Строение пластиды и ее функции таблица: Пластиды — их строение и функции: растительная клетка, что такое лейко

Содержание

Пластиды — их строение и функции: растительная клетка, что такое лейко

Клетка — сложная структура, состоит из множества компонентов, называемых органеллами. При этом состав растительной клетки несколько отличается от животной, а основное различие заключается в присутствии пластидов.

Описание клеточных элементов

Какие компоненты клеток именуются пластидами. Это структурные органоиды клетки, имеющие сложное строение и функции, важные для жизни растительных организмов.

[stop]Важно! Пластиды образуются из пропластид, которые находятся внутри клеток меристем или образовательной ткани и имеют гораздо меньший размер, чем зрелый органоид. А еще они делятся, подобно бактериям, на две половины перетяжкой.[/stop]

Какое имеют пластиды строение под микроскопом рассмотреть сложно, благодаря плотной оболочке они не просвечиваются.

Однако, ученым удалось выяснить, что этот органоид имеет две мембраны, внутри заполнен стромой, аналогичной цитоплазме жидкостью.

Складки внутренней мембраны, уложенные стопочками, образуют граны, которые могут соединяться между собой.

Также внутри присутствуют рибосомы, липидные капли, зерна крахмала. Еще у пластид, особенно у хлоропластов, имеются свои молекулы ДНК.

Это интересно! Сходство, отличия и признаки: голосеменные и покрытосеменные растения

Классификация

Разделяются на три группы по цвету и выполняемым функциям:

  • хлоропласты,
  • хромопласты,
  • лейкопласты.

Хлоропласты

Наиболее глубоко изучены, имеют зеленую окраску. Содержаться в листьях растений, иногда в стеблях, плодах и даже корнях. По внешнему виду похожи на округлые зернышки размером 4-10 микрометров. Малый размер и большое количество значительно увеличивает площадь рабочей поверхности.

Могут отличаться по цвету, это зависит от вида и концентрации содержащегося в них пигмента. Основной пигмент- хлорофилл, также присутствуют ксантофилл и каротин. В природе существует 4 вида хлорофилла, обозначаемых латинскими буквами: а, b, с, е. Первые два типа содержат клетки высших растений и зеленых водорослей, у диатомовых присутствуют только разновидности — а и с.

[warning]Внимание! Подобно другим органоидам, хлоропласты способны стареть и разрушаться. Молодая структура способна к делению и активной работе. Со временем их граны разрушаются, а хлорофилл распадается.[/warning]

Хлоропласты выполняют важную функцию: внутри них происходит процесс фотосинтеза — преобразование солнечного света в энергию химических связей формирующихся углеводов. При этом они могут двигаться вместе с током цитоплазмы или активно передвигаться сами. Так, при слабом освещении они скапливаются у стенок клетки с большим количеством света и поворачиваются к нему большей площадью, а при очень активном освещении, наоборот, встают ребром.

Хромопласты

Приходят на смену разрушенным хлоропластам, бывают желтого, красного и оранжевого оттенков. Цветная окраска формируется благодаря содержанию каротиноидов.

Данные органоиды содержаться в листья, цветах и плодах растений. По форме могут быть округлыми, прямоугольными или даже игольчатыми. Строение аналогично хлоропластам.

Основная функция – придание окраски цветам и плодам, что позволяет привлечь насекомых- опылителей и животных, которые поедают плоды и тем самым способствуют распространению семян растения.

[stop]Важно! Ученые строят предположения о роли хромопластов в окислительно-восстановительных процессах клетки в качестве светофильтра. Рассматривается возможность их влияния на рост и размножение растений.[/stop]

Лейкопласты

Данные пластиды имеют отличия в строении и функциях. Основная задача – запасать питательные вещества впрок, поэтому находятся они преимущественно в плодах, но также могут быть в утолщенных и мясистых частях растения:

  • клубнях,
  • корневищах,
  • корнеплодах,
  • луковицах и других.

Бесцветная окраска не позволяет выделить их в структуре клетки, однако лейкопласты легко разглядеть при добавлении небольшого количества йода, который, взаимодействуя с крахмалом, окрашивает их в синий цвет.

Форма близка к округлой, при этом внутри плохо развита система мембран. Отсутствие складок мембран помогает органоиду при запасании веществ.

Крахмальные зерна увеличиваются в размерах и легко разрушают внутренние мембраны пластиды, как-бы растягивая ее. Это позволяет накопить больше углеводов.

В отличие от других пластид, содержат молекулу ДНК в оформленном ядре. При этом, накапливая хлорофилл, лейкопласты могут превращаться в хлоропласты.

Определяя, какую функцию выполняют лейкопласты, нужно отметить их специализацию, поскольку существует несколько типов, запасающих определенные вид органического вещества:

  • амилопласты накапливают крахмал;
  • олеопласты производят и запасают жиры, при этом последние могут запасаться и в других частях клеток;
  • протеинопласты «берегут» белки.

Помимо накопления, могут выполнять функцию расщепления веществ, для чего существуют ферменты, которые активизируются, когда возникает дефицит энергии или строительного материала.

В такой ситуации ферменты начинают расщеплять запасенные жиры и углеводы до мономеров, чтобы клетка получила необходимую энергию.

Все разновидности пластид, не смотря на особенности строения, обладают способностью превращаться друг в друга. Так, лейкопласты могут преобразоваться в хлоропласты, этот процесс мы видим при позеленении клубней картофеля.

В то же время, по осени хлоропласты превращаются в хромопласты, в результате чего листья желтеют. Каждая клетка содержит только один вид пластид.

Это интересно! Кто такие эукариоты и прокариоты: сравнительная характеристика клеток разных царств

Происхождение

Теорий происхождения множество, наиболее обоснованными среди них являются две:

  • симбиоза,
  • поглощения.

Первая рассматривает образование клетки как процесс симбиоза, происходящего в несколько ступеней. В его ходе гетеротрофные и автотрофные бактерии объединяются, получая взаимную выгоду.

Вторая теория рассматривает образование клетки через поглощение более крупными организмами мелких. Однако, при этом не происходит их переваривание, они встраиваются в структуру бактерии, выполняя свою функцию внутри нее. Такое строение оказалось удобным и дало организмам преимущество перед другими.

Виды пластидов в растительной клетке

Пластиды — их функции в клетке и типы

Вывод

Пластиды в растительных клетках – это своеобразная «фабрика», где осуществляется производство, связанное с токсичными промежуточными веществами, высокой энергией и процессами преобразования свободных радикалов.

Таблица по биологии 9 класс Общие сведения о клетках Клеточная мембрана Строение клетки

Мембрана Её толщина 8 нм (1 нм = 10-9 м). Основу мембраны составляет слой молекул липидов, в котором расположены многочисленные молекулы белков. Некоторые белки находятся на поверхности липидного слоя, другие – пронизывают оба слоя липидов насквозь. Специальные белки образуют тончайшие каналы, по которым внутрь клетки или из неё могут проходить ионы калия, натрия, кальция, имеющие маленький диаметр. Молекулы пищевых веществ – белки, углеводы, липиды – попадают в клетку при помощи фагоцитоза или пиноцитоза Окружая каждую клетку, отделяет её от внешней среды. Наружная мембрана защищает внутреннее содержимое клетки – цитоплазму и ядро – от повреждений, поддерживает постоянную форму клетки, обеспечивает связь клеток между собой, избирательно пропускает внутрь клетки, необходимые вещества и выводит продукты обмена
Ядро Содержит ДНК, имеет шаровидную или овальную форму; внутренняя мембрана гладкая, а наружная имеет выступы. Общая толщина клеточной оболочки 30 нм. В оболочке ядра имеются поры. В ядерном соке расположены хроматин и ядрышки. От цитоплазмы ядро отделено оболочкой, состоящей из двух мембран. Хроматин представляет собой нити ДНК, которые образуют хромосомы. Нити хроматина накручиваются спиралью на особые белки. Кариотип – это набор хромосом, содержащийся в клетках. Внутреннее содержимое ядра – кариоплазма Содержит ДНК, необходимое для деления клетки и регулирования процессов белкового синтеза, обмена веществ и энергии, идущего в клетке. В оболочке ядра имеются многочисленные поры для попадания веществ из цитоплазмы в ядро и наоборот
Прокариоты – бактерии, не имеют ядра. Эукариоты – клетки всех остальных организмов, имеющие ядро. Диплоидный набор содержат ядра соматических клеток
Эндоплазматическая сеть (ЭПС) Многочисленные каналы, стенки которых образованы мембраной, составляют наружную оболочку клетки. Эти каналы могут ветвиться, соединяться друг с другом, и возникает единая транспортная система клетки. Каналы ЭПС занимают 50% внутреннего объёма клетки. Средняя величина ЭПС – 50 нм. Часть мембран сети покрыта рибосомами. Другая часть ЭПС не покрыта рибосомами и получила название гладкая Шероховатая часть ЭПС – происходит синтез гормональных белков. Гладкая ЭПС выполняет транспортную функцию
Рибосомы Небольшие шарообразные органоиды диаметром 10-30 нм. Образованы рибонуклеиновыми кислотами и белками. Каждая рибосома состоит из нескольких частей. Рибосомы расположены на шероховатой эндоплазматической сети. Они свободно взвешены в цитоплазме клетки Рибосомы формируются в ядрышках ядра, а затем выходят в цитоплазму, где начинают выполнять свою функцию – синтез белков
Комплекс Гольджи Значительная часть синтезируемых клеткой веществ по каналам ЭПС поступает в особые полости, отграниченные от цитоплазмы мембраной. Эти полости уложены своеобразными стопками. Чаще всего цистерны аппарата Гольджи расположены вблизи от ядра клетки В комплексе Гольджи накапливаются вещества, которые клетка синтезирует для нужд всего организма, и выводятся из клетки наружу. В растительных клетках, возможно, синтезируется клетчатка для клеточной оболочки. Вещества необходимы самой клетке, например, пищеварительные ферменты «упаковываются» в мембранные пузырьки, отпочковываются и разносятся по цитоплазме
Лизосомы Маленький пузырёк, диаметром 0,5-1,0 мкм, содержащий в себе большой набор ферментов, способных разрушать пищевые вещества. В одной лизосоме могут находиться 30-50 ферментов. Лизосомы окружены мембраной, способной выдержать воздействие этих ферментов Чтобы внутриклеточное переваривание стало возможным, фагоцитарный или пиноцитарный пузырёк должен слиться с лизосомой. Лизосомы разрушают и саму клетку, в которой образовались
Митохондрии Энергетические органоиды клеток, расположены в цитопазме. Форма митохондрий различна – они могут быть овальными, округлыми, палочковидными. Диаметр их около 1 мкм, а длина – до 7-10 мкм. Митохондрии покрыты двумя мембранами: наружная мембрана гладкая, а внутренняя имеет многочисленные складки и выступы – кристы. Количество митохондрий в клетках различных живых существ и тканей неодинаково В мембрану крист встроены ферменты, синтезирующие за счёт энергии питательных веществ, поглощённых клеткой, молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ – универсальный источник энергии для всех процессов, происходящих в клетке
Пластиды Органоиды растительных клеток. В зависимости от окраски пластиды делят на лейкопласты, хлоропласты и хромопласты. Лейкопласты бесцветны и находятся в неосвещаемых частях растений. На свету в лейкопластах образуется зелёный пигмент хлорофилл. Больше всего хлоропластов в клетках листьев. Размер хлоропластов 5-10 мкм. По форме они могут напоминать линзу или мяч для игры в регби. Под наружной гладкой мембраной находится складчатая внутренняя мембрана. Между складками мембран находятся стопки связанных с ней пузырьков. Каждая отдельная стопка таких пузырьков называется граной. В одном хлоропласте может быть до 50 гран. В мембранах пузырьков, образующих граны, находится хлорофилл, необходимый для превращения энергии света в химическую энергию АТФ. Во внутреннем пространстве хлоропластов между гранами происходит синтез углеводов. В одной клетке листа находится от 20 до 100 хлоропластов. В хромопластах содержатся пигменты красного, оранжевого, фиолетового, жёлтого цветов. Пластиды содержат собственные молекулы ДНК. Они способны размножаться Основная функция зелёных пластид – хлоропластов – фотосинтез, то есть превращение энергии солнечного света в энергию макроэргических связей АТФ и синтез за счёт этой энергии углеводов из углекислого газа воздуха. В лейкопластах происходит накопление крахмала
Клеточный центр Расположен в цитоплазме всех клеток вблизи то ядра. Он играет роль в формировании внутреннего скелета клетки – цитоскелета. У животных и низших растений клеточный центр образован двумя центриолями. Каждая центриоль – это цилиндрик длиной около 0,3 мкм и диаметром 0,1 мкм, образованный тончайшими микротрубочками. Микротрубочки расположены по окружности центриолей по три, а ещё две микротрубочки лежат по оси каждой из двух центриолей. Центриоли расположены в цитоплазме под прямым углом друг к другу. У высших растений клеточный центр устроен по-другому и центриолей не имеет Микротрубочки поддерживают форму клетки и играют роль рельсов для движения органоидов по цитоплазме. Очень велика роль клеточного центра при делении клеток, когда центриоли образуют веретено деления
Органоиды движения Организмы двигаются при помощи особых органоидов движения — ресничек и жгутиков. Жгутики имеют большую длину, реснички короче – 10-15 мкм. Внутреннее строение ресничек и жгутиков одинаково: они образованы микротрубочками. Движение жгутиков и ресничек вызвано скольжением микротрубочек друг относительно друга, в результате эти органоиды изгибаются. Органоиды движения встречаются у клеток многоклеточных организмов. Жгутики есть у специализированных клеток, таких как сперматозоиды В основании каждой реснички или жгутика лежит базальное тельце, которое укрепляет их в цитоплазме клетки. Движения ресничек помогают очистке бронхов от инородных частиц, пыли. Все реснички эпителиальной клетки двигаются строго согласованно, образуя своеобразные волны

строение и функции в процессе фотосинтеза — Природа Мира

Время чтения 3 мин.Просмотры 8.5k.Обновлено

Фотосинтез происходит в эукариотических клеточных структурах, называемых хлоропластами. Хлоропласт – это тип органеллы растительных клеток, известный как зеленые пластиды. Пластиды помогают хранить и собирать необходимые вещества для производства энергии. Хлоропласт содержит зеленый пигмент, называемый хлорофиллом, который поглощает световую энергию для процесса фотосинтеза. Следовательно, название хлоропласт указывает на то, что эти органеллы представляют собой хлорофиллсодержащие пластиды.

Подобно митохондриям, хлоропласты имеют свою собственную ДНК, ответственны за производство энергии и воспроизводятся независимо от остальной части клетки посредством процесса деления, подобного бактериальному бинарному делению. Они также ответственны за производство аминокислот и липидных компонентов, необходимых для производства хлоропластов. Хлоропласты также встречаются в клетках других фотосинтезирующих организмах, таких как водоросли.

Хлоропласт: структура

Схема строения хлоропласт

Хлоропласты обычно встречаются в охранных клетках, расположенных в листьях растений. Охранные клетки окружают крошечные поры, называемые устьицами, открывая и закрывая их, чтобы обеспечить необходимый для фотосинтеза газообмен. Хлоропласты и другие пластиды развиваются из клеток, называемых пропластидами, которые являются незрелыми, недифференцированными клетками, развивающимися в разные типы пластид. Пропластид, развивающийся в хлоропласт, осуществляет этот процесс только при свете. Хлоропласты содержат несколько различных структур, каждая из которых имеет специализированные функции. Основные структуры хлоропласта включают:

  • Мембрана – содержит внутренние и внешние липидные двухслойные оболочки, которые выступают в качестве защитных покрытий и сохраняют замкнутые структуры хлоропластов. Внутренняя мембрана отделяет строму от межмембранного пространства и регулирует прохождение молекул в/из хлоропласта.
  • Межмембранное пространство – пространство между внешней и внутренней мембранами.
  • Тилакоидная система – внутренняя система мембран, состоящая из сплющенных мешкообразных мембранных структур, называемых тилакоидами, которые служат местами преобразования энергии света в химическую энергию.
  • Тилакоид с просветом (люменом) – отсек в каждом тилакоиде.
  • Грана – плотные слоистые стопки тилакоидных мешков (10-20), которые служат местами преобразования энергии света в химическую энергию.
  • Строма – плотная жидкость внутри хлоропласта, содержащая внутри оболочки, но вне тилакоидной мембраны. Здесь происходит конверсия углекислого газа в углеводы (сахара).
  • Хлорофилл – зеленый фотосинтетический пигмент в хлоропласт-гране, поглощающий световую энергию.

Хлоропласт: фотосинтез

При фотосинтезе энергия солнечного света преобразуется в химическую энергию. Химическая энергия хранится в виде глюкозы (сахара). Двуокись углерода, вода и солнечный свет используются для производства глюкозы, кислорода и воды. Фотосинтез происходит в два этапа: световая фаза и темновая фаза.

Световая фаза фотосинтеза протекает только при наличии света и происходит внутри хлоропластовой граны. Первичным пигментом, используемым для преобразования световой энергии в химическую, является хлорофилл а. Другие пигменты, участвующие в поглощении света, включают хлорофилл b, ксантофилл и каротин. Во время световой фазы, солнечный свет преобразуется в химическую энергию в виде АТФ (молекулы, содержащей свободную энергию) и НАДФ (молекула, несущая электроны высокой энергии).

И АТФ, и НАДФ используются во время темновой фазы для получения сахара. Темновая фаза фотосинтеза, также известная как этап фиксации углерода или цикл Кальвина. Реакции на этой стадии возникают в строме. Строма содержит ферменты, которые облегчают серию реакций, использующих АТФ, НАДФ и углекислый газ для получения сахара. Сахар может храниться в виде крахмала, используемого во время дыхания или при производстве целлюлозы.

Гугломаг

Спрашивай! Не стесняйся!

Задать вопрос

Мне нравится1Не нравится1

Не все нашли? Используйте поиск по сайту ↓

Научная работа по биологии на тему «Сравнительная характеристика различных типов пластид.». 6 класс.

Сравнительная характеристика различных типов пластид.

Пластиды (греч. Plastido – создающие, образующие и plastos -вылепленный, оформленный) встречаются только у растений. У высших растений пластиды находятся во взрослых вегетативных клетках всех органов — в стебле, листе, корне и цветке. Пластиды — это сравнительно крупные органоиды, значительно крупнее митохондрий, а иногда даже и крупнее ядра, более плотные, чем окружающая их цитоплазма, хорошо видимые в световой микроскоп. Они имеют характерное строение и выполняют различные функции, связанные главным образом с синтезом органических веществ.

Во взрослой растительной клетке в зависимости от окраски, формы и функции различают три основных типа пластид: хлоропласты (пластиды зеленого цвета), хромопласты (пластиды желтого и оранжевого цвета) и лейкопласты (бесцветные пластиды), рис.1. Последние по своему размеру меньше пластид двух предыдущих типов. Совокупность всех пластид в клетке называют пластидоном.

рис.1 Типы пластид.

Таблица основных особенностей пластид.

Чечевицеобразная, дискообразная, линзовидная, шаровидная

Зубчатая, игловидная, пластинчатая

Округлая, яйцевидная или веретеновидная

4

Пегменты

Хлорофил, каротиноиды

Каротин, ксантофил

Отсутствуют

5

Расположение

Надземные органы растений

Лепестки, зрелые плоды, листья

Корни, клубни, семена, листья

6

Образуются

Из протопластид, хлоропластов и лейкопластов

Из хлоропластов и лейкопластов

Из протопластид

Наиболее изученными и имеющие наибольшее значение среди пластид — хлоропласты. Они содержат зеленый пигмент хлорофилл. Этот пигмент находится в растениях в нескольких формах. Благодаря хлоропластам, точнее благодаря содержащемуся в них хлорофиллу лик земли выглядит зеленым. Среди высших растений хлорофилла нет лишь у некоторых сапрофитов и паразитов, а также у растений при содержании их в полной темноте. Такие растения имеют обычно бледно-желтую окраску. Синтез хлорофилла происходит обычно только на свету, поэтому при содержании растений в темноте они остаются не зелеными и называются этиолированными. В хлоропластах содержатся также и другие пигменты, относящиеся к группе каротиноидов, в частности желтый — ксантофилл и оранжевый — каротин, но обычно они маскируются хлорофиллом, поскольку его значительно больше.

