4 fotosyntéza. 2008. https://www.slideshare.net/anupathisalwickramage/single-cell-c4photosynthesis.

7. Existence C-4-svazkové pochvy podobné fotosyntézy ve střední žíle rýže C-3 / W.J. Shen // Rýže. 2016. V. 9. č. 20. DOI: 10.1186/s12284-016-0094-5.

8. Gowik U., Westholl P. Cesta od C3 k C4 fotosyntéze // Plant Physiol. 2011. V. 155. S. 56-63.

9. Muhaidat R., Sage R.F., Dengler N.G. Rozmanitost Kranzovy anatomie a biochemie v C4 eudicots // Amer. J. Bot. 2007. V.94 (3). str. 362-381.

10. C2 fotosyntéza vytváří asi 3krát zvýšené hladiny CO2 v listech u C3-C4 přechodných druhů Flaveria pubescens / O. Keerberg //

Časopis experimentální botaniky. 2014. V. 65. Č. 13. str. 3649-3656. doi:10.1093/jxb/eru239.

11. Glycindekarboxyláza je omezena na buňky svazku pochev listů C3-C4 přechodných druhů / C.M. Hylton // Planta. 1988. V. 175. S. 452-459.

12. Sage R.F., Sage T.L., Kocacinar F. Fotorespirace a evoluce fotosyntézy C4 // Annual Review of Plant Biology. 2012. V. 63. S. 19-47.

13. Fenotypová krajinná inference odhaluje více evolučních cest k fotosyntéze C4 / B.P. Williams // eLife 2. 2013. e00961. doi.org/10.7554/eLife.00961.

14. Edwards J., Walker D. Fotosyntéza rostlin C3 a C4: mechanismy a regulace. M.: Mir, 1986. 590 s.

15. Monson R.K. Asimilace CO2 v C3-C4-intermediárních rostlinách // Fotosyntéza: Fyziologie a metabolismus / R.C. Leegood, T.D. Sharkey, S. von Caemmerer (eds.). Kluwer Academic Publishers. 2000. S. 533-550.

16. Šalvěj R.F. Vývoj fotosyntézy C4 // Nový fytolog. 2004. V. 161. S. 341-370.

17. Hunt S., Smith A.M., Woolhouse H.W. Důkaz pro světelně závislý systém pro reasimilaci fotorespiračního systému, který nezahrnuje cyklus, u přechodného druhu Moricandia arvensis // Planta. 1987. V. 171. S. 227-234.

18. von Caemmerer S. Model fotosyntetické asimilace a diskriminace izotopů uhlíku v listech určitých meziproduktů // Planta. 1989. V. 178. S. 463-474.

19. Ivaniščev V.V. O stanovení účinnosti karboxylace u rostlin, které mají mechanismus pro koncentraci CO2 // Fyziologie rostlin. 1992. T. 39. č. 3. P. 437444.

20. Hibberd J.M., Quick W.P. Charakteristika fotosyntézy C4 ve stoncích a řapících kvetoucích rostlin C3 // Příroda. 2002. V. 415 (6870). str. 451-454. doi:10.1038/415451a.

21. Kyselé dekarboxylázy C4 potřebné pro fotosyntézu C4 jsou aktivní ve střední žíle druhu C4 Arabidopsis thaliana a jsou důležité v metabolismu cukrů a aminokyselin / N.J. Hnědá // Rostlina J. 2010. V. 61(1). S. 122-133. doi:10.1111/j.1365-313X.2009.04040.x.

22. Magomedov I.M. K historii objevu C4 fotosyntézy. Současný stav problému // Pokroky moderních přírodních věd. 2015. č. 1 (část 6.). str. 962-965.

23. Nasyrov Yu.S. Genetika fotosyntézy a selekce. M.: Poznání, 1982. 64 s.

24. Abdullaev A., Gorenkova L.G., Ivanishchev V.V. O distribuci některých enzymů metabolismu C4-kyselin v chloroplastech žita // Fyziologie rostlin. 1989. T. 36. č. 4. S. 665-668.