Исключительное значение хлоропластов в том, что в них происходит процесс фотосинтеза. Крахмал, образующийся при фотосинтезе, называется первичным, или ассимиляционным, он откладывается в хлоропластах в виде мелких крахмальных зерен. Для нормального протекания фотосинтеза необходимо присутствие хлорофилла. Хлорофилл — главное действующее начало в осуществлении фотосинтеза. Он поглощает энергию света и направляет ее на совершение фотосинтетических реакций.

В соответствии с их функциями хлоропласты находятся преимущественно в фотосинтезирующих органах и тканях, обращенных к свету — в листьях и молодых стеблях, незрелых плодах. Иногда хлоропласты встречаются даже в корнях, например, в придаточных корнях кукурузы. Но основное их количество сосредоточено в клетках мезофилла (мякоти) листа. В отличие от других органоидов, хлоропласты высших растений характеризуются однообразием и постоянством формы и размеров. Чаще всего они обладают дискообразной или линзовидной формой и когда лежат плашмя, имеют округлые или многоугольные очертания. В этом случае их часто называют также хлорофилловыми зернами. Размер хлоропластов довольно постоянен и даже у разных видов высших растений колеблется в незначительных пределах, составляя в среднем 3—7 мк (толщина 1—3 мк). Более крупные хлоропласты у высших растений встречаются редко. Например, у селагинелл (плауновидных) в клетках кожицы листьев встречаются один-два крупных хлоропласта пластинчатой формы. Величина и форма хлоропластов изменяются в зависимости от внешних условий. У растений тенелюбивых хлоропласты в общем крупнее, чем у светолюбивых, и, как правило, более богаты хлорофиллом. Обычно клетка несет большое количество хлоропластов, и число их сильно меняется; в среднем же в ней насчитывается от 20 до 50 хлоропластов. Особенно богаты хлоропластами листья, а также молодые незрелые плоды. Общее количество хлоропластов в растении может быть громадным; например, во взрослом дереве насчитываются десятки и сотни миллиардов хлоропластов. Число хлоропластов в клетке связано с их величиной. Так, у кукурузы в клетках листьев обычно содержится по нескольку хлоропластов, но у сортов с особенно крупными хлоропластами число их в клетке снижается до двух. У многих низших растений (водорослей) форма, число и размеры хлоропластов весьма разнообразны. Они могут иметь пластинчатую форму (Mougeotia), звездчатую (Zygnema) или быть в виде спиральных лент (Spirogyra) и ребристых цилиндров (Closterium). Такие хлоропласты обычно очень крупны, встречаются в клетке в небольшом количестве (от одного до нескольких) и называются хроматофорами. Но и у водорослей могут встречаться хлоропласты обычной линзовидной формы, и в этом случае число их в клетке обычно велико. В клетках высших растений хлоропласты расположены в постенном слое цитоплазмы. Положение их может меняться в зависимости от внешних условий.

Хлоропласты имеют двумембранную оболочку, которая ограничивает основное вещество пластиды — строму (греч. строма – ложе) от гиалоплазмы (рис.2). У хлоропластов, особенно высших растений, значительно развиты внутренние мембранные поверхности, имеющие форму плоских мешков — тилакоидов (греч. тилакоидес – мешковидный). Часть тилакоидов собраны наподобие стопки в группы, называемые гранами (греч. гранум – зерно). На тилакоидах гран располагаются молекулы хлорофилла, поэтому граны окрашены в зеленый цвет. В строме хлоропластов встречаются пластоглобулы – специфические включения жиров, в которых растворены незеленые пигменты – каратиноиды, есть также нити ДНК, иногда зерна первичного крахмала, белковые кристаллы и структуры. Структура хлоропластов высших растений прекрасно приспособлена к выполнению их главной функции — фотосинтеза. Уже само разделение хлорофиллоносного аппарата на мелкие пластиды означает громадное увеличение активной поверхности. За счет образования мембран и гран эта поверхность увеличивается еще более. Большая активная поверхность и тонкая пространственная ориентация обеспечивают легкий доступ энергии кванта света и возможность переноса этой энергии к химическим системам, участвующим в фотосинтезе. Принцип замкнутых камер — тилакоидов, благодаря пространственному разобщению позволяет одновременно и независимо осуществлять один и тот же комплекс реакций, составляющих фотосинтез. В рибосомах хлоропластов идет синтез белка.

Происхождение и развитие хлоропластов изучено еще очень мало и единой точки зрения по этому вопросу пока не существует. Известно, что в молодых, эмбриональных клетках дифференцированных хлоропластов нет. Вместо них имеются так называемые пропластиды. Это очень мелкие (доли микрона) тельца, находящиеся на грани разрешающей способности светового микроскопа. Первоначально они имеют амебовидную форму (несут лопасти), отграничены от цитоплазмы двойной мембраной и не содержат ни внутренних мембран, ни хлорофилла. Кроме возникновения из пропластид, хлоропласты могут размножаться путем простого деления. При этом из взрослого хлоропласта образуются две дочерние пластиды, часто неравных размеров. Электронномикроскопическая картина такого деления до сих пор не изучена. Структура хлоропласта не остается постоянной, она закономерно изменяется в процессе роста клетки. Изменение структуры хлоропластов с возрастом листьев заметно даже в световой микроскоп. Так, молодым листьям обычно соответствует тонкогранулярная структура, листьям среднего возраста — крупногранулярная структура. В стареющих листьях происходит нарушение структуры и деградация хлоропластов. Однако хлоропласты некоторых клеток могут обнаруживать и высокую стойкость. Так, у деревьев зеленый цвет коры обусловлен наличием слоя клеток с хлоропластами. Эти хлоропласты прекрасно переносят низкие температуры и переходят в активное состояние, обнаруживаемое по сильному позеленению коры, например, у осины, очень рано весной, когда ночью еще бывают сильные морозы. Низкие зимние температуры переносят также хлоропласты листьев (хвои) наших вечнозеленых хвойных деревьев. При этом, как показали электронномикроскопические исследования, они сохраняют свою сложную внутреннюю организацию.

Лейкопласты в отличие от хлоропластов бесцветные пластиды. В световом микроскопе их часто трудно обнаружить, так как они бесцветны и обладают тем же коэффициентом преломления, что и цитоплазма. Это очень нежные органоиды и при приготовлении срезов живого материала разрушаются даже более легко, чем хлоропласты. Они встречаются во взрослых клетках, скрытых от действия солнечного света: в корнях, корневищах, клубнях (картофель), семенах, сердцевине стеблей, а также в клетках, подвергающихся сильному освещению (клетки кожицы). Часто лейкопласты собираются вокруг ядра, окружая его иногда со всех сторон. Форма лейкопластов очень непостоянна, чаще всего это шаровидные, яйцевидные или веретеновидные образования. Лейкопласты — органоиды, связанные с образованием запасных питательных веществ — крахмала, белков и жиров. Деятельность лейкопластов специализирована: одни из них накапливают преимущественно крахмал (амилопласты), другие — белки (протеопласты, называемые также алейронопластами), третьи — масла (олеопласты).

Рис.3

Лейкопласты отличаются от хлоропластов отсутствием развитой ламеллярной системы (рис. 3). Встречаются они в клетках запасающих тканей. Из-за их неопределенной морфологии лейкопласты трудно отличить от пропластид, а иногда и от митохондрий. Они, как и пропластиды, бедны ламеллами, но тем не менее способны к образованию под влиянием света нормальных тилакоидных структур и к приобретению зеленой окраски. В темноте лейкопласты могут накапливать в проламеллярных телах различные запасные вещества, а в строме лейкопластов откладываются зерна вторичного крахмала. Если в хлоропластах откладывается так называемый транзиторный крахмал, который присутствует здесь лишь во время ассимиляции СО2 , то в лейкопластах может происходить истинное запасание крахмала.

Хромопласты – производные других двух пластид, в большинстве случаев хлоропластов, изредка лейкопластов. Это пластиды желтого или оранжевого и даже красного цвета. Они встречаются в клетках многих лепестков (одуванчик, лютик, калужница), зрелых плодов (томаты, шиповник, рябина, тыква, арбуз, апельсин), корнеплодов (морковь, кормовая свекла). Яркий цвет этих органов обусловлен желтыми и оранжевыми пигментами — каротиноидами, сосредоточенными в хромопластах. Эти пигменты характерны и для хлоропластов, но там они маскируются хлорофиллом. Они не растворимы в воде, но растворимы в жирах. В отличие от хлоропластов форма хромопластов очень изменчива и определяется их происхождением и состоянием в них пигментов, а также систематическим положением образующего их растения.

Рис.4. В отличие от хлоропластов и лейкопластов хромопласты редко возникают непосредственно из пропластид, а обычно представляют собой результат дегенерации хлоропластов. Исключение составляют хромопласты моркови, которые возникают не из хлоропластов, а из лейкопластов или непосредственно из пропластид. Части корнеплода, не погруженные в почву и развивающиеся на свету, обычно зеленеют. Это происходит не в результате превращения хромопластов в хлоропласты, а вследствие образования хлоропластов из пропластид или лейкопластов. Хромопласты вообще не могут превращаться в другие типы пластид. Чаще всего хромопласты образуются при разрушении хлоропластов, когда последние вступают в необратимую фазу развития. При этом в хлоропластах увеличивается содержание жиров и каротиноидов, которые собираются в строме пластиды в виде субмикроскопических глобул, ламеллярные структуры исчезают, а хлорофилл разрушается (рис. 4). Глобулы пигмента растут, а объем стромы уменьшается, в результате глобулы могут заполнить большую часть пластиды. Округлая форма «материнского» хлоропласта при этом сохраняется. Подобный процесс деградации хлоропластов происходит, вероятно, и при осеннем пожелтении листьев и при созревании плодов. Хлорофилл в желтеющих листьях разрушается и перестает маскировать каротиноиды, которые резко выступают и обусловливают желтую окраску листьев. В корнеплодах моркови хромопласты возникают из лейкопластов, вначале крахмалоносных, при этом в строме пластиды накапливаются каротиноиды, которые позже кристаллизуются. Крахмал исчезает по мере того, как растет концентрация каротина, пластидная масса уменьшается и ее становится трудно обнаружить. Выкристаллизовавшийся пигмент составляет преобладающую по объему часть хромопласта, поэтому форма хромопласта в конечном счете определяется формой кристаллизующегося пигмента и бывает обычно неправильной: зубчатой, серповидной, игольчатой или пластинчатой.

Клетка арбуза рис. 5.

На рисунке 5 изображена одна из клеток арбуза с малиновой мякотью при рассматривании в световой микроскоп. В клетке видна цитоплазма, состоящая из тонких нитей, растянутых в различных направлениях. В более массивных тяжах цитоплазмы расположены игольчатые кристаллы пигмента хромопластов. Наибольшее скопление кристаллов наблюдается около ядра. У другого сорта арбуза с мякотью карминного цвета пигмент хромопластов кристаллизуется не только в виде игольчатых кристаллов, но и коротких призмочек различного размера.

Значение хромопластов в обмене веществ выяснено очень мало. Как и лейкопласты, они лишены способности к фотосинтезу, так как не содержат хлорофилла. Косвенное значение хромопластов состоит в том, что они обусловливают яркую окраску цветков и плодов, привлекающую насекомых для перекрестного опыления и других животных — для распространения плодов.

Строение и функции эндоплазматической сети

Строение и функции эндоплазматической сети связаны с синтезом органических веществ (белков, жиров и углеводов) и их транспортом внутри клетки. Представляет собой мембранный органоид клетки, занимающий существенную ее часть и выглядящий как система трубочек, канальцев и т. п., ответвляющихся (берущих свое начало) от оболочки ядра, точнее от ее внешней мембраны.

Кроме термина «эндоплазматическая сеть» используется термин «эндоплазматический ретикулум». Это одно и то же, «reticulum» с английского переводится как «сеть». В литературе можно встретить следующие сокращенные обозначения данной клеточной структуры: ЭПС, ЭПР, ЭС, ЭР.

Если взять какой-либо участок эндоплазматической сети, то по своему строению он будет представлять ограниченное мембраной внутреннее пространство (полость, канал). При этом канал несколько уплощен, в разных участках ЭПС в разной степени. По своему химическому строению мембраны ЭПС близки к мембране оболочки ядра.

Различают гладкую и шероховатую эндоплазматическую сеть. Шероховатая отличается тем, что на ее мембранах с внешней стороны прикрепляются рибосомы, а ее каналы имеют большее уплощение.

Наличие рибосом говорит о главной функции шероховатой ЭПС: место, где идет синтез белка. Синтезируемый расположенными на ЭПС рибосомами белок сразу попадает в каналы сети, где приобретает свою третичную структуру, а также фосфорилируется (к нему присоединяются остатки фосфорной кислоты). Некоторые белки становятся гликопротеинами, присоединяя к себе углеводную часть. По каналам эндоплазматического ретикулума белки транспортируются к комплексу Гольджи, он уже отвечает за их вывод за пределы клетки.

Белки, синтезируемые рибосомами, расположенными на ЭПС, обычно секретируются клеткой во вне. Белки, синтезируемые свободными рибосомами, находящимися в цитоплазме, обычно используются самой клеткой на свои нужды.

Основная функция гладкой эндоплазматической сети — это синтез жиров (липидов). Поэтому у животных гладкая ЭПС хорошо развита в клетках эпителия кишечника, а также в клетках, секретирующих стероидные гормоны. Однако это не единственная функция гладкой ЭПС. Здесь также синтезируется ряд углеводов. Синтез жиров и углеводов происходит на мембранах ЭПС, где локализованы соответствующие ферменты.

В мышечных клетках присутствует саркоплазматический ретикулум, представляющий собой видоизмененную гладкую ЭПС. Он отвечает за изменение концентрации ионов кальция в цитоплазме. Благодаря этому происходят мышечные сокращения.

Обе ЭПС в клетках печени отвечают за детоксикацию вредных веществ.

Мембраны эндоплазматической сети делят клетку на отсеки, в каждом из которых функционируют свои ферментативные системы.

В процессе клеточного деления ЭПС принимает участие в построении оболочки новых ядер.

Таблица лизосомы митохондрии пластиды ядро. Строение и функции митохондрий, пластид и лизосом

Название Строение и особенности Ф-ии
1.ЭПС Соединенные между собой полости, трубочки и каналы. Выделают: А) гладкую;б)шероховатую имеет рибосомы Разделяет цитоплазму на изолированные пространства А)синтез липидов и углеродов Б)синтез белка
2.Аппарат Гольджи Это стобка из 5-ти 20-ти упращенных дисковидных полостей 1.накоплеение вещ-в 2.транспортировка вещ-в 3.трансформация вещ-в 4.образование лизосом
3.лизосомы Пузырки содержащие ферменты Переваривают вещ-ва части клеток, сами клетки
4.митахондрии Имеют наружную мембрану-гладкую, а внутренняя образует складки(кресты).Имеют собственную ДНК, способны к делению Синтез АТФ
5.Пластиды А)хлоропласты Имеют собственную ДНК наружная мембрана-гладкая. Внутренняя мембрана-образует плоские пузырьки (тилокоиды),которые собраны в стобки(краны).Содержат пигмент хлорофилл.Могут превращаться в хромопласты. фотосинтез
Б)Хромопласты Содержат каратиноиды(цветные пигменты) Придают окраску и плодам
В)Лейкопласты Бесцветные, могут превращаться в хлоропласты Накопление питательных вещ-в
6.Рибосомы Самые мелкие структуры в клетке, состоят из белка и РНК Синтез белка
Клеточный цикл Находятся в близи ядра, состоит из двух центриолей, перпендикулярных друг к другу Принимает участие в деление клетки
Органоиды движения Реснички, жгутики Осуществляют различные виды движения

Виды мутаций: генные, геномные, хромосомные.

Мутации – это изменения в ДНК клетки. Возникают под действием ультрафиолета, радиации (рентгеновских лучей) и т.п. Передаются по наследству, служат материалом для естественного отбора. отличия от модификаций

Генные мутации – изменение строения одного гена. Это изменение в последовательности нуклеотидов: выпадение, вставка, замена и т.п. Например, замена А на Т. Причины – нарушения при удвоении (репликации) ДНК. Примеры: серповидноклеточная анемия, фенилкетонурия.

Хромосомные мутации – изменение строения хромосом: выпадение участка, удвоение участка, поворот участка на 180 градусов, перенос участка на другую (негомологичную) хромосому и т.п. Причины – нарушения при кроссинговере. Пример: синдром кошачьего крика.

Геномные мутации – изменение количества хромосом. Причины – нарушения при расхождении хромосом.

Полиплоидия – кратные изменения (в несколько раз, например, 12 → 24). У животных не встречается, у растений приводит к увеличению размера.

Анеуплоидия – изменения на одну-две хромосомы. Например, одна лишняя двадцать первая хромосома приводит к синдрому Дауна (при этом общее количество хромосом – 47).

Строение и функции клеточного ядра. Хроматин. Хромосомы. Кариотип и его видовая специфичность. Соматические и половые клетки. Диплоидный и гаплоидный набор хромосом. Гомологичные и негомологичные хромосомы.

Ядро есть в любой эукариотической клетке. Ядро может быть одно, или в клетке могут быть несколько ядер (в зависимости от ее активности и функции).

Клеточное ядро состоит из оболочки, ядерного сока, ядрышка и хроматина. Ядерная оболочка состоит из двух мембран, разделенных перинуклеарным (околоядерным) пространством, между которыми находится жидкость. Основные функции ядерной оболочки: обособление генетического материала (хромосом) от цитоплазмы, а также регуляция двусторонних взаимоотношений между ядром и цитоплазмой.

Ядерная оболочка пронизана порами, которые имеют диаметр около 90 нм. Область поры (поровый комплекс) имеет сложное строение (это указывает на сложность механизма регуляции взаимоотношений между ядром и цитоплазмой). Количество пор зависит от функциональной активности клетки: чем она выше, тем больше пор (в незрелых клетках пор больше).

Основа ядерного сока (матрикса, нуклеоплазмы) – это белки. Сок образует внутреннюю среду ядра, играет важную роль в работе генетического материала клеток. Белки: нитчатые или фибриллярные (опорная функция), гетероядерные РНК (продукты первичной транскрипции генетической информации) и мРНК (результат процессинга).

Ядрышко – это структура, где происходят образование и созревание рибосомальных РНК (р-РНК). Гены р-РНК занимают определенные участки нескольких хромосом (у человека это 13–15 и 21–22 пары), где формируются ядрышковые организаторы, в области которых и образуются сами ядрышки. В метафазных хромосомах эти участки называются вторичными перетяжками и имеют вид сужений. Электронная микроскопия выявила нитчатый и зернистый компоненты ядрышек. Нитчатый (фибриллярный) – это комплекс белков и гигантских молекул-предшественниц р-РНК, которые дают в последующем более мелкие молекулы зрелых р-РНК. При созревании фибриллы превращаются в рибонуклеопротеиновые гранулы (зернистый компонент).

Хроматин получил свое название за способность хорошо прокрашиваться основными красителями; в виде глыбок он рассеян в нуклеоплазме ядра и является интерфазной формой существования хромосом.

Хроматин состоит в основном из нитей ДНК (40 % массы хромосомы) и белков (около 60 %), которые вместе образуют нуклеопротеидный комплекс. Выделяют гистоновые (пять классов) и негистоновые белки.

Хроматин -это несперелизованные молекулы ДНК, связанные с белком.О таком виде ДНК можно увидеть в неделящихся клетках.При этом возможно удвоение ДНК(репликация) и реализация наследственной информации.

Хромосомы -это спирализованные молекулы ДНК связанные с белкоми.ДНК сперализуется перед делением клетки для более точного распределения генетического материала.

Половые клетки -гаплоидные клетки, обеспечивающие сохранение и передачу генетической информации для будущего потомства.

Половые клетки всегда содержатся вдвое меньше хромосом чем в соматической.

Во всех соматических клетках любого живого организма число хромосом одинаково.