25. Ivaniščev V.V. Biologický význam metabolismu oxaloacetátu v chloroplastech rostlin C3 // Fyziologie rostlin. 1997. T. 44. č. 3. S. 462-470.

26. Meyer V., Griffiths H. Původ a rozmanitost eukariotických mechanismů koncentrace CO2: lekce pro budoucnost // J. Exp. Bot. 2013. V. 64. č. 3. S. 769-786.

27. Ivaniščev V.V. Problémy fotosyntetické asimilace anorganického uhlíku vyššími rostlinami // Bulletin GOU DPO TO "IPK AND PPRO TO". Vzdělávací prostor Tula. 2017. č. 3 (v tisku).

28. Evoluce a funkce cis-regulačního modulu pro mezofylspecifickou genovou expresi v C4 dvouděložné Flaveria trinervia / M. Akyildiz // Plant Cell. 2007. V. 19. S. 3391-3402.

29. Patel M., Siegel A.J., Berry J.O. Netranslatované oblasti mRNA FbRbcS1 zprostředkovávají genovou expresi specifickou pro buňku pochev svazku v listech rostliny C4 // J. Biol Chem. 2006. V. 281. S. 25485-25491.

30. Waters M.T., Langdale J.A. The making of a chloroplast // EMBO J. 2009. V. 28. S. 2861-2873.

Ivanishchev Viktor Vasilievich, doktor biologie. vědy, umění. vědecký zaměstnanec, manažer oddělení, [e-mail chráněný], Rusko, Tula, Státní pedagogická univerzita v Tule. L.N. Tolstoj

EVOLUČNÍ ASPEKTY C4-FOTOSYNTÉZY V.V. Ivaniščev

Přehled se zabývá rozmanitostí projevů fotosyntetické asimilace oxidu uhličitého v rostlinách a evolučními aspekty fotosyntézy typu C4. Ukazuje se, že za poslední dekádu a půl byla získána experimentální data, která významně mění naše chápání způsobů nástupu C4 fotosyntézy a realizace jejích specifických vlastností u řady typických C3 rostlin. Jsou diskutovány vyhlídky aplikace těchto znalostí pro vývoj strategie pro zlepšení účinnosti fotosyntézy C3 rostlin za účelem zvýšení jejich produktivity.

Klíčová slova: rostliny, asimilace anorganického uhlíku, C3-C4-fotosyntéza, C4-fotosyntéza, evoluční aspekty, produktivita rostlin.

Ivanishchev Viktor Vasiljevich, doktor biologie, hlavní vědecký pracovník, vedoucí katedry, [e-mail chráněný], Rusko, Tula, Stát Tula Pedagogická univerzita Lva Tolstého

Temná fáze fotosyntézy

Americký vědec Melvin Calvin široce využíval metodu značených atomů ke studiu temných reakcí fotosyntézy spojené s fixací a přeměnou oxidu uhličitého.

Látky, které mají radioaktivní značku, se chemickými vlastnostmi prakticky neliší od běžných. Přítomnost radioaktivního atomu však umožňuje vysledovat osud molekuly a její přeměny na jiné sloučeniny, protože záření emitované značkou při rozpadu lze snadno měřit pomocí přístrojů.

Potvrdila se domněnka M. Calvina – oxid uhličitý se vlastně připojuje k pětiuhlíkovému cukru zvanému ribulóza difosfát (RDF). Toto je reakce karboxylace , který je katalyzován enzymem ribulóza difosfát karboxyláza. Tento enzym tvoří polovinu všech rozpustných chloroplastových proteinů a je pravděpodobně hmotově větší než všechny ostatní proteiny na Zemi. Jeho koncentrace v chloroplastech, přibližně 0,5 mM, je srovnatelná s koncentracemi substrátů reakce, kterou katalyzuje.

Kyselina fosfoglycerová (PGA) je poté přeměněna na fosfoglyceraldehyd(FGA) (obr. 10). V této fázi vzniká potřeba produktů reakce světla - ATP A NADP∙ N. Ve tmě se tyto energeticky bohaté sloučeniny v chloroplastech netvoří, a proto nedochází k přeměně kyseliny fosfoglycerové na tříuhlíkovou sloučeninu – fosfoglyceraldehyd, což vede k zastavení syntézy organických látek. Tato fáze Calvinova cyklu se nazývá obnovující.

Jaký je další osud fosfoglyceraldehydu? Ze šesti molekul této sloučeniny vznikají v důsledku cyklických přeměn tři molekuly ribulózadifosfátu, který je nezbytný pro adici nových molekul oxidu uhličitého. Cyklus těchto reakcí se nazývá stádium regenerace akceptor. Šestá molekula PHA opouští Calvinův cyklus a při hromadění molekul fosfoglyceraldehydu z nich vznikají různé produkty: glukóza v hroznech, sacharóza v kořenech cukrové řepy, škrob v hlízách brambor, inulin v oddencích čekanky a mnoho dalších.

Práce M. Calvina o objasnění podstaty temných reakcí fotosyntézy je největším úspěchem moderní fyziologie rostlin. V roce 1961 mu byla udělena Nobelova cena.

M. Calvin tedy zjistil, že oxid uhličitý se účastní řetězce reakcí, které jsou svou povahou cyklické: spojuje se s ribulózadifosfátem a na konci přeměn se znovu vytvoří stejná látka, připravená k přidání nových molekul uhlíku. oxidem uhličitým. Celek temný se nazývají reakce fotosyntézy Calvinův cyklus.

Při studiu zelených rostlin byli vědci přesvědčeni, že ve všech případech je cesta fotosyntetických přeměn stejná. A teprve v roce 1966 australští vědci Hatch a Slack zjistili, že u některých rostlin, zejména kukuřice, tyto transformace probíhají odlišně a odchylují se od Calvinova schématu. V kukuřici se oxid uhličitý neváže na ribulózadifosfát, ale na tříuhlíkovou sloučeninu - kyselina fosfoenolpyrohroznová což vede ke vzniku čtyřuhlíkové (C 4) sloučeniny - kyselina oxalooctová . Po udržování rostlin v atmosféře se značeným oxidem uhličitým je tato látka první, která je detekována v chromatogramech. Z tohoto důvodu se nazývá cesta fotosyntetických přeměn v kukuřici Od 4-cest. Ale cyklus proměn podle Kalvína byl označen jako C 3-cestný, protože tříuhlíková sloučenina PGA, kyselina fosfoglycerová, je první, která byla detekována v chromatogramech.

CO 2 difundující do listu průduchy tedy vstupuje do cytoplazmy buněk listového mezofylu, kde za účasti enzymu fosfoenolpyruvátkarboxyláza reaguje s fosfoenolpyruvát(FEP), tváření oxaloctová kyselina. Ten vstupuje do chloroplastů, kde se redukuje na kyselinu jablečnou ( malátný ) kvůli NADP ∙ H, vznikající ve světelné fázi fotosyntézy (obr. 11).

Po vytvoření v mezofylových buňkách listu se malát přesune do speciálních buněk obklopujících cévy. Jedná se o tzv. výstelkové buňky cévních svazků (obr. 12). Mají také chloroplasty, jen jsou mnohem větší než ty, které se nacházejí v mezofylových buňkách a často nemají grana. Tady v buňkách obložení malátný odstraňuje oxid uhličitý ( dekarboxyláty ), který je zapojen do cyklu fotosyntetických přeměn podle známého Calvinova schématu. Spolu s oxidem uhličitým z malátný se tvoří fosfoenolpyruvát , který se po návratu do mezofylových buněk listu může opět připojit k molekulám oxidu uhličitého.

Kromě kukuřice se fotosyntetická dráha C4 nachází v některých dalších obilovinách, zejména tropických a subtropických rostlinách (cukrová třtina, čirok, proso). V současné době je známo 19 čeledí kvetoucích rostlin, které obsahují druhy C4.