Кариотип — совокупность кол-ых и качественных признаков хромосом кого набора соматической клеток.

Диплоидный набор хромосом (двойной) в котором каждая хромосома имеет себе пару. Обозначается 2n.

Гаплоидный набор хромосом –хромосомный набор половых клеток.

Митохондрии (см. Рис. 1) имеются во всех эукариотических клетках. Они участвуют в процессах клеточного дыхания и запасают энергию в виде макроэргических связей молекулы АТФ, то есть в доступной форме для большинства процессов, связанных с затратой энергии в клетке.

Впервые митохондрии в виде гранул в мышечных клетках наблюдал в 1850 г. Р. Кёлликер (швейцарский эмбриолог и гистолог). Позднее, в 1898 г., Л. Михаэлис (германский биохимик и химик-органик) показал, что они играют важную роль в дыхании.

Рис. 1. Митохондрии

Число митохондрий в клетках не постоянно, оно зависит от вида организма и типа клетки. В клетках, потребность которых в энергии велика, содержится много митохондрий (в одной печеночной клетке их может быть около 1000), в менее активных клетках митохондрий гораздо меньше. Чрезвычайно сильно варьируются также размеры и формы митохондрий. Они могут быть спиральными, округлыми, вытянутыми и разветвленными. Их длина колеблется от 1,5 мкм до 10 мкм, а ширина — от 0,25 до 1 мкм. В более активных клетках митохондрии крупнее.

Митохондрии способны изменять свою форму, а некоторые могут перемещаться в более активные участки клетки. Такое перемещение способствует накоплению митохондрий в тех местах клетки, где выше потребность в АТФ.

Каждая митохондрия окружена оболочкой, состоящей из двух мембран (см. Рис. 2). Наружную мембрану отделяет от внутренней небольшое расстояние (6-10 нм) — межмембранное пространство. Внутренняя мембрана образует многочисленные гребневидные складки — кристы. Кристы существенно увеличивают поверхность внутренней мембраны. На кристах происходят процессы клеточного дыхания, необходимые для синтеза АТФ. Митохондрии являются полуавтономными органеллами, содержащими компоненты, которые необходимы для синтеза собственных белков. Внутренняя мембрана окружает жидкий матрикс, в котором находятся белки, ферменты, РНК, кольцевые молекулы ДНК, рибосомы.

Рис. 2. Структура митохондрии

Митохондриальные заболевания — это группа наследственных заболеваний, связанных с дефектами функционирования митохондрий, а, следовательно, с нарушениями энергетических функций в клетках эукариот, в частности человека.

Митохондриальные заболевания передаются детям обоих полов по женской линии, поскольку зиготе от сперматозоида передается одна половина ядерного генома, а от яйцеклетки — вторая половина ядерного генома и митохондрии.

Эффекты таких заболеваний очень разнообразны. Из-за различного распределения дефектных митохондрий в разных органах у одного человека это может привести к заболеванию печени, у другого — к заболеванию мозга, причем болезнь может нарастать с течением времени. Небольшое количество дефектных митохондрий в организме может привести лишь к неспособности человека выдерживать физическую нагрузку, соответствующую его возрасту.

В общем случае митохондриальные заболевания проявляются серьезнее при локализации дефектных митохондрий в мозге, мышцах, клетках печени, так как эти органы требуют большого количества энергии для выполнения своих функций.

В настоящее время лечение митохондриальных заболеваний находится в стадии разработки, но распространенным терапевтическим методом служит симптоматическая профилактика с помощью витаминов.

Пластиды характерны исключительно для растительных клеток. Каждая пластида состоит из оболочки, состоящей из двух мембран. Внутри пластиды можно наблюдать сложную систему мембран и более или менее гомогенное вещество — строму. Пластиды являются полуавтомными органеллами, так как содержат белоксинтезирующий аппарат и могут частично обеспечить себя белком.

Пластиды обычно классифицируют на основании содержащихся в них пигментов. Различают три типа пластид.

1. Хлоропласты (см. Рис. 3) — это пластиды, в которых протекает фотосинтез. Они содержат хлорофилл и каротиноиды. Обычно хлоропласты имеют форму диска диаметром 4-5 мкм. В одной клетке мезофилла (середина листа) может находиться 40-50 хлоропластов, а в квадратном миллиметре листа — около 500 000.

Рис. 3. Хлоропласты

Внутренняя структура хлоропласта сложная (см. Рис. 4). Строма пронизана развитой системой мембран, имеющих форму пузырьков — тилакоидов. Тилакоиды образуют единую систему. Как правило, они собраны в стопки — граны, напоминающие столбики монет. Тилакоиды отдельных гран связаны между собой тилакоидами стромы, или ламеллами. Хлорофиллы и каротиноиды встроены в тилакоидные мембраны. В строме хлоропластов находятся кольцевые молекулы ДНК, РНК, рибосомы, белки, липидные капли. Там же происходят первичные отложения запасного полисахарида — крахмала, в виде крахмальных зерен.

Рис. 4. Структура хлоропласта

Крахмальные зерна — это временные хранилища продуктов фотосинтеза. Они могут исчезнуть из хлоропластов, если поместить растение на 24 часа в темноту. Появятся они снова через 2-3 часа, если вынести растение на свет.

Как известно, фотосинтез делится на две фазы: световую и темновую (см. Рис. 5). Световая фаза происходит на тилакоидах мембраны, а темновая — в строме хлоропласта.

Рис. 5. Фотосинтез

2. Хромопласты — пигментированные пластиды (см. Рис. 6). Они не содержат хлорофилл, но содержат каротиноиды, которые окрашивают плоды, цветки, некоторые корни и старые листья в красные, желтые и оранжевые цвета.

Хромопласты могут образовываться из хлоропластов, которые при этом теряют хлорофилл и внутренние мембранные структуры и начинают синтезировать каротиноиды. Такое происходит при созревании плодов.

Рис. 6. Хромопласты

3. Лейкопласты — непигментированные пластиды (см. Рис. 7). Некоторые из них могут накапливать крахмал, например амилопласты, другие могут синтезировать и накапливать белки или липиды.

На свету лейкопласты могут превращаться в хлоропласты. Так, например, происходит с клубнем картофеля, который содержит много лейкопластов, накапливающих крахмал. Если вынести клубень картофеля на свет, он позеленеет.

Рис. 7. Лейкопласт

Каротиноиды — это широко распространенная и многочисленная группа пигментов. К ним относятся вещества, которые окрашивают в желтый, оранжевый и красный цвета. Каротиноиды содержатся в цветках растений, в некоторых корнях, в созревающих плодах.

Каротиноиды синтезируются не только высшими растениями, но и водорослями, некоторыми бактериями, мицелиальными грибами и дрожжами.

Присутствуют каротиноиды в организмах некоторых членистоногих, рыб, птиц и млекопитающих, но они не синтезируются внутри организма, а поступают вместе с пищей. Например, розовая окраска фламинго обусловлена поеданием маленьких красных рачков, в которых содержатся каротиноиды.

В течение многих лет каротиноиды используются в практической деятельности человека. Они применяются в сельском хозяйстве, пищевой промышленности и в медицине. При добавлении бета-каротина в пищевой продукт он не только насыщает продукт определенным цветом (желтым), но и витаминизирует его (насыщает витамином А). В медицине каротин используется для лечения авитаминоза по витамину А.

По поводу происхождения эукариотических клеток большинство исследователей придерживается гипотезы симбиогинеза.

Идея о том, что эукариотическая клетка (клетка животных и растений) представляет собой симбиотический комплекс, была предложена Мережковским (русский ботаник, зоолог, философ, писатель), подтверждена Фаминцыным (русский ботаник), а гипотеза в ее современном виде представлена Линн Маргулис (американский биолог). Концепция состоит в том, что органеллы (например, митохондрии и пластиды), которые отличают эукариотическую клетку от прокариотической, изначально были свободноживущими бактериями и захвачены крупной клеткой прокариот, которая их не съела, а превратила в симбионтов. Далее к поверхности клетки-хозяина прикрепилась другая группа симбионтов — жгутикоподобных бактерий, которые резко увеличили подвижность хозяина, а соответственно, шансы на выживание.

Несмотря на то что эта гипотеза выглядит достаточно фантастичной, тем не менее в современном мире есть подтверждение того, что она имеет право на существование: у некоторых инфузорий в качестве симбионтов выступают хлореллы (одноклеточные водоросли), причем инфузории переваривают любую другую одноклеточную водоросль, которая попала в ее организм, кроме хлореллы.

Сходство митохондрий и хлоропластов со свободными прокариотическими клетками (со свободными бактериями)

1. У митохондрий и хлоропластов имеются кольцевые молекулы ДНК, что свойственно бактериальной клетке.

2. Митохондрии и хлоропласты имеют мелкие рибосомы, такие же как в прокариотической клетке.

3. Обладают белоксинтезирующим аппаратом.

Многие клетки способны к движению, причем механизмы двигательных реакций могут быть различными.

Различают такие типы движения: амебоидные движения (амеба и лейкоциты), ресничные движения (инфузория туфелька), жгутиковые движения (сперматозоиды), мышечные движения.

Жгутик всех эукариотических клеток имеет длину около 100 мкм. На поперечном срезе (см. Рис. 8) можно увидеть, что по периферии жгутика расположены 9 пар микротрубочек, а в центре — 2 микротрубочки.

Рис. 8. Поперечный срез жгутика

Все пары микротрубочек связаны между собой. Белок, осуществляющий это связывание, меняет свою конформацию за счет энергии, выделяющейся при гидролизе АТФ. Это приводит к тому, что пары микротрубочек начинают двигаться друг относительно друга, жгутик изгибается и клетка начинает движение.

Таков же механизм движения ресничек, длина которых составляет всего 10-15 мкм. Количество ресничек, в отличие от жгутиков, количество которых на поверхности клетки ограничено, может быть очень большим. Например, на поверхности одноклеточной инфузории-туфельки насчитывается до 15 000 ресничек, с помощью которых она может передвигаться со скоростью 3 мм/с.

Список литературы

  1. Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.
  2. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П.В. Ижевский, О.А. Корнилова, Т.Е. Лощилина и др. — 2-е изд., переработанное. — Вентана-Граф, 2010. — 224 стр.
  3. Беляев Д.К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. — 11-е изд., стереотип. — М.: Просвещение, 2012. — 304 с.
  4. Агафонова И.Б., Захарова Е.Т., Сивоглазов В.И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. — 6-е изд., доп. — Дрофа, 2010. — 384 с.
  1. Biouroki.ru ().
  2. Youtube.com ().
  3. Humbio.ru ().
  4. Beaplanet.ru ().
  5. School.xvatit.com ().

Домашнее задание

  1. Вопросы в конце параграфа 17 (стр. 71) — Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. «Общая биология», 10-11 класс ()
  2. От чего зависит количество митохондрий в клетке?
  3. Докажите, что предки митохондрий когда-то были свободноживущими существами, напоминающими бактерии.

Вопрос 1. Где формируется лизосома?

Лизосомы — мембранные структуры, содержащие множество активных фер-ментов, участвующих в расщеплении вы-сокомолекулярных соединений: белков, липидов, углеводов. Лизосомы образуют-ся в комплексе Гольджи, куда поступают и где накапливаются ферменты.

Вопрос 2. Какова функция митохондрий?

Митохондрии — клеточные структуры, покрытые двойной мембраной. На внут-ренней мембране, имеющей многочислен-ные выросты, расположено огромное коли-чество ферментов, принимающих участие в синтезе АТФ. Следовательно, главная функция митохондрий — обеспечение клетки энергией за счет синтеза АТФ.

Вопрос 3. Какие виды пластид вы знаете?

Различают три вида пластид — лейко-пласты, хромопласты и хлоропласты.

Лейкопласты — бесцветные пласти-ды, которые располагаются в органах растений, недоступных для солнечного света (например, в корневищах, клуб-нях). На свету в них образуется хлоро-филл.

Хромопласты — пластиды, содержа-щие желтый, оранжевый, красный и фи-олетовый пигменты. Они расположены в основном в плодах и лепестках цветков, что придает этим органам растений соответствующую яркую окраску.

Хлоропласты — зеленые пластиды, содержащие хлорофилл и участвующие и фотосинтезе.

Вопрос 4. Чем отличается каждый вид плас-тид от другого?

Пластиды разных видов отличаются друг от друга наличием или отсутствием тех или иных пигментов. В лейкопластах пигменты отсутствуют, в хлоропластах содержится зеленый пигмент, а в хромо-пластах — красный, оранжевый, желтый и фиолетовый пигменты.

Вопрос 5. Почему граны в хлоропласте распо-ложены в шахматном порядке?

Граны в хлоропластах расположены в шахматном порядке для того, чтобы не за-гораживать друг друга от солнечных лу-чей. Солнечный свет должен хорошо осве-щать каждую грану, тогда фотосинтез бу-дет протекать более интенсивно.

Вопрос 6. Что будет, если лизосома в одной из клеток внезапно разрушится?

При внезапном разрыве мембраны, ок-ружающей лизосому, содержащиеся в ней ферменты попадают в цитоплазму и по-степенно разрушают всю клетку.

Вопрос 7. В чем сходство митохондрий и пластид? Материал с сайта

Во-первых, сходство митохондрий и пластид заключается в том, что они име-ют двухмембранное строение.

Во-вторых, эти органоиды содержат собственные молекулы ДНК, поэтому спо-собны самостоятельно размножаться, не-зависимо от деления клетки.

В-третьих, можно отметить, что и в тех и в других синтезируется АТФ (в мито-хондриях — при расщеплении белков, ли-пидов и углеводов, а в хлоропластах — за счет превращения солнечной энергии в химическую).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском

На этой странице материал по темам:

  • доклад лизосомы
  • МИТОХОНДРИИ.ПЛАСТИДЫ КРАТКИЙ КОНСПЕКТ
  • какие виды пластиды

Лизосомы. Митохондрии. Пластиды

1. Каково строение и функции АТФ ?
2. Какие виды пластид вам известны?

Когда в клетку путем фагоцитоза или пиноцитоза попадают различные питательные вещества, их необходимо переварить. При этом белки должны разрушиться до отдельных аминокислот, полисахариды — до молекул глюкозы или фруктозы, липиды — до глицерина и жирных кислот. Чтобы внутриклеточное переваривание стало возможным, фагоцитарный или пиноцитарный пузырек должен слиться с лизосомой (рис. 25). Лизосома — маленький пузырек, диаметром всего 0,5-1,0 мкм, содержащий в себе большой набор ферментов, способных разрушать пищевые вещества. В одной лизосоме могут находиться 30-50 различных ферментов.


Содержание урока конспект уроку и опорный каркас презентация урока акселеративные методы и интерактивные технологии закрытые упражнения (только для использования учителями) оценивание Практика задачи и упражнения,самопроверка практикумы, лабораторные, кейсы уровень сложности задач: обычный, высокий, олимпиадный домашнее задание Иллюстрации иллюстрации: видеоклипы, аудио, фотографии, графики, таблицы, комикси, мультимедиа рефераты фишки для любознательных шпаргалки юмор, притчи, приколы, присказки, кроссворды, цитаты Дополнения внешнее независимое тестирование (ВНТ) учебники основные и дополнительные тематические праздники, слоганы статьи национальные особенности словарь терминов прочие Только для учителей

Тема: Лизосомы. Митохондрии. Пластиды

Цель: познакомить учащихся со стро­ением и функциями лизосом, митохондрий и пластид.

Ход урока

I . Оргмомент урока

II . Повторение и закрепление материала

1. Строение и функции эндоплазматической сети. Строение и функции комплекса Голъджи.

(Ответы учащихся у доски.)

2.

    Почему в эритроцитах аппарат Гольджи отсутст­вует?

    Какую функцию выполняют рибосомы? Почему большинство рибосом расположены на каналах эндоплазматической сети?

    Какое строение имеют АТФ? Почему АТФ назы­вают универсальным источником энергии для всех реакций, протекающих в клетке?

3. «Немой» биологический диктант

(Учитель указкой показывает по табл. органоиды клетки, а ученики записывают в тетрадях названия органоидов)

1 — ядро, 2 – ядрышко, 3 – ЭПС, 4 – ЭПС шероховатая, 5 – клеточная мембрана, 6 –цитоплазма, 7 – рибосома

III . Изучение нового материала

    Строение и функции лизосом.

Ребята, давайте вспомним, какими способами различные вещества могут проникать внутрь клетки? (пиноцитоз и фагоцитоз)

Чем пиноцитоз отличается от фагоцитоза?

Когда в клетку путем фагоцитоза или пиноцитоза попадают различные питательные вещества, их необхо­димо переварить. При этом белки должны разрушиться до отдельных аминокислот, полисахариды — до молекул глю­козы или фруктозы, липиды — до глицерина и жирных кислот. Чтобы внутриклеточное переваривание стало воз­можным, фагоцитарный или пиноцитарный пузырек дол­жен слиться с лизосомой.

(демонстрация схемы переваривания клеткой пищевой частицы при помощи лизосомы)

Лизосома — маленький пузырек, диаметром всего 0,5-1,0 мкм, содержащий в себе большой набор ферментов, способных разрушать пищевые вещества. В одной лизосоме могут находиться 30-50 раз­личных ферментов. Лизосомы окружены мембраной, спо­собной выдержать воздействие этих ферментов. Формиру­ются лизосомы в комплексе Гольджи. Именно в этой струк­туре накапливаются синтезированные пищеварительные ферменты, а затем от цистерн комплекса Гольджи отходят в цитоплазму мельчайшие пузырьки — лизосомы. Иногда лизосомы разрушают и саму клетку, в которой образова­лись. Так, например, лизосомы постепенно переварива­ют все клетки хвоста головастика при его превращении в лягушку. Таким образом, питательные вещества не теря­ются, а расходуются на формирование новых органов у ля­гушки.

2. Строение и функции митохондрий.

В цитоплазме расположены также мито­хондрии — энергетические органоиды клеток

(демонстрация схемы строения митохондрии)

Фор­ма митохондрий различна — они могут быть овальными, округлыми, палочковидными. Диаметр их около 1 мкм, а длина — до 7 — 10 мкм. Митохондрии покрыты двумя мембранами: наружная мембрана гладкая, а внутренняя имеет многочисленные складки и выступы — кристы. В мембрану крист встроены ферменты, синтезирующие за счет энергии питательных веществ, поглощенных клеткой, молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ — это универ­сальный источник энергии для всех процессов, происходя­щих в клетке. Количество митохондрий в клетках различных живых существ и тканей неодинаково. Например, в сперматозоидах может быть всего одна митохондрия. Зато в клетках тканей, где велики энергетические затраты, этих орга­ноидов бывает до нескольких тысяч. Например, их очень много в клетках летательных мышц у птиц, в клетках пе­чени. Количество митохондрий в клетке зависит и от ее возраста: в молодых клетках митохондрий гораздо больше, чем в стареющих. Эти структуры содержат собствен­ную ДНК и могут самостоятельно размножаться. Так, например, перед делением клетки число митохондрий в ней возрастает таким образом, чтобы их хватило на две клетки.

Строение и функции пластид

Ребята, как вы думаете, почему листья деревьев имеют разную окраску (зеленую, желтую, красную, фиолетовую)?

(листья деревьев содержат различные пигменты)

Пластиды — это органоиды растительных клеток. В за­висимости от окраски пластиды делят на лейкопласты, хлоропласты и хромопласты. Так же как митохондрии, они имеют двухмембранное строение (демонстрация схемы строения хлоропласта)

Лейкопласты бесцветны и находятся обычно в неосвещаемых частях растений, например в клубнях картофеля. В них происходит накопление крахмала. На свету в лейко­пластах образуется зеленый пигмент хлорофилл, поэтому клубни картофеля зеленеют. Основная функция зеленых пластид — хлоропластов — фотосинтез, т. е. превращение энергии солнечного света в энергию макроэргических связей АТФ и синтез за счет этой энергии углеводов из углекислого газа воздуха. Боль­ше всего хлоропластов в клетках листьев. Размер хлороплас­тов 5-10 мкм. По форме они могут напоминать линзу или мяч для игры в регби. Под наружной гладкой мембраной на­ходится складчатая внутренняя мембрана. Между складка­ми мембран находятся стопки связанных с ней пузырьков. Каждая отдельная стопка таких пузырьков называется гра­ней. В одном хлоропласте может быть до 50 гран, которые расположены в шахматном порядке, чтобы до каждой из них мог доходить свет солнца. В мембранах пузырьков, образую­щих граны, находится хлорофилл, необходимый для пре­вращения энергии света в химическую энергию АТФ. Во внутреннем пространстве хлоропластов между гранами про­исходит синтез углеводов, на который и расходуется энер­гия АТФ. Обычно в одной клетке листа растения находится от 20 до 100 хлоропластов.

В хромопластах содержатся пигменты красного, оран­жевого, фиолетового, желтого цветов. Этих пластид осо­бенно много в клетках лепестков цветков и оболочек пло­дов.

Как и митохондрии, пластиды содержат собственные мо­лекулы ДНК. Поэтому они также способны самостоятельно размножаться, независимо от деления клетки.

Лейкопласты хлоропласты хромопласты

IV . Закрепление материала

1. Фронтальная беседа по вопросам:

    Какую функцию в клетке выполняют лизосомы?

    Что может произойти, если лизосома в одной из клеток внезапно разрушится?

    Какова функция митохондрий?

    Какие виды пластид вы знаете?

    Какова основная функция хлоропластов?

    В чем сходство митохондрий и пластид?

2. Работая с текстом учебника, продолжить заполнение таблицы «Строение и функции органоидов клетки».

Особенности строения

Выполняемые функции

Лизосомы

Небольшой пузырек, ок­руженный мембраной

Пищеваритель­ная

Митохонд­рии

Форма различная. Покрыты наружной и внут­ренней мембранами. Внутренняя мембрана имеет многочисленные складки и выступы — кристы

Синтезирует мо­лекулы АТФ. Обеспечивает клетку энергией при распаде АТФ

Пластиды:

лейкопласты

хлоропласты хромопласты

Тельца, окруженные двойной мембраной

Бесцветные

Красные, оранжевые, желтые

Накапливают крахмал

Фотосинтез

Накапливают каратиноиды

V . Задание на дом

Изучить § 2.5 «Лизосомы. Митохондрии. Пласти­ды», ответить на вопросы в конце параграфа.

Итоги урока (выставление оценок)

границ | Разнообразие типов пластидов и их взаимопревращения

Введение

Пластиды впервые появились во время эндосимбиотического события между фотосинтетическими прокариотами и эукариотическими предками водорослей. Во время последующей совместной эволюции захваченных пластидных и эукариотических клеток произошли резкие изменения в функциях пластид, включая развитие регуляторных сетей (Keeling, 2013; Ševćíková et al., 2015). Хотя пластиды являются обычными субклеточными органеллами у растений, предыдущие исследования были склонны к фотосинтетическим пластидам, называемым хлоропластами, или пластидам, обогащенным каротиноидами, называемым хромопластами (Cruz et al., 2018; Пинар и Мизрахи, 2018). Более того, недавние исследования регуляторных путей пластид в основном были сосредоточены на переключении света и гормональном лечении (López-Juez, 2007; Larkin and Ruckle, 2008; Larkin, 2014; Al-Babili and Bouwmeester, 2015; Liu et al., 2017). ).

В этом обзоре кратко описаны отличительные особенности каждого типа пластид, чтобы помочь понять общие свойства пластид. Интересно то, что новые пластиды не могут быть сгенерированы или рождены, а дублируются или переносятся из других пластид.Это указывает на важность взаимного превращения пластид, и поэтому этот вопрос рассматривается в данном обзоре. Однако, поскольку взаимопревращения пластид являются тканевыми и видоспецифичными событиями, репрезентативные исследования были тщательно отобраны и обобщены.

Хотя существует много случаев взаимопревращений пластид, молекулярные механизмы в сигнальных сетях хлоропластов и хромопластов были в центре внимания этого обзора. Во время развития хлоропластов световые волны различной длины синергетически запускают регуляторы транскрипции, высвобождая посттрансляционное ингибирование комплексов лигазы E3.Это приводит к увеличению количества регуляторов транскрипции, которые индуцируют фотоморфогенные ферменты и развитие хлоропластов. Хромопласты дифференцируются путем индукции генов биосинтеза каротиноидов через индукцию регуляторов транскрипции. В этом обзоре описаны молекулярные сети хлоропластов и хромопластов с недавно открытыми регуляторами как на транскрипционном, так и на посттрансляционном уровнях. Вместе с общими примерами взаимопревращения пластид, обзор специфичных для генов молекулярных сетей и участвующих в них генов будет решительно поддерживать работу по генетическому улучшению множества признаков, связанных с взаимопревращением пластид.

Типы и роли пластид

Пластиды можно разделить на несколько типов в зависимости от цвета, морфологии и ультраструктуры (Whatley, 1978; Møller, 2006; Wise, 2007). Характеристики каждого типа пластид тесно связаны с их конкретными ролями (рис. 1). Недифференцированные пластиды, называемые «пропластидами», в основном обнаруживаются в меристематических и репродуктивных тканях и идентифицируются как небольшие и имеющие четкую ультраструктуру. Их можно разделить на «лейкопласты» белого цвета, «хлоропласты» зеленого цвета и «хромопласты» желтого, оранжевого или красного цвета.Промежуточные формы хлоропластов называются «этиопластами», а стареющие формы хлоропластов — «геронтопластами». Лейкопласты классифицируются по их отсутствию цвета, но могут быть дополнительно разделены в соответствии с их биохимическими характеристиками на основе их содержимого, например, обогащенные крахмалом «амилопласты», обогащенные белком «протеинопласты» и обогащенные липидами «элайопласты» (Lopez-Juez and Pyke , 2004; Jarvis, López-Juez, 2013).

Рисунок 1. Пути перехода между различными пластидами.Характеристики и пути взаимопревращения пластид в пластидах были классифицированы в соответствии с цветом и номером стрелки. Переход к хлоропласту называется «озеленением» и обозначается цифрой «1». Это в основном вызывается световыми сигналами от пропластидов, этиопластов, лейкопластов и хромопластов. Этиопласты могут развиваться из пропластидов в темноте, что обозначается цифрой «2». Цифра «3» указывает на развитие лейкопластов, которое запускается различными процессами развития с образованием обогащенных крахмалом, липидами и белками подтипов, называемых амилопластами, элайопластами и протеинопластами, соответственно.В основном на стадии созревания в пластидах образовывались различные типы кристаллов каротиноидов, которые называются хромопластами из пропластидов, лейкопластов и хлоропластов, и это обозначено цифрой «4». Вместе с развитием этиопласта и лейкопласта (2,3), развитие хромопласта (4) было идентифицировано как «незеленеющий» пластидный переход. Утрата зеленого цвета хлоропластами называется «обесцвечиванием» и обозначается цифрой «5», и эти хлоропласты затем переходят в лейкопласт или геронтопласт в результате регуляции развития или во время старения, соответственно.

Пропластиды

Пропластиды — это недифференцированные пластиды, которые поддерживают минимальную пластидную структуру. Таким образом, передача их органелл может происходить между поколениями. Они бесцветны и крошечные по размеру по сравнению с другими типами пластид без существенных морфологических характеристик (Jarvis, López-Juez, 2013; Liebers et al., 2017). В основном они обнаруживаются в меристематических и яйцеклетках растений, а иногда и во время образования пыльцы у определенных видов, таких как Pelagonium и ячмень ( Hordeum vulgare ) (Hagemann, 2004; Sakamoto et al., 2008; Gajecka et al., 2020). Также сообщалось, что пропластиды клубеньков в тканях корня играют жизненно важную роль в биохимии фиксации азота в семействе бобовых (Boland and Schubert, 1983; Ferguson, 1998; Greco et al., 2012).

Хлоропласты

Хлоропласты являются одним из наиболее хорошо изученных типов пластид и обнаруживаются у всех фотосинтезирующих организмов (Waters, Langdale, 2009; Rottet et al., 2015). Они могут превращать световую энергию в химическую энергию через фотосинтетические белковые комплексы.В хлоропластах множественные стопки дискообразных одиночных липидных слоев, называемых тилакоидами, образуют граны, которые создают большие поверхностные слои липидов, которые закрепляют фотосинтетические белковые комплексы. Края дискообразных тилакоидов также образуют уникальные гидрофобные карманные структуры, называемые пластоглобулами, которые помогают увеличивать внутреннюю площадь липидного бислоя (Rottet et al., 2015). Пластоглобулы идентифицированы как участки распада каротиноидов для производства апокаротиноидов (Rottet et al., 2016) и для накопления неэндогенных каротиноидов (Mortimer et al., 2017).

Зеленый цвет хлоропластов обусловлен хлорофиллом, который является основным компонентом фотосинтеза, но хлоропласты также содержат множество гидрофобных терпенов, таких как лютеин, β-каротин, виолаксантин и неоксантин, которые также помогают поддерживать фотосинтез (Ruiz -Сола и Родригес-Консепсьон, 2012). Каротиноид в хлоропласте не только преобразует УФ-синий диапазон света в электроэнергию для фотосинтеза (Dall’Osto et al., 2014), но и играет важную роль в фотозащите, модулируя безызлучательное рассеяние избыточной энергии возбуждения ( Нийоги, 2000; Далл’Осто и др., 2005). В частности, гидроксилированные каротиноиды, называемые ксантофиллами, поддерживают фотозащиту, опосредуя прямое тушение триплетов хлорофилла (Chl) ( 3 Chl * ) или поглощая активные формы кислорода (ROS), образующиеся во время фотосинтеза (Niyogi et al., 1997; Havaux, Niyogi, 1999; Dall’Osto et al., 2007). Следовательно, баланс между фотосинтезом, фотозащитой и улавливанием АФК является важной функцией хлоропластов. Гранулы крахмала, белковые и липидные тела часто образуются в хлоропластах для временного хранения и помогают удовлетворить потребности, связанные с развитием и окружающей средой.

Этиопласты

Этиопласты — это специализированные промежуточные типы пластид, которые в основном встречаются у проростков, выращенных в темноте. В естественных условиях они легко встречаются в рассаде, растущей под почвой. Они представляют собой временное состояние развития хлоропластов и также считаются статусом строгой экономии, поскольку они останавливают развитие фотосинтетических химикатов и структур, которые не нужны в темноте. Внутри этиопластов обычно образуются отдельные хорошо расположенные паракристаллические проламеллярные тела и трубчатые протилакоиды, которые перемежаются с многочисленными небольшими пластоглобулами с большим количеством каротиноидов; в основном лютеин и виолаксантин, которые помогают увеличить переход к хлоропластам (Park et al., 2002; Родригес-Вильялон и др., 2009 г .; Solymosi and Schoefs, 2010; Pipitone et al., 2021).

Лейкопласты и производные

Лейкопласты характеризуются своей белой структурой (Carde, 1984). Они часто встречаются в нефотосинтезирующих тканях, которые выполняют функции хранения. Однако достижения в технологии микроскопии и расширение стратегий обнаружения сделали возможным более детальную классификацию лейкопластов. За исключением неразвитых пропластидов, три типа белых пластид, амилопласты, протеинопласты и элайопласты далее характеризуются как подтипы лейкопластов (Howitt and Pogson, 2006; Sadali et al., 2019).

Амилопласты

Амилопласты характеризуются гранулами крахмала, которые хранят крахмал высокой плотности. Во время образования мембран амилопластов в гранулы крахмала также включаются различные липиды, такие как свободные жирные кислоты, лизофосфолипиды, лизофосфатидилхолин и лизофосфатидилэтаноламин (Gayral et al., 2019). Амилопласты обычно обнаруживаются в тонких тканях, включая семена, фрукты, клубни и корни для хранения углерода, но они также часто встречаются с низкой частотой в различных тканях, включая листья, стебли и корни для временного хранения (Jarvis and López-Juez, 2013).Интересно, что амилопласты в некоторых случаях нестабильны, например в листьях арабидопсиса, накопление и потеря крахмала очень динамичны, следуя суточному циклу из-за фотосинтетической активности или ее отсутствия (Fernandez et al., 2017). В отличие от пластид других типов, амилопласты часто сосуществуют с пластидами разных типов в одной и той же клетке. Однако в тканях таких видов, как тыква, плоды персиковой пальмы и клубень сладкого картофеля (Jeffery et al., 2012; Hempel et al., 2014; Zhang et al., 2014) наблюдались комбинаторные типы пластид, называемые амилохромопластами, которые хранят гранулы крахмала с кристаллами каротиноидов в одной пластиде. Гранулы крахмала также находятся внутри различных типов пластид, таких как хлоропласты. Сообщалось, что помимо своих функций хранения амилопласты из корней Arabidopsis вносят вклад в передачу сигналов гравитропизма (Chen et al., 1999; Nakamura et al., 2019).

Элайопласт

Элайопласты характеризуются ультраструктурой, заполненной гидрофобным содержимым, таким как липиды и терпеноиды.Они специализируются на биосинтезе и хранении липидов, но также выполняют различные функции в определенных тканях. У цитрусовых элайопласты экспортируются в секреторные карманы, и они могут иметь большое влияние на аромат и вкус (Zhu et al., 2018). Было обнаружено, что в пыльце образование экзины сильно зависит от элайопластов (Quilichini et al., 2014).

Протеинопласты

В определенных случаях белковые тельца могут быть обнаружены в пластидных структурах, как правило, в цитозольной области, и они называются протеинопластами (или протеопластами, алеуропластами, алеуронапластами; Dashek and Miglani, 2017).Протеинопласты обычно обнаруживаются во многих различных типах клеток на нескольких различных стадиях развития пластид (Thomson and Whatley, 1980). Считается, что из-за расположения и содержания протеинопластов они играют роль в хранении белка. Кроме того, протеинопласты корня табака проявляют сильную оксидазную активность, которая может выполнять определенную функцию (Vigil and Ruddat, 1985).

Хромопласты

Хромопласты обладают красочными характеристиками, поскольку они накапливают большое количество каротиноидов, а их специфический цвет определяется конкретными типами каротиноидов.Во время развития хромопластов концентрированные каротиноиды, которые на зрелой стадии образуют глобулярные, округлые, спиралевидные кристаллы каротиноидов, образуются и хранятся в гидрофобных структурах, называемых пластоглобулами (Schweiggert et al., 2011). Пластоглобулы представляют собой липопротеиновые частицы, прикрепленные к тилакоидам через полулипидный бислой и участвующие как в биосинтезе, хранении, так и в расщеплении липидов (Austin et al., 2006; Rottet et al., 2016). Эти окрашенные пластиды с высокоразвитыми пластоглобулами используются для привлечения опылителей и распространителей семян в репродуктивных тканях или для хранения каротиноидов и гидрофобных метаболитов (Rottet et al., 2015).

Геронтопласты

Геронтопласты представляют собой пластиды, происходящие из хлоропластов, приспособленные для рециклирования пластид, которые в основном обнаруживаются во время процессов старения или в стрессовых условиях (Biswal et al., 2012). Поскольку хлоропласты обладают до 80% пула азота листа, деградация хлоропластов и рециркуляция их питательных веществ важны для выживания растений (Makino and Osmond, 1991). Также сообщалось о деградации белков хлоропластов по трем различным направлениям: аутофагия, ассоциированные со старением вакуоли (SAV) и везикуляция хлоропластов (CV) (Ishida et al., 2008; Xie et al., 2015). Когда начинается процесс старения, пластиды претерпевают серийные изменения своей ультраструктуры. Трудно определить характеристики геронтопластов в начале старения, но есть несколько специфических характеристик, которые были идентифицированы (Biswal et al., 2012). Во-первых, геронтопласты не содержат гранул крахмала, вероятно, потому, что они не могут продолжать фотосинтез, который ежедневно пополняет запасы крахмала. Во-вторых, их тилакоидные структуры и хлорофилл также были разрушены.В-третьих, размер их пластоглобул увеличивается, а их количество увеличивается, вероятно, из-за накопления липофильных веществ из разрушенных липидных структур и гидрофобного содержимого.

Специализированные типы: десиккопласты, фенилопласты и ксилопласты

Десикопласты представляют собой пластиды, которые могут взаимно превращаться между хлоропластами и пропластидами в устойчивых к высыханию растениях (Solymosi et al., 2013). Фенилопласты представляют собой обогащенные фенолом красочные пластиды, идентифицированные как новый тип пластид по сравнению с хромопластами из-за их различного содержания для хранения и гомеостатической роли фенолов (Brillouet et al., 2014). Ксилопласты — это специализированные пластиды во вторичных сосудистых тканях, предназначенные для синтеза предшественников продукции монолигнолов, происходящих либо из пропластидов, либо, что более вероятно, из амилопластов (Pinard and Mizrachi, 2018).

Пластидные переходы

Развитие хлоропластов: фенотип озеленения

от Proplastids

Переходы пропластидов в хлоропласты в основном происходят в апикальной меристеме побега и во время эмбриогенеза (Таблица 1).Согласно исследованиям Arabidopsis, процесс дифференциации начинается с апикальной меристемы побега молодого листа и продолжается до развития листа. Процесс дифференцировки происходит в верхнем слое и центральных нижележащих слоях клеток и не зависит от интенсивности света, но требуется световой период 5-10 часов (Yadav et al., 2019). Наблюдая за эмбриональным развитием Arabidopsis, хлоропластсодержащие клетки были идентифицированы на глобулярной стадии эмбриогенеза, что указывает на развитие хлоропластов из недифференцированных пропластид (Tejos et al., 2010). В экспериментах in vitro у выращенных в темноте каллусов были только пропластиды, тогда как у выращенных на свету были короткие тилакоиды и хлоропласты, содержащие незрелую мембранную структуру (Ladygin et al., 2008).

Таблица 1. Пластидные переходы по фенотипам растений с точки зрения состояния озеленения.

Из Этиопласта

Когда этиопласты подвергаются воздействию света, протохлорофиллид, предшественник хлорофилла проламеллярных телец, немедленно превращается в хлорофиллид светозависимой НАДФН: Пхлид-оксидоредуктазой.После этого хлорофиллид превращается в хлорофилл посредством ферментативных процессов (Fujii et al., 2019). Он встречается в основном в тканях листьев растений и может быть легко обнаружен в растительном мире, например, во внутренних листьях белокочанной капусты ( Brassica oleracea «Capitata»), салата ( Lactuca sativa ) и семядолей огурцов ( Cucumis sativus. ) (Solymosi et al., 2004; Kanamoto et al., 2006; Sobieszczuk-Nowicka et al., 2007). Исследования деэтиоляции с использованием листьев табака показали, что физические структуры проламеллярных тел этиопласта изменяются почти сразу при воздействии света, и происходит регулярное уменьшение размеров и размер (Armarego-Marriott et al., 2019). Недавняя работа, хорошо описанная в Arabidopsis, показала биогенез хлоропластов из этиопласта в две отдельные фазы: «Фаза установления структуры» для разборки проламеллярного тела, постепенное формирование тилакоидной мембраны и начальное увеличение галактолипидов и белков, связанных с фотосинтезом, и «Хлоропласта». Фаза пролиферации »для размножения клеток, линейного увеличения прокариотических и эукариотических галактолипидов, белков, связанных с фотосинтезом, и увеличения укладки гран (Pipitone et al., 2021).

Из лейкопласта

Не фотосинтетические лейкопласты могут превращаться в фотосинтетические хлоропласты. В тканях корковой паренхимы клубней картофеля, непосредственно под перидермой, амилопласты (лейкопласты, обогащенные крахмалом) превращаются в хлоропласты за счет накопления хлорофиллов под источниками света (Tanios et al., 2018). Кроме того, игольчатый лист ели европейской ( Picea abies ) также показал пластидные переходы в соответствии с ростом и сезонными изменениями.У ели европейской на стадии проростков образуются амилопласты для накопления питательных веществ и хлоропласты для фотосинтеза. В сезон амилопласты появляются в основном из-за накопления большого количества крахмала осенью и зимой и превращаются обратно в типичные хлоропласты весной и летом (Senser et al., 1975). Для плодов итальянского арума ( Arum italicum ) озеленение происходит после формирования плодов. По мере появления зеленого цвета амилопласты превращаются в хлоропласты с развитием тилакоидной мембраны, а количество и размер пластоглобул увеличиваются (Bonora et al., 2000).