Proč musely rostliny tolik komplikovat proces fotosyntézy? Protože se totiž každá molekula CO 2 musí vázat dvakrát, je spotřeba energie při fotosyntéze C 4 přibližně dvakrát větší než při fotosyntéze C 3. Ukázalo se, že cesta C 4 má oproti cestě C 3 řadu výhod. Za prvé, PEP karboxyláza fixuje CO 2 účinněji než RDP karboxyláza a velké množství CO 2 se hromadí ve výstelkových buňkách cévních svazků. To na jedné straně vytváří lepší podmínky pro práci RDP karboxylázy a na druhé straně to potlačuje fotorespirace.

Fotorespirace– jedná se o absorpci kyslíku závislou na světle a uvolňování CO2. Nemá nic společného s normálním dýcháním a vyskytuje se v důsledku skutečnosti, že RDP karboxyláza interaguje nejen s CO 2, ale také s molekulárním kyslíkem. V tomto případě vzniká nepotřebný glykolát, na jehož další přeměny se spotřebovává energie a uvolňuje se CO 2, který byl již jednou zužitkován během procesu fotosyntézy. Fotorespirace snižuje potenciální výnos C 3 rostlin o 30-40 %. Hlavní výhodou C 4 fotosyntézy je tedy to, že se výrazně zvyšuje efektivita fixace CO 2 a uhlík se zbytečně neztrácí v důsledku fotorespirace. A přestože rostliny C4 spotřebovávají více energie, takové rostliny obvykle rostou v podmínkách, kde je úroveň světla velmi vysoká. Lépe proto využívají vysokou intenzitu světla a vysoké teploty tropických oblastí. Za druhé, rostliny C4 lépe snášejí sucho. Aby se snížily ztráty vody transpirací, rostliny si zakrývají průduchy, což vede ke snížení vstupu CO 2 . Oxid uhličitý se v nich však fixuje tak rychle, že vyhovuje potřebám fotosyntézy. A na každou fixovanou molekulu CO 2 spotřebují polovinu vody než rostliny C 3 . Není proto překvapivé, že rostliny C 4 zahrnují mnoho druhů suchého tropického pásma. Jakmile vyjde slunce, rostliny okamžitě začnou využívat oxid uhličitý uložený v organických kyselinách k syntéze různých látek. Proto rostou rychleji.

Alternativní cesty fotosyntézy.

C 3-cestný se ukázalo být nejenom v transformaci Co 2, ale v transformaci v temné fázi. Změny vnějších klimatických podmínek a složení atmosféry v různých částech Země způsobily vznik kontinentů s horkým a suchým klimatem (pouště), které nemohly ovlivnit rostlinný svět. Druhová specifičnost je nepochybně odrazem faktu jedinečnosti fyziologického typu každého rostlinného druhu. Od 50. let je pozornost věnována procesům fotosyntézy, dýchání, transpirace a transportu látek. Ukázalo se, že podmínky prostředí určují strukturní a biochemické typy fotosyntézy rostlin.

Počátkem 60. let 20. století bylo zjištěno, že některé rostliny rostoucí v tropech nebo odtud vycházející, např. kukuřice, cukrová třtina, čirok, proso, zástupci čeledi merlíkovitých rostlin polopouštních a pouštních , celkem 18 rodin. Takové rostliny se nacházejí v různých čeledích a rodech, ale neexistuje jediná čeleď nebo rod sestávající pouze z rostlin C4. První produkty asimilace CO 2 zde mají 4 atomy uhlíku, proto se takové rostliny nazývají „rostliny C4“. V těchto rostlinách není stabilním primárním produktem asimilovaného CO 2 PHA, ale kyselina jablečná, a v řadě rostlin kyselina asparagová, obsahující ne 3, ale 4 atomy uhlíku, ve které byla objevena radioaktivní značka 14 CO 2 (Yu S. Karpilov, 1960, 1969; Byla tak objevena v podstatě nová cesta asimilace CO 2, která byla nazvána „C 4 - cesta“ fotosyntézy.