Из хромопластов

Обратимые изменения от хромопласта к хлоропласту называются повторным скрещиванием и могут быть обнаружены в цитрусовых (Mayfield and Huff, 1986), тыкве (Devidé and Ljubešiæ, 1974) и плодах огурцов (Prebeg et al., 2008; Rodriguez-Concepcion and Stange , 2013). Тилакоиды огурца разлагаются по мере созревания плода, а затем тилакоид восстанавливается из-за повторного скрининга. Пластиды зрелых плодов и повторно скрининговые хлоропласты обнаруживают морфологическое сходство, что означает повторную дифференцировку пластид.Восстановление тилакоидов начинается с мембраносвязанных тел, происходит расширение и фрагментация поверхности. После этого образуются канальцы и листы с двойной мембраной. Пластоглобулы остаются в пластиде даже во время реконструкции. Этот переход подразумевает, что несколько типов мембранных структур связаны с пластидной оболочкой во время повторной дифференцировки хлоропластов (Prebeg et al., 2008). Свет считается ключевым фактором, оказывающим большое влияние на регенерацию. В результате облучения апельсина цитрусовых Валенсия синим светодиодом ткань постепенно зеленела, и через 4 недели содержание хлорофилла было примерно в два раза выше, чем в необлученной ткани (Ma et al., 2020). Кроме того, корни моркови также полностью изменились под воздействием света и превратились из хромопластов, богатых β-каротином, в хлоропласты, содержащие лютеин (Rodriguez-Concepcion and Stange, 2013).

Развитие пропластидов в этиопласты: незеленеющий фенотип

Когда семена закапывают под землю без света, но при достаточных условиях окружающей среды для прорастания, пропластиды могут развиваться в этиопласты, в то время как растения этиолируются.Этот переход широко применяется большинством растений и является эффективной стратегией для рассады в условиях, когда они ищут свет. Пока фотосинтезирующие ткани не достигнут источника света, этиопласты развиваются с укладкой проламеллярных тел и многочисленными небольшими пластоглобулами (Rodríguez-Villalón et al., 2009). Согласно исследованиям арабидопсиса и сои, на формирование этиопластов влияет время этиоляции, а эффективное трубчато-пластинчатое расположение влияет на последующий вегетативный рост (Kakuszi et al., 2017; Быковский и др., 2020). Ключевым элементом поддержания этиопластов является полностью темная среда. Утрата негативных регуляторов фотоморфогенеза (DET1, COP1 и комбинация PIF) ингибировала дифференцировку этиопластов в темных условиях, тем самым предполагая, что этиопласты развиваются в темных условиях посредством негативной регуляции фотоморфогенеза (Wei et al., 1994; Sperling et al. ., 1998; Стефенсон и др., 2009).

Развитие пропластидов в лейкопластах: незеленеющий фенотип

К амилопластам

Развитие амилопластов можно наблюдать в большинстве тканей с высоким содержанием крахмала.Крахмал часто накапливается в тканях корней растений, таких как арабидопсис (Kiss et al., 1989), лен (Kuznetsov and Hasenstein, 1996) и горох (Hodson, Mayer, 1987; Borchert et al., 1989). Кроме того, клубни и столоны картофеля являются репрезентативными органами, в которых накапливаются амилопласты (Naeem et al., 1997; Sagisaka, 2008). В случае фруктов крахмал в основном накапливается в период «созревания», например, в банане (Solis-Badillo et al., 2020) и итальянском аруме (Bonora et al., 2000).Для яблок эксперименты in vitro и показали, что образование амилопластов происходит в каллусе и эндосперме (Sagisaka, 2008). Для риса и пшеницы накопление амилопластов в основном обнаруживается в эндосперме (Wurtzel et al., 2012). В амилопластах крахмал продуцируется в матричном пространстве (строме) и образует зерна крахмала, которые имеют различную морфологию в зависимости от вида растений и интенсивно изучаются на различных основных культурах. Диаметр крахмальных зерен в кукурузе, рисе и сорго составляет примерно 10, 10–20 и 15–25 мкм соответственно, а в ячмене и пшенице — менее 10 мкм (Matsushima et al., 2014; Мацусима и Хисано, 2019).

К элайопластам

Элайопласты в основном встречаются в цветках, и их можно найти в их яичниках, эпидермисе яичников и внутренних клетках тапетума стенки пыльника (Chen et al., 1988; Ciampolini et al., 1993; Kwiatkowska et al., 2010). , 2011). Сообщалось также о наличии элайопластов в секреторных протоках эпидермиса стебля и листа у Centaurea cyanus и Haemanthus albiflos (Kwiatkowska et al., 2010; Pacek et al., 2012), молодые листья Vanilla planifolia , корни, гипокотили Althaea rosea (Kwiatkowska et al., 2011), семена канолы и подсолнечника (Howitt, Pogson, 2006; Lersten et al., 2006), мезокарпий плодов авокадо (Scott et al., 1963) и зеленого околоплодника цитрусовых (Zhu et al., 2018). Сообщалось, что образование элайопластов происходит с помощью разнообразных механизмов, которые варьируются в зависимости от вида. Наблюдения за дифференцировкой элайопластов в тапетальных клетках Arabidopsis thaliana показали, что переход от пропластида к элайопласту происходит на «стадии 9» с пятноподобными структурами, имеющими форму пластоглобул (Suzuki et al., 2013).

К Протеинопласту

Протеинопласты из корней табака были детально исследованы (Vigil and Ruddat, 1985). В основном они распространяются в вакуолизированных клетках и клетках корневого чехлика корня и накапливаются в тонких канальцах пластид. По мере деления клеток происходит накопление белка, расширяются канальцы и появляются белковые тела плотных сфероидальных структур. Протеинопласты также наблюдались в листьях и семенах кукурузы Helleborus corsicus и Zea соответственно (Härtel and Thaler, 1953; Denic et al., 1971). Кроме того, в листьях маша был обнаружен протеинопласт с гранулированным матриксом, содержащим большое количество белка (Dashek, Miglani, 2017).

Развитие хлоропластов в хромопластах: незеленеющий фенотип

От Пропластида

Переход от пропластида к хромопласту часто обнаруживается во время созревания плодов. Типичные примеры перехода от пропластида к хромопласту можно найти у арбуза ( Citrullus lanatus ), папайи ( Carica papaya ) и каллусов моркови.У папайи во время раннего созревания белого цвета недифференцированные пропластиды и глобулярные пластиды были доминирующими, но промежуточные пластиды, такие как хлоропласты и амилопласты, не обнаруживались до тех пор, пока не развились хромопласты. Таким образом, считалось, что они дифференцировались от пропластидов (Schweiggert et al., 2011). Сообщалось о подобном развитии хромопластов арбуза с анализом рисунка каждой ступени окраски. Если посмотреть на пластидную дифференцировку арбуза, то накопление каротиноидов и хромопластов появилось в зависимости от зрелости плода.Кроме того, по сравнению с белыми арбузами в хромопластах желтых и оранжевых арбузов накопилось много пластоглобул. Хромопласты красного арбуза образовывали удлиненную или неправильную структуру, а количество пластоглобул еще увеличивалось (Fang et al., 2020). В системе каллуса моркови пропластиды могут превращаться в хромопласты во время дифференцировки каллуса. В случае каллусов бледно-желтой моркови содержание каротиноидов было низким, в то время как большинство пластид были пропластидами.Напротив, у темно-оранжевых каллусов моркови было большое количество хромопластов с высоким содержанием каротиноидов, в то время как количество пропластидов было значительно снижено (Oleszkiewicz et al., 2018). Между тем каллус Arabidopsis содержит пропластиды, но индуцированная или стабильная сверхэкспрессия гена фитоенсинтазы (PSY) показала увеличение содержания каротиноидов с развитием хромопластов (Maass et al., 2009; Rodríguez-Villalón et al., 2009).

Из лейкопластов

Этот переход происходит во время созревания плодов, цветов и корней (Sun et al., 2018). Относительно хорошо изученными случаями этого перехода являются морковь ( Daucus carota ) и мутанты оранжевой цветной капусты ( Brassica oleracea L. var. Botrytis). В случае корней моркови типы присутствующих пластид заметно различались в зависимости от цвета. Корень оранжевой моркови был богат хромопластами с кристаллической структурой из-за каротина, тогда как белая морковь имела меньше хромопластов и не имела кристаллической структуры. Вместо этого корни белой моркови показали амилопласты, заполненные крахмальными зернами, а общее количество хромопластов и амилопластов не показало каких-либо значительных различий (Kim et al., 2010). В случае оранжевой цветной капусты пластида белых тканей дикого типа характеризовалась лейкопластами, тогда как у мутантов оранжевого цвета были хромопласты с накопленным β-каротином (Paolillo et al., 2004). Переходы хромопластов также можно найти в эндоспермах риса и кукурузы, которые в основном образованы амилопластами. Хотя эндоспермы риса дикого типа не продуцируют каротиноиды, комбинация нескольких каротиногенных генов, таких как 1-дезокси-D-ксилулозо-5-фосфатсинтаза ( DXS ), PSY , бактериальная фитоендесатураза ( CRTI ) и ORANGE ( OR ) могут привести к развитию хромопластов (Ye et al., 2000; Wurtzel et al., 2012; Бай и др., 2016; You et al., 2020).

Из хлоропластов

Хромопласты синтезируют и хранят каротиноиды и в основном находятся в лепестках и плодах, которые являются органами, связанными с воспроизводством, но они также могут встречаться в листьях и корнях. Переход от хлоропласта к хромопласту начинается с распада тилакоидов и хлорофилла. За этим следует увеличение размера пластоглобулов, биосинтез и накопление каротиноидов (Wrischer and Devide, 2002).Репрезентативные случаи, демонстрирующие необратимый процесс перехода от хлоропласта к хромопласту, были обнаружены у томата ( Solanum lycopersicum ) (Egea et al., 2011; Barsan et al., 2012; D’Andrea et al., 2014), красного перца (Jeong et al. al., 2020), арум итальянский (Bonora et al., 2000) и лилия ( Lilium longiflorum ) (Juneau et al., 2002). Интересно, что при сверхэкспрессии одного гена, такой как линия сверхэкспрессии AtPSY у Arabidopsis и гиперэкспрессия фитоэнсинтазы Pantoea ananatis ( crtB ) вирусным вектором в табаке, хромопласты были способны развиваться из тканей листа (Maass et al., 2009; Majer et al., 2017). Согласно недавнему сообщению о модификациях структуры мембран в хлоропластах томатов, было замечено, что внутренняя оболочка мембраны и тилакоидные мембраны исчезают во время перехода к хромопластам, а новые факторы (пластоглобулы, остатки кристаллов и т. Д.) Генерируются посредством слияния мембран. и отрастание пузырьков (Wang et al., 2020).

Развитие хлоропластов: фенотип обесцвечивания

К лейкопластам

Одним из хорошо известных примеров уменьшения озеленения до лейкопластов является развитие цветка арабидопсиса.Молодые лепестки, которые только что распустились, содержат зеленые хлоропласты по всей своей структуре, но по мере того, как лепестки расширяются и развиваются, они теряют хлорофилл и регенерируют в белые тела. Во время этого процесса пластиды разрушают хлорофилл, а каротиноиды не синтезируются (Pyke and Page, 1998; Irish, 2008).

К геронтопластам

Известно, что геронтопласты встречаются как в фотосинтетических, так и в нефотосинтетических органах, поскольку они появляются с возрастом. В целом, по мере старения хлоропластов, хотя их внешняя оболочка остается неповрежденной, вместе с липофильными веществами образуются пластоглобулы, и происходят обширные структурные изменения тилакоидной мембраны.У Arabidopsis наблюдения за геронтопластами показали, что они имеют дегенерированную внешнюю оболочку и тилакоидные мембраны хлоропластов, увеличенные пластоглобулы и граны, и они постепенно увеличиваются по мере старения (Evans et al., 2010). Другое исследование структурных характеристик геронтопластов во время развития семян Jatropha curcas показало, что внутренняя мембранная система (тилакоидная мембрана и пластидная мембрана внешней оболочки) разлагается, а затем происходит постепенное разложение субстрата и пластоглобул (Shah et al., 2016).

Регуляторы пластидных переходов

В последнее время исследования регуляторных путей пластид значительно расширились и пришли к множеству удивительных открытий. Таким образом, учитывая разнообразие и сложность пластид, большинство обзоров сигналов, связанных с пластидами, сосредоточено на конкретных аспектах, таких как дифференцировка пластид (Liebers et al., 2017; Knudsen et al., 2018; Sadali et al., 2019), световые сигналы (López-Juez, 2007; Larkin and Ruckle, 2008; Larkin, 2014), регулирование окислительно-восстановительного потенциала (Toyoshima et al., 2005), регуляции и ретроградных сигналов (Rodermel, 2001; Nott et al., 2006; Pogson et al., 2008; Kleine et al., 2009; Chi et al., 2013; Singh et al., 2015; Sun et al., 2015; Sun et al., 2008; Kleine et al., 2009; Chi et al., 2013; Singh et al., 2015; Sun et al. al., 2018; Sun and Li, 2020), эволюции (Reyes-Prieto et al., 2007; Archibald, 2009; Wicke et al., 2011; Keeling, 2013) и гормональной регуляции (Al-Babili and Bouwmeester, 2015 ; Liu et al., 2017). В этом обзоре мы сосредоточились на посттранскрипционной регуляции и недавно обнаруженных регуляторах пластидных переходов (Рис. 2).

Рисунок 2. Принципиальная схема регуляции пластидного перехода. Регуляторные механизмы зеленеющих и незеленеющих взаимопревращений пластид кратко суммированы с помощью основных транскрипционных и посттрансляционных регуляторов. Световые сигналы с разных длин волн обозначены толстыми стрелками репрезентативных цветов. Фоторецепторы показаны кружками, а регуляторные гены показаны в прямоугольных ячейках. Комплексы E3-лигазы, ферменты, связанные с биогенезом хлоропластов, и ферменты, связанные с биогенезом хромопластов, были разделены на категории с бело-коричневыми, зелеными и оранжевыми прямоугольниками, соответственно.Символы спирали ДНК представляют регуляцию транскрипции генов. Зеленые линии указывают на прямые эффекты «озеленения», а красные линии указывают на прямые эффекты «без озеленения».

Хлоропласт Девелопмент

Свет — это первичный сигнал для развития хлоропластов. Различные диапазоны длин волн воспринимаются разными фоторецепторами, например, УФ-B идентифицируется ЛОКУС УСТОЙЧИВОСТИ к УФ-излучению 8 ( UVR8 ), УФ-A и синий свет идентифицируются криптохромами ( CRYs ) и фототропинами. , красный свет и дальний красный свет идентифицируются как фитохром-красный ( Pr ) и фитохром-дальний красный ( Pfr ), соответственно, как взаимопревращаемые формы фитохромов (Paik and Huq, 2019) .Чтобы воспользоваться преимуществом быстрого ответа, растения используют посттранскрипционную регуляцию путем передачи сигнала на пути деградации белка, опосредованные E3-лигазой. В CULLIN4 ( CUL4 ) лигазный комплекс E3, CUL4 и УФ-ПОВРЕЖДЕННЫЙ ДНК-СВЯЗЫВАЮЩИЙ БЕЛК1 (DDB1) состоят из фундаментальных структур, в то время как КОНСТИТУТИВНЫЕ ФОТОМОРФОГЕННЫЕ (КОС), СУПРЕССОР phyAs (СПА) и ДЕТИОЛАТИВНЫЙ 1 (ДЭТИОЛ1) ) имеют функции целевой специфичности (Lau and Deng, 2012). Комплекс COP1-SPA1 является основным регулятором восприятия света рецепторами UVR8, CRY1 и ответов фитохрома (Wang et al., 2001; Сайджо и др., 2003; Хуанг и др., 2013; Мартинес и др., 2018). Когда UVR8 и CRY1 активируются светом, они инактивируют COP1 и экспортируют белок COP1 в цитозольную область из ядра и, следовательно, блокируют убиквитинирование белка ELONGATED HYPOCOTYL 5 (HY5) (Lau and Deng, 2012). Также сообщалось, что комплекс COP10-DET1 участвует в убиквитинировании длинного гипокотиля в Far-Red 1 (HFR1) (Yang et al., 2005) и GOLDEN2-LIKE 1 (GLK1) (Tang et al., 2016). HY5 , HYH и HFR1 были описаны как положительные регуляторы транскрипции, используемые для сборки световых сигналов для удлинения гипокотиля и ранних световых ответов.GLKs также связывается с 32-88 аминокислотной областью DET1, и стабильность белка GLKs повышается за счет блокирования опосредованной убиквитинизацией деградации белка (Tang et al., 2016). GLK являются основными положительными регуляторами развития хлоропластов на основании их мутантных фенотипов, в то время как фенотип glk1 / glk2 double KO все еще имел хлоропласты, что указывает на возможность другого регулятора (Fitter et al., 2002; Wang et al., 2013). Сообщалось о двух генах для сходных, но второстепенных фенотипов по сравнению с GLK , названных GATA, НИТРАТ-ИНДУКТИВНЫЙ, УГЛЕРОМЕТАБОЛИЗМ ВОВЛЕЧЕННЫЙ ( GNC ) и GNC-LIKE ( GNL ) (Richter et al. ., 2010). Когда свет включается вместе с высвобождением пути деградации лигазы E3, наблюдалось ингибирование транскрипции HY5 , HYH и HRF1 ФАКТОРАМИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ФИТОХРОМОМ (PIF), а нечувствительность к этилену 3 (EIN3) была высвобождается в результате деградации PIFs и EIN3 (Zhong et al., 2009). Это также запускало регуляцию транскрипции основных положительных регуляторов, давая синергетические эффекты. Псевдоэтиоляция в светлой / глубокой зеленой паникле1 ( AtPEL1 ) в первую очередь описывалась в системе охоты на сверхэкспрессирующий ген полноразмерной кДНК Arabidopsis (система охоты на FOX) для гена репрессии хлорофилла (Ichikawa et al., 2006; Llorente et al., 2017) и, что интересно, с той же самой системой охоты на FOX эктопическая сверхэкспрессия OsGLK1 превращает пропластид в хлоропласт в каллусе риса (Nakamura et al., 2009). Дальнейший анализ показал аффинность связывания OsPEL1 с OsGLK1 и OsGLK2 в рисе. Хотя регуляторная модель не была хорошо отработана и функция PEL у риса была ограничена метелкой, AtPEL1 репрессирует активационную активность OsGLK1 (Zhang et al., 2020). При сборке позитивных регуляторов уровень основных ферментативных белков для биогенеза хлоропластов, пути биосинтеза тетрапирролов, ядерных генов, связанных с фотосинтезом, и белков, связанных с PEP,, факторов SIGMA (SIG), PRIN2 увеличивался (Kindgren et al., 2012; Кобаяси и Масуда, 2016; Эрнандес-Вердеха и др., 2020).