Takové rostliny mají specifickou anatomickou strukturu listů. Mají dva typy fotosyntetických buněk: buňky pochvy, které radiálně pokrývají cévní svazky v listu, a mezofylové buňky sloupovité a houbovité tkáně. To může sloužit jako diagnostický znak pro stanovení C4 rostlin. Existují také rozdíly ve struktuře těchto buněk: v buňkách pochvy chloroplastů nejsou žádné grana, jsou agranální a v buňkách mezofylu jsou všechny chloroplasty zrnité. Tyto dva typy buněk nejsou fyziologicky ekvivalentní a specializují se na provádění různých částí při přeměně absorbovaného CO2

Buňky pochvy plní hlavní funkci, probíhá v nich Calvinův cyklus, stejně jako u rostlin s C 3 prostřednictvím fotosyntézy, tzn. celý proces přeměny oxidu uhličitého ve všech fázích Calvinova cyklu. Buňky listového mezofylu hrají podpůrnou roli, pumpují CO 2 pro Calvinův cyklus. Tedy u rostlin s C 4 dráhou. Existují dvě fáze, vyskytující se v různých buňkách listu. Na jeden agranální chloroplast buňky pochvy připadá 10 buněk zrnitého mezofylu, ve kterých probíhá necyklická fotofosforylační dráha. To zajišťuje zvýšení fotosyntézy i za podmínek velmi vysokých teplot a téměř uzavřených průduchů, což má také pozitivní vliv na vodní režim rostlin, protože se snižuje spotřeba vody. Oba procesy jsou prostorově odděleny, tj. v mezofylových buňkách dochází k asimilaci CO 2 a v parietálních buňkách k tvorbě cukrů a regeneraci akceptoru. Ale tyto dva procesy probíhají současně, ve světle.

První reakce cyklu C 4 - cesta fotosyntézy probíhá v mezofylu listu, ve kterém je akceptorem oxidu uhličitého kyselina fosfoenol-pyrohroznová (PEP). V těchto buňkách je velmi aktivní PEP karboxyláza, která intenzivně váže CO 2 na organickou sloučeninu (obr.

Fotosyntetický cyklus C 4 – dráhy fotosyntézy

PEP - kyselina fosfoenolpyrohroznová;

PCHUK - kyselina oxaloctová;

YAC - kyselina jablečná;

PVA - kyselina pyrohroznová;

RBF - ribulóza-1,5-bisfosfát;

3-PGA - kyselina fosfoglycerová;

PGA - fosfoglyceraldehyd

Reakce probíhají následovně. V buňkách mezofylu listu dochází ke karboxylaci PEP enzymy PEP-karboxylázou za vzniku PEP kyseliny oxaloctové: PEP + CO 2 + H 2 O → PEP Tato nestabilní látka je zde stabilizována NADPH za vzniku kyseliny jablečné. (malát), 4-uhlíkové sloučeniny: PIKE + NADPH → YAK. V řadě rostlin se místo AA tvoří kyselina asparagová (AA), která vyžaduje amoniak v buňkách: PIKE + NH 4 + NADPH → AA. Tyto dvě kyseliny nemohou vznikat v téže rostlině, proto se takové rostliny nazývají malát nebo aspartát. Druhým stupněm je, že malát přechází do výstelkových buněk cévního svazku, kde v důsledku jeho oxidační dekarboxylace dochází k CO 2 a NADPH. jsou tvořeny pro cyklus Calvin. Výsledný pyruvát (PVC) se vrací do mezofylových buněk a je fosforylován na fosfoenolpyruvát, primární akceptor CO 2 , a dráha C4 je uzavřena. Uvolněný CO 2 jde do druhé karboxylace RDP Calvinova cyklu s tvorbou sacharidů v buněčných výstelkách. Dvojitá karboxylace zajišťuje absorpci CO 2 intenzivněji než v C 3 dráze, proto se nazývá kooperativní. Dvojitá karboxylace je mnohem účinnější a poskytuje intenzivní fotosyntézu se sníženým obsahem CO 2 . Pokud tedy u rostlin C 3 klesne fotosyntéza pod 0,03 %, pak u rostlin C 4 probíhá plně při 0,008 %. Vznik alternativní cesty pro C 4 v rostlinách je považován za proces evoluce adaptace na snížený obsah CO 2 v atmosféře a nárůst O 2, způsobený samotnými rostlinami, než v období jejich vzcházení. . Proto mají tyto rostliny velké výhody oproti cestě C3.