Развитие хромопластов

Некоторые регуляторы играют важную роль в переходе хромопластов, но они не так хорошо установлены, как в хлоропластах. Сообщалось, что во время созревания плодов томата (Solanum lycopersicum ) фактор транскрипции MADS-box ИНГИБИТОР СОЗРЕНИЯ ( RIN ) является основным положительным регулятором, который активирует ограничивающие скорость ферменты в каротиноидных путях (Martel et al., 2011). TOMATO AGAMOUS LIKE1 (TAGL1) образует комплекс с RIN, а ликопин в плодах томатов был усилен сверхэкспрессией TAGL1 (Itkin et al., 2009; Lü et al., 2018). О нефункциональном мутанте фактора транскрипции NAC, называемом NON-RIPENING ( NOR ), сообщалось о сходном фенотипе мутанта rin из-за задержки пластидного перехода (Giovannoni, 2004, 2007). Индуцированный светом фактор транскрипции bZIP HY5 напрямую связывается с промотором ферментов, ограничивающих скорость биосинтеза каротиноидов, PSY и фитоен-десатуразы ( PDS) , и активирует их транскрипцию (Toledo-Ortiz et al., 2014). Другой положительный регулятор, OR , отвечает за образование хромопластов в органах цветков цветной капусты ( Brassica oleracea, var. Botrytis) (Li et al., 2003; Lu et al., 2006). Также сообщалось, что OR обладает шаперонной активностью холдазы для PSY , поскольку он повышает стабильность белка PSY и увеличивает его ферментативную активность (Welsch et al., 2018). В случае арабидопсиса дальнейший анализ показал, что OR связывается с фактором транскрипции bHLH TEOSINTE BRANCHED, CYCLOIDEA AND PCF (TCP14), повышая стабильность и уровень транскрипции EARLY LIGHT-INDUCIBLE PROTEINS ( ELIP1 и ELIP2 ), что являются белками, связывающими хлорофилл, для развития хлоропластов (Sun et al., 2019). А разнообразный анализ мутантов с разными видами указывает на важную роль гена OR в развитии хромопластов (Kim et al., 2018; Welsch et al., 2020). Между тем, в качестве репрессивных регуляторов STAY-GREEN 1 (SlSGR1) в томате напрямую взаимодействует с SlPSY1 и может ингибировать уровни его белка. Кроме того, репрессия SlSGR1 в трансгенных плодах томатов приводила к увеличению накоплений мРНК SlPSY1 и ускорению времени взаимопревращения хромопластов (Luo et al., 2013). Один из белков MADS-бокса, названный SlCMB1 , который принадлежит той же субкладе SEP с RIN , также, как сообщается, играет важную роль в развитии хромопластов у томатов. Плоды SlCMB1 -RNAi снизили экспрессию PSY1 и PDS , а также снизили продукцию этилена и связанные гены сигнального пути (Zhang et al., 2018). Кроме того, экзогенная индукция ограничивающих скорость ферментов биосинтеза каротиноидов, способных запускать взаимное превращение пластид в хромопласты (Ha et al., 2019; Llorente et al., 2020). Различные стрессы окружающей среды и сигналы развития, включая созревание, также могут запускать развитие хромопластов за счет индукции биосинтеза каротиноидов (Bouvier et al., 1998; Sadali et al., 2019).

Заключение и перспектива

Из обзора разнообразных репрезентативных, сложная корректировка взаимопревращения пластид, выявленная как важный элемент для множества агрономических признаков. Не только потенциал урожайности, связанный с фотосинтезом, многие побочные продукты растительного происхождения, включая крахмал, липиды, белки и вторичные метаболиты, были определены развитием и взаимопревращением пластид.Несмотря на то, что потребности растений постоянно увеличиваются при ограниченных условиях окружающей среды, этот обзор предполагает, что изучение пластид может быть прорывным решением и поддерживает исследования пластид репрезентативными научными отчетами о типах взаимопревращения пластид и основных регуляторах для кандидатов на молекулярные модификации. Наконец, кандидаты из хорошо обобщенного молекулярного пути взаимопревращения пластид могут быть применены в качестве целевого гена для улучшения многих агрономических признаков, связанных с взаимопревращением пластид.

Авторские взносы

S-HH разработал концепцию и организацию рукописи. HC и TY написали и отредактировали рукопись. Все авторы читали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Финансирование

Эта работа была поддержана грантом Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемым Министерством науки и ИКТ (№ 2021R1A2C2012227 для S-HH и № 2020R1I1A1A01073720 для HC).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Аль-Бабили, С., Бауместер, Х. Дж. (2015). Стриголактоны, новый растительный гормон каротиноидного происхождения. Annu. Rev. Plant Biol. 66, 161–186. DOI: 10.1146 / annurev-arplant-043014-114759

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Armarego-Marriott, T., Kowalewska,, Burgos, A., Fischer, A., Thiele, W., Erban, A., et al. (2019). Системная биология с высоким разрешением для анализа перехода этиопласта-хлоропласт в листьях табака. Plant Physiol. 180, 654–681. DOI: 10.1104 / стр.18.01432

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Остин, Дж. Р., Фрост, Э., Види, П. А., Кесслер, Ф., и Стэхелин, Л. А. (2006). Пластоглобулы представляют собой липопротеиновые субкомпоненты хлоропласта, которые постоянно связаны с тилакоидными мембранами и содержат биосинтетические ферменты. Растительная клетка 18, 1693–1703. DOI: 10.1105 / tpc.105.039859

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бай, С., Capell, T., Berman, J., Medina, V., Sandmann, G., Christou, P., et al. (2016). На узкие места в биосинтезе и накоплении каротиноидов в эндосперме риса влияет баланс прекурсора и продукта. Plant Biotechnol. J. 14, 195–205. DOI: 10.1111 / pbi.12373

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Barsan, C., Zouine, M., Maza, E., Bian, W., Egea, I., Rossignol, M., et al. (2012). Протеомный анализ перехода от хлоропласта к хромопласту у томатов выявил метаболические сдвиги, связанные с нарушением механизма биогенеза тилакоидов и повышенными компонентами производства энергии. Plant Physiol. 160, 708–725. DOI: 10.1104 / стр.112.203679

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бисвал Б., Мохапатра П. К., Бисвал Ю. К. и Раваль М. К. (2012). «Старение листьев и трансформация хлоропластов в геронтопласты», в Photosynthesis Advances in Photosynthesis and Respiration , Vol. 34, ред. Дж. Итон-Рай, Б. Трипати и Т. Шарки (Дордрехт: Спрингер), 217–230. DOI: 10.1007 / 978-94-007-1579-0_10

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Боланд, М.Дж. И Шуберт К. Р. (1983). Биосинтез пуринов фракцией пропластидов из клубеньков сои Glycine max . Arch. Biochem. Биофиз. 220, 179–187. DOI: 10.1016 / 0003-9861 (83)

-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бонора А., Панкальди С., Гуаландри Р. и Фасуло М. П. (2000). Изменения каротиноидов и ультраструктуры пластид плода Arum italicum Miller во время созревания и созревания. J. Exp. Бот. 51, 873–884.DOI: 10.1093 / jexbot / 51.346.873

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Borchert, S., Grosse, H., and Heldt, H. W. (1989). Специфический транспорт неорганического фосфата, глюкозо-6-фосфата, дигидроксиацетонфосфата и 3-фосфоглицерата в амилопласты из корней гороха. FEBS Lett. 253, 183–186. DOI: 10.1016 / 0014-5793 (89) 80955-X

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бувье Ф., Бакхаус Р. А. и Камара Б. (1998). Индукция и контроль хромопласт-специфичных каротиноидных генов с помощью окислительного стресса. J. Biol. Chem. 273, 30651–30659. DOI: 10.1074 / jbc.273.46.30651

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бриллюэ, Ж. М., Вердей, Ж. Л., Оду, Э., Ларто, М., Гризони, М., и Конехеро, Г. (2014). Гомеостаз фенола в плодах ванили обеспечивается хранением в твердой форме в новой органелле, полученной из хлоропласта, фенилопласте. J. Exp. Бот. 65, 2427–2435. DOI: 10.1093 / jxb / eru126

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Быковский, М., Mazur, R., Buszewicz, D., Szach, J., Mostowska, A., and Kowalewska, J. (2020). Пространственная наноморфология проламеллярного тела у этиолированных растений Arabidopsis thaliana с нарушенным пигментным и полипренольным составом. Фронт. Cell Dev. Биол. 8: 586628. DOI: 10.3389 / fcell.2020.586628

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карде, Дж. (1984). Лейкопласты: особый вид органелл, лишенный типичных 70S рибосом и свободных тилакоидов. Eur.J. Cell Biol. 34, 18–26.

Google Scholar

Чен, З. К., Ван, Ф. Х. и Чжоу, Ф. (1988). О происхождении, развитии и ультраструктуре глазниц и пыльцы тапетума Anemarrhena asphodeloides (Liliaceae). Грана 27, 273–282. DOI: 10.1080 / 001731388049

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чамполини Ф., Непи М. и Пачини Э. (1993). «Развитие тапетума в Cucurbita pepo (Cucurbitaceae)» в Систематика и эволюция растений тапетума (Приложение 7), , Vol.7, ред. М. Гессе, Э. Пачини и М. Виллемсе (Вена: Springer), 13–22. DOI: 10.1007 / 978-3-7091-6661-1_2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Крус, А. Б., Бьянкетти, Р. Э., Алвес, Ф. Р. Р., Пургатто, Э., Перес, Л. Е. П., Росси, М., и др. (2018). Сигнальное взаимодействие света, этилена и ауксина регулирует биосинтез каротиноидов во время созревания плодов томатов. Фронт. Plant Sci. 9: 1370. DOI: 10.3389 / fpls.2018.01370

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Далл’Осто, Л., Басси, Р., Рубан, А. (2014). «Фотозащитные механизмы: каротиноиды» в Plastid Biology Advances in Plant Biology , Vol. 5, ред. С. Тег и Ф. А. Уоллман (Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer), 393–435. DOI: 10.1007 / 978-1-4939-1136-3_15

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Далл’Осто, Л., Каффарри, С., и Басси, Р. (2005). Механизм нефотохимической диссипации энергии, не зависящий от PsbS, обнаруживается конформационными изменениями в антенном белке CP26. Растительная клетка 17, 1217–1232. DOI: 10.1105 / tpc.104.030601

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Далл’Осто, Л., Каззанига, С., Норт, Х., Марион-Полл, А., и Басси, Р. (2007). Мутант Arabidopsis aba4-1 обнаруживает специфическую функцию неоксантина в защите от фотоокислительного стресса. Растительная клетка 19, 1048–1064. DOI: 10.1105 / tpc.106.049114

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

D’Andrea, L., Аменос, М., и Родригес-Консепсьон, М. (2014). «Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия для обнаружения хлорофиллов и каротиноидов в хлоропластах и ​​хромопластах плодов томата», в Plant Isoprenoids , Vol. 1153, изд. М. Родригес-Консепсьон (Дордрехт: Springer), 227–232. DOI: 10.1007 / 978-1-4939-0606-2_16

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дашек В. В., Миглани Г. С. (2017). Клетки растений и их органеллы. In Vacuoles and Protein Bodies , Vol.2. Чичестер: онлайн-библиотека Wiley, 351–370. DOI: 10.1002 / 97811186

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Денич М., Дзамич М. и Думанович Дж. (1971). О роли протеинопластов в генетической регуляции аминокислотного состава белков эндосперма кукурузы. Agrochimica 15, 564–568. DOI: 10.1007 / 978-94-009-6801-1_8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Девид З. и Любешич Н. (1974). Превращение хромопластов в хлоропласты в плодах тыквы. Z. Pflanzenphysiol. 73, 296–306. DOI: 10,1016 / s0044-328x (74) 80130-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Egea, I., Bian, W., Barsan, C., Jauneau, A., Pech, J.C., Latché, A., et al. (2011). Переход от хлоропласта к хромопласту в плодах томата: анализ каротиноидов и хлорофиллов в изолированных пластидах с помощью спектральной конфокальной микроскопии и покадровая запись на интактной живой ткани. Ann. Бот. 108, 291–297. DOI: 10.1093 / aob / mcr140

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эванс, И., Рус, А., Белэнджер, Э., Кимото, М., и Брусслан, Дж. А. (2010). Разборка хлоропластов клеток мезофилла Arabidopsis thaliana при естественном старении листьев. Plant Biol. 12, 1–12. DOI: 10.1111 / j.1438-8677.2009.00206.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фанг, X., Лю, С., Гао, П., Лю, Х., Ван, X., Луан, Ф. и др. (2020). Экспрессия ClPAP и ClPSY1 в арбузе коррелирует с дифференцировкой хромопластов, накоплением каротиноидов и образованием телесного цвета. Sci. Hortic. 270, 109437. doi: 10.1016 / j.scienta.2020.109437

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фернандес О., Исихара Х., Джордж Г. М., Менгин В., Флис А., Самнер Д. и др. (2017). Оборот крахмала в листьях происходит в долгие дни и при падении света в конце дня. Plant Physiol. 174, 2199–2212. DOI: 10.1104 / стр.17.00601

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Монтажник, Д. В., Мартин, Д. Дж., Копли, М. Дж., Шотландия, Р. У., и Лэнгдейл, Дж. А. (2002). Пары генов GLK регулируют развитие хлоропластов у различных видов растений. Plant J. 31, 713–727. DOI: 10.1046 / j.1365-313X.2002.01390.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фуджи С., Нагата Н., Масуда Т., Вада Х. и Кобаяши К. (2019). Галактолипиды необходимы для трансформации внутренней мембраны во время дифференцировки этиопласта в хлоропласт. Physiol растительных клеток. 60, 1224–1238. DOI: 10.1093 / pcp / pcz041

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гаецка, М., Мажец, М., Хмелевска, Б., Елонек, Дж., Збещик, Ю., и Зарейко, И. (2020). Пластидная дифференцировка во время микрогаметогенеза определяет регенерацию зеленых растений в культуре микроспор ячменя. Plant Sci. 291, 110321. doi: 10.1016 / j.plantsci.2019.110321

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гайрал, М., Fanuel, M., Rogniaux, H., Dalgalarrondo, M., Elmorjani, K., Bakan, B., et al. (2019). Пространственно-временное отложение лизофосфатидилхолина в крахмальных гранулах эндосперма кукурузы и его взаимосвязь с экспрессией генов, участвующих в переносе липидов между эндоплазматическим ретикулумом и амилопластом и синтезе галактолипидов. Physiol растительных клеток. 60, 139–151. DOI: 10.1093 / pcp / pcy198

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Греко, М., Чиаппетта, А., Бруно, Л., и Битонти, М. Б. (2012). У Posidonia oceanica кадмий вызывает изменения в метилировании ДНК и формировании паттерна хроматина. J. Exp. Бот. 63, 695–709. DOI: 10.1093 / jxb / err313

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ха, С. Х., Ким, Дж. К., Чон, Ю. С., Ю, М. К., Лим, С. Х. и Ким, Дж. К. (2019). Поэтапная разработка пути биосинтеза зеаксантина, астаксантина и капсантина в эндосперме риса. Metab. Англ. 52, 178–189. DOI: 10.1016 / j.ymben.2018.11.012

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хагеманн Р. (2004). «Половая наследственность органелл растений», в Molecular Biology and Biotechnology of Plant Organelles , Vol. 1, ред. Х. Даниэля и К. Чейза (Дордрехт: Спрингер), 93–113. DOI: 10.1007 / 978-1-4020-3166-3_4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хертель О. и Талер И. (1953). Die Proteinoplasten von Helleborus corsicus Willd. Protoplasma 42, 417–426. DOI: 10.1007 / BF01247925

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хаво, М., и Нийоги, К. К. (1999). Цикл виолаксантина защищает растения от фотоокислительного повреждения более чем одним механизмом. Proc. Natl. Акад. Sci. США, 96, 8762–8767. DOI: 10.1073 / pnas.96.15.8762

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хемпель, Дж., Амрен, Э., Кесада, С., Эскивель, П., Хименес, В. М., Хеллер, А., и другие. (2014). Растворенные в липидах гамма-каротин, бета-каротин и ликопин в глобулярных хромопластах плодов персиковой пальмы ( Bactris gasipaes Kunth). Planta 240, 1037–1050. DOI: 10.1007 / s00425-014-2121-3

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эрнандес-Вердеха, Т., Вуорийоки, Л., и Странд, Å (2020). Выход из темноты: взаимодействие между светом и передачей сигналов пластид во время биогенеза хлоропластов. Physiol. Завод 169, 397–406.DOI: 10.1111 / ppl.13100

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ходсон М. и Майер А. М. (1987). Солевые изменения в распределении амилопластов в корневом покрове вырезанных корней гороха в культуре. Ann. Бот. 59, 499–503. DOI: 10.1093 / oxfordjournals.aob.a087343

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ховитт, К. А., Погсон, Б. Дж. (2006). Накопление и функция каротиноидов в семенах и незеленых тканях. Среда растительных клеток. 29, 435–445. DOI: 10.1111 / j.1365-3040.2005.01492.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хуанг, X., Оуян, X., Ян, П., Лау, О.С., Чен, Л., Вэй, Н., и др. (2013). Преобразование устройства COP1 – SPA E3 на основе CUL4 в комплексы UVR8 – COP1 – SPA лежит в основе отчетливой биохимической функции COP1 под УФ-B. Proc. Natl. Акад. Sci. США 110, 16669–16674. DOI: 10.1073 / pnas.1316622110

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Итикава, Т., Накадзава, М., Кавасима, М., Иидзуми, Х., Курода, Х., Кондо, Ю. и др. (2006). Система охоты FOX: альтернативный метод охоты за генами усиления функции. Plant J. 48, 974–985. DOI: 10.1111 / j.1365-313X.2006.02924.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Исида, Х., Йошимото, К., Идзуми, М., Райсен, Д., Яно, Ю., Макино, А. и др. (2008). Мобилизация рубисковых и локализованных в строме флуоресцентных белков хлоропластов в вакуоль посредством ген-зависимого аутофагического процесса. Растительный физиол. 148, 142–155. DOI: 10.1104 / стр.108.122770

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Иткин М., Сейболд Х., Брейтель Д., Рогачев И., Меир С. и Ахарони А. (2009). TOMATO AGAMOUS-LIKE 1 является компонентом регуляторной сети созревания плодов. Plant J. 60, 1081–1095. DOI: 10.1111 / j.1365-313X.2009.04064.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джеффри Дж., Хольценбург А., и Кинг, С. (2012). Физические барьеры биодоступности каротиноидов. Исследование ультраструктуры хромопластов и морфологии клеточной стенки в девяти каротиноидсодержащих фруктах и ​​овощах. J. Sci. Продовольственное сельское хозяйство. 92, 2594–2602. DOI: 10.1002 / jsfa.5767

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжон, Х. Б., Джанг, С. Дж., Кан, М. Ю., Ким, С., Квон, Дж. К., и Кан, Б. С. (2020). Анализ генов-кандидатов показывает, что локус окраски плодов C1 соответствует PRR2 в перце (Capsicum frutescens). Фронт. Plant Sci. 11: 399. DOI: 10.3389 / fpls.2020.00399

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джуно П., Ле Лей П., Бёдди Б., Самсон Г. и Попович Р. (2002). Взаимосвязь структурных и функциональных изменений фотосинтетического аппарата при переходе хлоропласт-хромопласт в бутоне цветка Lilium longiflorum. Photochem. Photobiol. 75, 377–381. DOI: 10.1562 / 0031-865520020750377RBTSAF2.0.CO2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Какуши, А., Солимози, К., Бёдди, Б. (2017). Трансформация пластид в затененных почвой нижних сегментах гипокотиля фасоли (Phaseolus vulgaris) в течение 60-дневного периода культивирования. Physiol. Растение. 159, 483–491. DOI: 10.1111 / ppl.12519

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Канамото, Х., Ямасита, А., Асао, Х., Окумура, С., Такасе, Х., Хаттори, М. и др. (2006). Эффективная и стабильная трансформация Lactuca sativa L. cv. Циско (салатный) пластиды. Transgenic Res. 15, 205–217. DOI: 10.1007 / s11248-005-3997-2

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Килинг, П. Дж. (2013). Число, скорость и влияние пластидных эндосимбиозов в эволюции эукариот. Annu. Rev. Plant Biol. 64, 583–607. DOI: 10.1146 / annurev-arplant-050312-120144

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким, Х.С., Джи, К.Й., Ли, К.Дж., Ким, С.Е., Парк, С.С., и Квак, С.С. (2018). Апельсин: целевой ген, регулирующий гомеостаз каротиноидов и повышающий устойчивость растений к стрессу окружающей среды на маргинальных землях. J. Exp. Бот. 69, 3393–3400. DOI: 10.1093 / jxb / ery023

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким, Дж. Э., Ренсинг, К. Х., Дуглас, К. Дж. И Ченг, К. М. (2010). Ультраструктура хромопластов и оценочное содержание каротина во вторичной флоэме корней различных сортов моркови. Planta 231, 549–558.DOI: 10.1007 / s00425-009-1071-7

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Киндгрен, П., Норен, Л., Лопес, JdDB, Шайхали, Дж., И Стрэнд, Å (2012). Взаимодействие между белком теплового шока 90 и HY5 контролирует экспрессию PhANG в ответ на пластидный сигнал GUN5. Мол. Завод 5, 901–913. DOI: 10.1093 / mp / ssr112

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Поцелуй, Дж. З., Хертель, Р., Сак, Ф. Д. (1989). Амилопласты необходимы для полной гравитропной чувствительности корней Arabidopsis thaliana. Planta 177, 198–206. DOI: 10.1007 / BF003

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кнудсен, К., Галлаж, Н. Дж., Хансен, К. К., Мёллер, Б. Л., и Лаурсен, Т. (2018). Динамические метаболические решения сидячего образа жизни растений. Nat. Prod. Реп. 35, 1140–1155. DOI: 10.1039 / c8np00037a

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kwiatkowska, M., Stępiński, D., Popłońska, K., Wojtczak, A.и Полит Дж. (2010). «Элайопласты» Haemanthus albiflos — это настоящие липотубулоиды: цитоплазматические домены, богатые липидными тельцами, обвитыми микротрубочками. Acta Physiol. Растение. 32, 1189–1196. DOI: 10.1007 / s11738-010-0514-x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Квятковска, М., Степинский, Д., Поплонска, К., Войтчак, А., и Полит, Дж. (2011). «Элайопласты», идентифицированные как липотубулоиды у Althaea rosea, Funkia sieboldiana и Vanilla planifolia, содержат липидные тела, связанные с микротрубочками. Acta Soc. Бот. Pol. 80, 211–219. DOI: 10.5586 / asbp.2011.036

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ладыгин В., Бондарев Н., Семенова Г., Смолов А., Решетняк О., Носов А. М. (2008). Ультраструктура хлоропластов, активность фотосинтетического аппарата и продукция стевиоловых гликозидов в Stevia rebaudiana in vivo и in vitro. Biol. Завод 52, 9–16. DOI: 10.1007 / s10535-008-0002-y

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ларкин Р.М. (2014). Влияние пластид на световую сигнализацию и развитие. Philos. Пер. R. Soc. Лондон. B Biol. Sci. 369, 20130232.

Google Scholar

Лерстен, Н. Р., Члапински, А. Р., Кертис, Дж. Д., Фрекманн, Р., и Хорнер, Х. Т. (2006). Масляные тела в клетках мезофилла листа покрытосеменных: обзор и избранный обзор. Am. J. Bot. 93, 1731–1739. DOI: 10.3732 / ajb.93.12.1731

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Л., Лу, С., Охаллоран, Д. М., Гарвин, Д. Ф., и Вребалов, Дж. (2003). Генетическое и физическое картирование с высоким разрешением гена Or (оранжевый) с высоким содержанием β-каротина цветной капусты. Мол. Genet. Геном. 270, 132–138. DOI: 10.1007 / s00438-003-0904-5

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Либерс, М., Грюблер, Б., Шевалье, Ф., Лербс-Маш, С., Мерендино, Л., Бланвиллен, Р., и др. (2017). Регуляторные сдвиги в транскрипции пластид играют ключевую роль в морфологических превращениях пластид во время развития растений. Фронт. Plant Sci. 8:23. DOI: 10.3389 / fpls.2017.00023

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю X., Ли Ю. и Чжун С. (2017). Взаимодействие между светом и растительными гормонами в контроле биосинтеза хлорофилла проростков Arabidopsis. Фронт. Plant Sci. 8: 1433. DOI: 10.3389 / fpls.2017.01433

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Льоренте, Б., Мартинес-Гарсия, Дж. Ф., Штанге, К., и Родригес-Консепсьон, М.(2017). Цвета подсветки: регуляция биосинтеза и накопления каротиноидов светом. Curr. Opin. Plant Biol. 37, 49–55. DOI: 10.1016 / j.pbi.2017.03.011

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Льоренте Б., Торрес-Монтилья С., Морелли Л., Флорес-Сараса И., Матус Дж. Т., Эскерро М. и др. (2020). Синтетическое преобразование хлоропластов листа в пластиды, богатые каротиноидами, раскрывает механистическую основу естественного развития хромопластов. Proc. Natl. Акад. Sci. США 117, 21796–21803. DOI: 10.1073 / pnas.2004405117

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лопес-Хуэс, Э., и Пайк, К. А. (2004). Освобожденные пластиды: их развитие и их интеграция в развитие растений. Внутр. J. Dev. Биол. 49, 557–577. DOI: 10.1387 / ijdb.051997el

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Люй, П., Ю, С., Чжу, Н., Чен, Ю. Р., Чжоу, Б., Pan, Y., et al. (2018). Анализ кодирования генома раскрывает основу конвергентной эволюции созревания мясистых плодов. Nat. Растения 4, 784–791. DOI: 10.1038 / s41477-018-0249-z

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лу, С., Ван Эк, Дж., Чжоу, X., Лопес, А. Б., О’Халлоран, Д. М., Косман, К. М., и др. (2006). Ген Or цветной капусты кодирует белок, содержащий богатый цистеином домен DnaJ, который обеспечивает высокий уровень накопления β-каротина. Растительная клетка 18, 3594–3605.DOI: 10.1105 / tpc.106.046417

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ло, З., Чжан, Дж., Ли, Дж., Ян, К., Ван, Т., Оуян, Б., и др. (2013). Белок STAY-GREEN S l SGR 1 регулирует накопление ликопина и β-каротина, напрямую взаимодействуя с S l PSY 1 во время процессов созревания томатов. New Phytol. 198, 442–452. DOI: 10.1111 / nph.12175

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ма, Г., Чжан, Л., Китайя, Ю., Сеока, М., Кудака, Р., Яхата, М., и др. (2020). Синий светодиодный свет вызывает повторное растекание во флаведо апельсина Валенсии in vitro. Food Chem. 335, 127621. doi: 10.1016 / j.foodchem.2020.127621

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Маасс Д., Аранго Дж., Вюст Ф., Бейер П. и Велш Р. (2009). Образование кристаллов каротиноидов в арабидопсисе и корнях моркови вызвано повышенным уровнем белка фитоинсинтазы. PloS one 4: e6373.DOI: 10.1371 / journal.pone.0006373

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Майер, Э., Льоренте, Б., Родригес-Консепсьон, М., и Дарос, Дж. А. (2017). Перепрограммирование биосинтеза каротиноидов в растениях с использованием вирусного вектора. Sci. Реп. 7, 1–10. DOI: 10.1038 / srep41645

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Макино А. и Осмонд Б. (1991). Влияние азотного питания на распределение азота между хлоропластами и митохондриями гороха и пшеницы. Plant Physiol. 96, 355–362. DOI: 10.1104 / стр.96.2.355

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мартель, К., Вребалов, Дж., Тафельмейер, П., и Джованнони, Дж. Дж. (2011). Ингибитор созревания фактора транскрипции MADS-бокса томата взаимодействует с промоторами, участвующими во многих процессах созревания, БЕСЦВЕТНО-НЕЗАВИСИМЫМ образом. Plant Physiol. 157, 1568–1579. DOI: 10.1104 / стр.111.181107

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мартинес, К., Ньето, К., и Прат, С. (2018). Конвергентная регуляция PIF и E3-лигазы COP1 / SPA1 опосредует термосенсорное удлинение гипокотилей фитохромами растений. Curr. Opin. Plant Biol. 45, 188–203. DOI: 10.1016 / j.pbi.2018.09.006

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Matsushima, R., Maekawa, M., Kusano, M., Kondo, H., Fujita, N., Kawagoe, Y., et al. (2014). Локализованный в амилопласте белок НЕСТАНДАРТНОГО КРАХМАЛЬНОГО ЗЕРНА4 влияет на размер крахмальных зерен в эндосперме риса. Plant Physiol. 164, 623–636. DOI: 10.1104 / стр.113.229591

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мэйфилд, С. П., и Хафф, А. (1986). Накопление хлорофилла, хлоропластных белков и тилакоидных мембран во время реверсии хромопластов в хлоропласты у эпикарпа Citrus sinensis . Plant Physiol. 81, 30–35. DOI: 10.1104 / стр.81.1.30

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мортимер, К.Л., Мисава, Н., Перес-Фонс, Л., Робертсон, Ф. П., Харада, Х., Брамли, П. М. и др. (2017). Образование и секвестрация неэндогенных кетокаротиноидов у трансгенного Nicotiana glauca . Plant Physiol. 173, 1617–1635. DOI: 10.1104 / стр. 16.01297

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Наим М., Тетлоу И. и Эмес М. Дж. (1997). Синтез крахмала в амилопластах, очищенных из развивающихся клубней картофеля. Plant J. 11, 1095–1103.DOI: 10.1046 / j.1365-313X.1997.11051095.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Накамура, Х., Мурамацу, М., Хаката, М., Уэно, О., Нагамура, Ю., Хирочика, Х., и др. (2009). Эктопическая сверхэкспрессия фактора транскрипции OsGLK1 индуцирует развитие хлоропластов в незеленых рисовых клетках. Physiol. 50, 1933–1949. DOI: 10.1093 / pcp / pcp138

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нийоги, К. К. (2000). Предохранительные клапаны для фотосинтеза. Curr. Opin. Plant Biol. 3, 455–460. DOI: 10.1016 / S1369-5266 (00) 00113-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нийоги, К. К., Бьёркман, О., и Гроссман, А. Р. (1997). Роль специфических ксантофиллов в фотозащите. Proc. Natl. Акад. Sci. США 94, 14162–14167. DOI: 10.1073 / pnas.94.25.14162

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нотт А., Юнг Х.-С., Кусевицкий С. и Чори Дж. (2006).Ретроградная передача сигналов от пластида к ядру. Annu Rev. Plant Biol. 57, 739–759. DOI: 10.1146 / annurev.arplant.57.032905.105310

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Oleszkiewicz, T., Klimek-Chodacka, M., Milewska-Hendel, A., Zubko, M., Stró, D., Kurczyńska, E., et al. (2018). Уникальная организация хромопластов и экспрессия каротиноидных генов в каллусе моркови, богатой каротиноидами. Planta 248, 1455–1471. DOI: 10.1007 / s00425-018-2988-5

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пачек, А., Стпичиньская, М., Дэвис, К. Л., и Шимчак, Г. (2012). Цветочная структура элайофора у четырех представителей клады Ornithocephalus (Orchidaceae: Oncidiinae). Ann. Бот. 110, 809–820. DOI: 10.1093 / aob / mcs158

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пайк И., Хук Э. (2019). Фоторецепторы растений: многофункциональные сенсорные белки и их сигнальные сети. Семин. Cell Dev. Биол. 92, 114–121. DOI: 10.1016 / j.semcdb.2019.03.007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Паолилло Д., Гарвин Д. и Партасарати М. В. (2004). Хромопласты мутантов Or цветной капусты ( Brassica oleracea L. var. Botrytis). Протоплазма 224, 245–253. DOI: 10.1007 / s00709-004-0059-1

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Парк, Х., Кройнен, С. С., Каттрисс, А. Дж., Делла Пенна, Д., и Погсон, Б. Дж. (2002).Идентификация изомеразы каротиноидов дает представление о биосинтезе каротиноидов, формировании проламеллярных телец и фотоморфогенезе. Растительная клетка 14, 321–332. DOI: 10.1105 / tpc.010302

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Pipitone, R., Eicke, S., Pfister, B., Glauser, G., Falconet, D., Uwizeye, C., et al. (2021 г.). Многогранный анализ выявляет две различные фазы биогенеза хлоропластов во время деэтиоляции у Arabidopsis . e L ife 10: e62709. DOI: 10.7554 / eLife.62709

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Prebeg, T., Wrischer, M., Fulgosi, H., and Ljubeši, N. (2008). Ультраструктурная характеристика обратимой дифференцировки хлоропластов в плодах огурца. J. Plant Biol. 51, 122–131. DOI: 10.1007 / BF03030721

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Quilichini, T. D., Douglas, C.J., Samuels, A.Л. (2014). Новые взгляды на ультраструктуру тапетума и развитие экзины пыльцы у Arabidopsis thaliana . Ann. Бот. 114, 1189–1201. DOI: 10.1093 / aob / mcu042

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рейес-Прието А., Вебер А. П. и Бхаттачарья Д. (2007). Происхождение и создание пластид у водорослей и растений. Annu. Преподобный Жене. 41, 147–168. DOI: 10.1146 / annurev.genet.41.110306.130134

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рихтер Р., Берингер, К., Мюллер, И. К., и Швеххаймер, К. (2010). Факторы транскрипции GATA-типа GNC и GNL / CGA1 репрессируют передачу сигналов гиббереллина ниже по течению от белков DELLA и ФАКТОРОВ, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С ФИТОХРОМОМ. Genes Dev. 24, 2093–2104. DOI: 10.1101 / gad.594910

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Родермель С. (2001). Пути передачи сигналов от пластида к ядру. Trends Plant Sci. 6, 471–478. DOI: 10.1016 / S1360-1385 (01) 02085-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Родригес-Консепсьон, М., и Стэндж, К. (2013). Биосинтез каротиноидов в моркови: раскрывается подземная история. Arch. Biochem. Биофиз. 539, 110–116. DOI: 10.1016 / j.abb.2013.07.009

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Родригес-Вильялон, А., Гас, Э., и Родригес-Консепсьон, М. (2009). Активность фитоенсинтазы контролирует биосинтез каротиноидов и поставку их метаболических предшественников в проростках арабидопсиса , выращенных в темноте. Плант Дж. 60, 424–435. DOI: 10.1111 / j.1365-313X.2009.03966.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Rottet, S., Besagni, C., and Kessler, F. (2015). Роль пластоглобул в ремоделировании липидов тилакоидов в процессе развития растений. Biochim. Биофиз. Acta Bioenerget. 1847, 889–899. DOI: 10.1016 / j.bbabio.2015.02.002

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Rottet, S., Devillers, J., Glauser, G., Дуэ, В., Бесаньи, К., Кесслер, Ф. (2016). Идентификация пластоглобул как места расщепления каротиноидов. Фронт. Plant Sci. 7: 1855. DOI: 10.3389 / fpls.2016.01855

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Садали, Н. М., Соуден, Р. Г., Линг, К., и Джарвис, Р. П. (2019). Дифференциация хромопластов и других пластид растений. Rep. Клеток растений 38, 803–818. DOI: 10.1007 / s00299-019-02420-2

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сагисака, С.(2008). Разрастание амилопластов в меристематических клетках развивающихся столонов каллуса картофеля и яблони: предшественников пропластид. J. Plant Physiol. 165, 1678–1690. DOI: 10.1016 / j.jplph.2008.02.003

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Saijo, Y., Sullivan, J. A., Wang, H., Yang, J., Shen, Y., Rubio, V., et al. (2003). Взаимодействие COP1-SPA1 определяет критический шаг в опосредованной фитохромом регуляции активности HY5. Genes Dev. 17, 2642–2647. DOI: 10.1101 / gad.1122903

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сакамото В., Миягишима С. Ю. и Джарвис П. (2008). Биогенез хлоропластов: контроль развития пластид, импорта, деления и наследования белков. Книга Arabidopsis (Американское общество биологов растений, Роквилл) 6, e0110. DOI: 10.1199 / tab.0110

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Schweiggert, R.М., Штейнгасс, К. Б., Хеллер, А., Эскивель, П., и Карл, Р. (2011). Характеристика хромопластов и каротиноидов папайи с красной и желтой мякотью ( Carica papaya L.). Planta 234, 1031–1044. DOI: 10.1007 / s00425-011-1457-1

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Скотт Ф. М., Бистром Б. Г. и Боулер Э. (1963). Persea americana, клеточная структура мезокарпа, исследование с помощью светового и электронного микроскопа. Бот. Газ. 124, 423–428.DOI: 10.1086 / 336230

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шевчикова, Т., Хорак, А., Климеш, В., Збранкова, В., Демир-Хилтон, Э., Судек, С., и др. (2015). Обновление эволюционных взаимоотношений водорослей посредством секвенирования пластидного генома: появились ли альвеоляты пластиды в результате эндосимбиоза охрофита? Sci. Отчет 5: 10134. DOI: 10.1038 / srep10134

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шах, М., Соарес, Э. Л., Лима, М.Л., Пинейро, К. Б., Соарес, А. А., Домонт, Г. Б. и др. (2016). Глубокий протеомный анализ геронтопластов внутренних покровов развивающихся семян Jatropha curcas . J. Proteomics 143, 346–352. DOI: 10.1016 / j.jprot.2016.02.025

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сингх Р., Сингх С., Парихар П., Сингх В. П. и Прасад С. М. (2015). Ретроградная передача сигналов между пластидой и ядром: обзор. J. Plant Physiol. 181, 55–66. DOI: 10.1016 / j.jplph.2015.04.001

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Собещук-Новицка, Э., Ди Сандро, А., Дель Дука, С., Серафини-Фракассини, Д., и Легоцка, Дж. (2007). Полиамины, ассоциированные с пластид-мембраной, и тилакоидные трансглутаминазы во время трансформации этиопласта в хлоропласт, стимулируемой кинетином. Physiol. Завод 130, 590–600. DOI: 10.1111 / j.1399-3054.2007.00922.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Солис-Бадильо, Э., Агама-Асеведо, Э., Тиссен, А., Валенсуэла, Дж. А. Л., и Белло-Перес, Л. (2020). АДФ-глюкозо-пирофосфорилаза находится в пластиде и цитозоле мякоти тропических банановых фруктов ( Musa acuminata ). Растительная пища Hum. Nutr. 75, 76–82. DOI: 10.1007 / s11130-019-00788-w

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Солимози К., Мартинес К., Кристоф З., Сундквист К. и Бёдди Б. (2004). Пластидная дифференцировка и биосинтез хлорофилла в разных листовых слоях белокочанной капусты ( Brassica oleracea cv.capitata). Physiol. Растение. 121, 520–529. DOI: 10.1111 / j.0031-9317.2004.00349.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Solymosi, K., and Schoefs, B. (2010). Формирование этиопластов и этио-хлоропластов в естественных условиях: обратная сторона биосинтеза хлорофилла у покрытосеменных. Photosynth. Res. 105, 143–166. DOI: 10.1007 / s11120-010-9568-2

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Солымози К., Туба З., и Böddi, B. (2013). Трансформация десиккопласт – этиопласт – хлоропласт при регидратации высушенных листьев пойкилохлорофилла Xerophyta humilis в темноте и при последующем освещении. J. Plant Physiol. 170, 583–590. DOI: 10.1016 / j.jplph.2012.11.022

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сперлинг, У., Франк, Ф., ван Клев, Б., Фрик, Г., Апель, К., и Армстронг, Г. А. (1998). Дифференцировка этиопласта в Arabidopsis : и PORA, и PORB восстанавливают проламеллярное тело и фотоактивный протохлорофиллид-F655 фотоморфогенному мутанту cop1. Растительная клетка 10, 283–296. DOI: 10.1105 / tpc.10.2.283

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стивенсон П. Г., Фанкхаузер К. и Терри М. Дж. (2009). PIF3 является репрессором развития хлоропластов. Proc. Natl. Акад. Sci. США 106, 7654–7659. DOI: 10.1073 / pnas.0811684106

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сан, Т., и Ли, Л. (2020). К «золотой» эре: статус раскрытия регулятивного контроля накопления каротиноидов в растениях. Plant Sci. 290: 110331. DOI: 10.1016 / j.plantsci.2019.110331

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сунь Т., Юань Х., Цао Х., Яздани М., Тадмор Ю. и Ли Л. (2018). Метаболизм каротиноидов в растениях: роль пластид. Мол. Завод 11, 58–74. DOI: 10.1016 / j.molp.2017.09.010

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Sun, T., Zhou, F., Huang, X.-Q., Chen, W.-C., Kong, M.-J., Zhou, C.-F., Et al. (2019). ОРАНЖЕВЫЙ подавляет биогенез хлоропластов в этиолированных семядолях Arabidopsis посредством взаимодействия с TCP14. Растительная клетка 31, 2996–3014. DOI: 10.1105 / TPC.18.00290

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Судзуки Т., Цунекава С., Коидзука К., Ямамото К., Имамура Дж., Накамура К. и др. (2013). Развитие и распад тапетум-специфических липид-аккумулирующих органелл, элайопластов и тапетосом в Arabidopsis thaliana и Brassica napus . Plant sci. 207, 25–36. DOI: 10.1016 / j.plantsci.2013.02.008

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тан, X., Мяо, M., Niu, X., Zhang, D., Cao, X., Jin, X., et al. (2016). Конъюгированная с убиквитином деградация золотого 2-подобного фактора транскрипции опосредуется комплексом E 3 лигазы на основе CUL 4-DDB 1 в томате. New Phytol. 209, 1028–1039. DOI: 10.1111 / Nph.13635

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Таниос, С., Эйлс, А., Тегг, Р., Уилсон, К. (2018). Озеленение клубней картофеля: обзор предрасполагающих факторов, управление и будущие задачи. Am. J. Potato Res. 95, 248–257. DOI: 10.1007 / s12230-018-9648-y

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тейос, Р. И., Меркадо, А. В., и Мейзел, Л. А. (2010). Анализ флуоресценции хлорофилла выявляет стадийные паттерны хлоропластсодержащих клеток во время эмбриогенеза Arabidopsis . Biol. Res. 43, 99–111. DOI: 10.4067 / S0716-97602010000100012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Томсон В. и Уотли Дж. М. (1980). Развитие незеленых пластид. Annu. Rev. Plant Physiol. 31, 375–394. DOI: 10.1146 / annurev.pp.31.060180.002111

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Толедо-Ортис, Г., Йоханссон, Х., Ли, К. П., Боу-Торрент, Дж., Стюарт, К., Стил, Г. и др. (2014). Регуляторный модуль HY5-PIF координирует световой и температурный контроль транскрипции фотосинтетического гена. PLoS Genet. 10: e1004416. DOI: 10.1371 / journal.pgen.1004416

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тоошима, Ю., Онда, Ю., Шиина, Т., и Накахира, Ю. (2005). Транскрипция пластид у высших растений. Crit. Rev. Plant Sci. 24, 59–81. DOI: 10.1080 / 073526805

438

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, Х., Ма, Л. Г., Ли, Дж. М., Чжао, Х. Ю. и Дэн, X. W. (2001). Прямое взаимодействие криптохромов Arabidopsis с COP1 при разработке контроля освещенности. Наука 294, 154–158. DOI: 10.1126 / science.1063630

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, P., Fouracre, J., Kelly, S., Karki, S., Gowik, U., Aubry, S., et al. (2013). Эволюция функции гена GOLDEN2-LIKE у растений C 3 и C 4. Planta 237, 481–495. DOI: 10.1007 / s00425-012-1754-3

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, X., Сунь, Ф., Хан, К., Чен, К., Ян, X., Ченг, Дж., и другие. (2020). E-2-гексеналь играет важную роль в трансформации структур внутренней мембраны, активируемых каротиноидами, в хлоропластах. Authorea doi: 10.22541 / au.158316318.85083277

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wei, N., Kwok, S. F., von Arnim, A. G., Lee, A., McNellis, T. W., Piekos, B., et al. (1994). Arabidopsis Гены COP8, COP10 и COP11 участвуют в подавлении фотоморфогенного развития в темноте. Растительная клетка 6, 629–643.DOI: 10.1105 / tpc.6.5.629

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Welsch, R., Zhou, X., Koschmieder, J., Schlossarek, T., Yuan, H., Sun, T., et al. (2020). Характеристика мутантных вариантов OR цветной капусты. Фронт. Plant Sci. 10: 1716. DOI: 10.3389 / fpls.2019.01716

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уэлш Р., Чжоу X., Юань Х., Альварес Д., Сан Т., Шлоссарек Д. и др. (2018). Clp протеаза и OR непосредственно контролируют протеостаз фитоенсинтазы, критического фермента биосинтеза каротиноидов в Arabidopsis . Мол. Завод 11, 149–162. DOI: 10.1016 / j.molp.2017.11.003

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уотли, Дж. М. (1978). Предлагаемый цикл взаимоотношений развития пластид. New Phytol. 80, 489–502. DOI: 10.1111 / j.1469-8137.1978.tb01581.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wicke, S., Schneeweiss, G. M., Depamphilis, C. W., Müller, K. F., and Quandt, D. (2011). Эволюция пластидной хромосомы наземных растений: состав генов, порядок генов, функция генов. Завод Мол. Биол. 76, 273–297.

Google Scholar

Мудрый, Р. Р. (2007). «Разнообразие форм и функций пластид», in The Structure and Function of Plastids , Vol. 23, ред. Р. Р. Уайза и Дж. К. Хубера (Дордрехт: Спрингер), 3–26. DOI: 10.1007 / 978-1-4020-4061-0_1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wrischer, M., и Devide, Z. (2002). Хромопласты — последние стадии развития пластид. Внутр. J. Dev. Биол. 35, 251–258.

Google Scholar

Вуртцель, Э. Т., Каттрисс, А., Валлабханени, Р. (2012). Провитамин А каротиноидов кукурузы, текущие ресурсы и будущие проблемы метаболической инженерии. Фронт. Plant Sci. 3:29. DOI: 10.3389 / fpls.2012.00029

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Xie, Y., Kang, R., Sun, X., Zhong, M., Huang, J., Klionsky, D. J., et al. (2015). Посттрансляционная модификация белков, связанных с аутофагией, в макроаутофагии. Аутофагия 11, 28–45. DOI: 10.4161 / 15548627.2014.984267

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ядав Д., Земах Х., Белаусов Э. и Чаруви Д. (2019). Начальная дифференцировка пропластидов в хлоропласты в апикальной меристеме развивающихся вегетативных побегов Arabidopsis . Biochem. Биофиз. Res. Commun. 519, 391–395. DOI: 10.1016 / j.bbrc.2019.09.019

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Янг, Дж., Лин Р., Салливан Дж., Хоккер У., Лю Б., Сюй Л. и др. (2005). Свет регулирует COP1-опосредованную деградацию HFR1, фактора транскрипции, необходимого для передачи световых сигналов в Arabidopsis . Растительная клетка 17, 804–821. DOI: 10.1105 / tpc.104.030205

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ye, X., Al-Babili, S., Klöti, A., Zhang, J., Lucca, P., Beyer, P., et al. (2000). Разработка пути биосинтеза провитамина А (β-каротина) в эндосперм риса (не содержащий каротиноидов). Наука 287, 303–305. DOI: 10.1126 / science.287.5451.303

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ю, М. К., Ли, Й. Дж., Ким, Дж. К., Бэк, С. А., Чон, Ю. А., Лим, С. Х. и др. (2020). Органоспецифическая дифференциальная роль DXS и DXR риса, первых двух ферментов пути MEP, в метаболизме каротиноидов в листьях и семенах Oryza sativa. BMC Plant Biol. 20: 167. DOI: 10.1186 / s12870-020-02357-9

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжан, К., Zhang, J., Tang, Y., Liu, K., Liu, Y., Tang, J., et al. (2020). DEEP GREEN PANICLE1 подавляет активность GOLDEN2-LIKE, снижая синтез хлорофилла в чешуях риса. Plant Physiol. 185, 469–477. DOI: 10.1093 / plphys / kiaa038

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhang, J., Hu, Z., Yao, Q., Guo, X., Nguyen, V., Li, F., et al. (2018). Белок MADS-бокса томата SlCMB1 регулирует биосинтез этилена и накопление каротиноидов во время созревания плодов. Sci. Реп. 8, 1–15. DOI: 10.1038 / s41598-017-17765-5

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжан М. К., Чжан М. П., Мазурек М., Тадмор Ю. и Ли Л. (2014). Нормативный контроль накопления каротиноидов в зимних кабачках при хранении. Planta 240, 1063–1074. DOI: 10.1007 / s00425-014-2147-6

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжун, С., Чжао, М., Ши, Т., Ши, Х., Ан, Ф., Чжао, К., и другие. (2009). EIN3 / EIL1 взаимодействуют с PIF1, чтобы предотвратить фотоокисление и способствовать озеленению проростков Arabidopsis . Proc. Natl. Акад. Sci. США 106, 21431–21436. DOI: 10.1105 / tpc.17.00508

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhu, M., Lin, J., Ye, J., Wang, R., Yang, C., Gong, J., et al. (2018). Комплексный протеомный анализ элайопластов цитрусовых дает представление о биогенезе и функции элайопластов. Hortic. Res. 5, 1–11. DOI: 10.1038 / s41438-017-0014-x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хлоропластов и других пластидов — Клетка

Хлоропласты, органеллы, ответственные за фотосинтез, во многих отношениях похожи на митохондрии. И хлоропласты, и митохондрии генерируют метаболическую энергию, развиваемую эндосимбиозом, содержат свои собственные генетические системы и размножаются путем деления. Однако хлоропласты больше и сложнее митохондрий, и они выполняют несколько важных задач в дополнение к генерации АТФ.Наиболее важно то, что хлоропласты ответственны за фотосинтетическое преобразование CO 2 в углеводы. Кроме того, хлоропласты синтезируют аминокислоты, жирные кислоты и липидные компоненты своих собственных мембран. Восстановление нитрита (NO 2 ) до аммиака (NH 3 ), важная стадия включения азота в органические соединения, также происходит в хлоропластах. Более того, хлоропласты являются лишь одним из нескольких типов связанных органелл (пластид), которые играют различные роли в растительных клетках.

Структура и функция хлоропластов

Хлоропласты растений — это большие органеллы (длиной от 5 до 10 мкм), которые, как и митохондрии, ограничены двойной мембраной, называемой оболочкой хлоропласта (). Помимо внутренней и внешней мембран оболочки, хлоропласты имеют третью внутреннюю мембранную систему, называемую тилакоидной мембраной. Тилакоидная мембрана образует сеть уплощенных дисков, называемых тилакоидами, которые часто расположены в стопки, называемые грана. Из-за этой трехмембранной структуры внутренняя организация хлоропластов более сложна, чем у митохондрий.В частности, их три мембраны делят хлоропласты на три отдельных внутренних компартмента: (1) межмембранное пространство между двумя мембранами оболочки хлоропласта; (2) строма , которая находится внутри оболочки, но вне тилакоидной мембраны; и (3) просвет тилакоида.

Рисунок 10.13

Структура хлоропласта. Помимо внутренней и внешней мембран оболочки, хлоропласты содержат третью внутреннюю мембранную систему: тилакоидную мембрану.Эти мембраны делят хлоропласты на три внутренних отсека. (Электронная микрофотография (подробнее …)

Несмотря на эту большую сложность, мембраны хлоропластов имеют явное функциональное сходство с мембранами митохондрий — как и ожидалось, учитывая роль обеих органелл в хемиосмотической генерации АТФ. Оболочка хлоропласта, как и оболочка митохондрий, содержит порины и поэтому свободно проницаема для небольших молекул, тогда как внутренняя мембрана непроницаема для ионов и метаболитов, которые, следовательно, могут проникать в хлоропласты только через определенные мембранные переносчики.Эти свойства внутренней и внешней мембран оболочки хлоропласта аналогичны свойствам внутренней и внешней мембран митохондрий: в обоих случаях внутренняя мембрана ограничивает прохождение молекул между цитозолем и внутренней частью органеллы. Строма хлоропласта также эквивалентна функции митохондриального матрикса: она содержит генетическую систему хлоропласта и множество метаболических ферментов, включая те, которые отвечают за критическое превращение CO 2 в углеводы во время фотосинтеза.

Основное различие между хлоропластами и митохондриями с точки зрения как структуры, так и функции, заключается в тилакоидной мембране. Эта мембрана имеет центральное значение в хлоропластах, где она выполняет роль внутренней митохондриальной мембраны в транспорте электронов и хемиосмотической генерации АТФ (2). Внутренняя мембрана оболочки хлоропласта (которая не свернута в кристы) не участвует в фотосинтезе. Вместо этого система транспорта электронов хлоропласта расположена в тилакоидной мембране, и протоны перекачиваются через эту мембрану от стромы к просвету тилакоида.Результирующий электрохимический градиент затем запускает синтез АТФ, когда протоны возвращаются обратно в строму. Таким образом, тилакоидная мембрана хлоропластов по своей роли в генерации метаболической энергии эквивалентна внутренней мембране митохондрий.

Рис. 10.14

Хемиосмотическое образование АТФ в хлоропластах и ​​митохондриях. В митохондриях транспорт электронов создает градиент протонов через внутреннюю мембрану, который затем используется для управления синтезом АТФ в матриксе.В хлоропластах протонный градиент составляет (подробнее …)

Геном хлоропластов

Подобно митохондриям, хлоропласты содержат свою собственную генетическую систему, отражающую их эволюционное происхождение от фотосинтезирующих бактерий. Геномы хлоропластов похожи на геномы митохондрий в том, что они состоят из кольцевых молекул ДНК, присутствующих в нескольких копиях на органеллу. Однако геномы хлоропластов больше и сложнее, чем геномы митохондрий, от 120 до 160 т.п.н. и содержат примерно 120 генов.

Геномы хлоропластов нескольких растений были полностью секвенированы, что привело к идентификации многих генов, содержащихся в ДНК органелл. Эти гены хлоропластов кодируют как РНК, так и белки, участвующие в экспрессии генов, а также различные белки, участвующие в фотосинтезе (). И рибосомная, и транспортная РНК, используемые для трансляции мРНК хлоропластов, кодируются геномом органелл. К ним относятся четыре рРНК (23S, 16S, 5S и 4.5S) и 30 видов тРНК.В отличие от меньшего количества тРНК, кодируемых митохондриальным геномом, тРНК хлоропластов достаточны для трансляции всех кодонов мРНК в соответствии с универсальным генетическим кодом. Помимо этих РНК-компонентов системы трансляции, геном хлоропласта кодирует около 20 рибосомных белков, которые составляют примерно треть белков рибосом хлоропласта. Некоторые субъединицы РНК-полимеразы также кодируются хлоропластами, хотя в ядре кодируются дополнительные субъединицы РНК-полимеразы и другие факторы, необходимые для экспрессии гена хлоропластов.

Геном хлоропласта также кодирует приблизительно 30 белков, которые участвуют в фотосинтезе, включая компоненты фотосистем I и II, комплекса цитохрома bf и АТФ-синтазы. Кроме того, одна из субъединиц рибулозобисфосфаткарбоксилазы (рубиско) кодируется хлоропластной ДНК. Рубиско является критическим ферментом, который катализирует добавление CO 2 к рибулозо-1,5-бисфосфату во время цикла Кальвина (см.). Это не только основной белковый компонент стромы хлоропласта, но и самый распространенный белок на Земле, поэтому примечательно, что одна из его субъединиц кодируется геномом хлоропласта.

Импорт и сортировка белков хлоропластов

Хотя хлоропласты кодируют больше собственных белков, чем митохондрии, около 90% белков хлоропластов по-прежнему кодируются ядерными генами. Как и митохондрии, эти белки синтезируются на цитозольных рибосомах, а затем импортируются в хлоропласты в виде законченных полипептидных цепей. Затем они должны быть отсортированы в подходящее место внутри хлоропластов — еще более сложная задача, чем сортировка белков в митохондриях, поскольку хлоропласты содержат три отдельные мембраны, которые разделяют их на три отдельных внутренних компартмента.

Импорт белка в хлоропласты в целом напоминает импорт митохондриального белка (). Белки нацелены на импорт в хлоропласты с помощью N-концевых последовательностей от 30 до 100 аминокислот, называемых транзитными пептидами , которые направляют транслокацию белка через две мембраны оболочки хлоропласта и затем удаляются протеолитическим расщеплением. Транзитные пептиды распознаются комплексом транслокации внешнего члена хлоропласта (комплекс Toc), и белки транспортируются через этот комплекс через мембрану.Затем они переносятся в комплекс транслокации внутренней мембраны (комплекс Tic) и транспортируются через внутреннюю мембрану к строме. Как и в митохондриях, молекулярные шапероны на цитозольной и стромальной сторонах оболочки необходимы для импорта белка, который требует энергии в форме АТФ. Однако, в отличие от предследовательностей митохондриального импорта, транзитные пептиды не заряжены положительно, и для транслокации полипептидных цепей в хлоропласты не требуется электрический потенциал через мембрану.

Рисунок 10.15

Импорт белка в строму хлоропласта. Белки нацелены на импорт в хлоропласты с помощью транзитного пептида на их аминоконце. Транзитный пептид направляет транслокацию полипептида через комплекс Toc на внешней мембране хлоропласта (подробнее …)

Белки, включенные в просвет тилакоида, транспортируются к месту назначения в два этапа (). Они сначала импортируются в строму, как уже описано, а затем нацелены на транслокацию через тилакоидную мембрану с помощью второй гидрофобной сигнальной последовательности, которая экспонируется после расщепления транзитного пептида.Гидрофобная сигнальная последовательность направляет транслокацию полипептида через тилакоидную мембрану и, наконец, удаляется вторым протеолитическим расщеплением внутри просвета.

Рисунок 10.16

Импорт белков в просвет тилакоидов. Белки импортируются в просвет тилакоидов в два этапа. Первым шагом является импорт в строму хлоропласта, как показано на рис. 10.15. Затем расщепление транзитного пептида открывает второй гидрофобный (подробнее …)

Пути сортировки белков к другим четырем отсекам хлоропластов — внутренней и внешней мембранам, тилакоидной мембране и межмембранному пространству — менее изучены.Как и в случае с митохондриями, белки, по-видимому, вставляются непосредственно во внешнюю мембрану оболочки хлоропласта. Напротив, белки, предназначенные либо для тилакоидной мембраны, либо для внутренней мембраны оболочки хлоропласта, изначально нацелены на импорт в строму N-концевыми транзитными пептидами. После расщепления транзитных пептидов эти белки затем становятся мишенью для вставки в соответствующую мембрану с помощью других последовательностей, которые еще недостаточно охарактеризованы. Наконец, ни последовательности, которые нацелены на белки в межмембранное пространство, ни пути, по которым они перемещаются к этому месту назначения, не были идентифицированы.

Другие пластиды

Хлоропласты — это только один, хотя и самый заметный член большого семейства органелл растений, называемых пластидами. Все пластиды содержат тот же геном, что и хлоропласты, но различаются как по структуре, так и по функциям. Хлоропласты специализируются на фотосинтезе и уникальны тем, что содержат внутреннюю тилакоидную мембранную систему. Другие пластиды, которые участвуют в различных аспектах метаболизма растительных клеток, ограничены двумя мембранами пластидной оболочки, но лишены как тилакоидных мембран, так и других компонентов фотосинтетического аппарата.

Различные типы пластид часто классифицируются в зависимости от содержащихся в них пигментов. Хлоропласты названы так потому, что содержат хлорофилл. Хромопласты () не содержат хлорофилла, но содержат каротиноиды; они отвечают за желтый, оранжевый и красный цвет некоторых цветов и фруктов, хотя их точная функция в метаболизме клеток не ясна. Лейкопласты — это непигментированные пластиды, которые хранят различные источники энергии в нефотосинтетических тканях. Амилопласты () и элайопласты являются примерами лейкопластов, которые накапливают крахмал и липиды, соответственно.

Рисунок 10.17

Электронные микрофотографии хромопластов и амилопластов. (A) Хромопласты содержат липидные капли, в которых хранятся каротноиды. (B) Амилопласты содержат большие гранулы крахмала. (A, Biophoto Associates / Photo Researchers, Inc .; B, доктор Джереми Берджесс / Фото (подробнее …)

Все пластиды, включая хлоропласты, развиваются из пропластидов , маленькие (0.5-1 мкм в диаметре) недифференцированные органеллы, присутствующие в быстро делящихся клетках корней и побегов растений. Затем пропластиды развиваются в различные типы зрелых пластид в соответствии с потребностями дифференцированных клеток. Кроме того, зрелые пластиды способны переходить от одного типа к другому. Хромопласты развиваются из хлоропластов, например, во время созревания фруктов (например, томатов). Во время этого процесса разрушаются хлорофилл и тилакоидные мембраны, при этом синтезируются новые типы каротиноидов.

Интересной особенностью пластид является то, что их развитие контролируется как сигналами окружающей среды, так и внутренними программами дифференцировки клеток. Например, в фотосинтетических клетках листьев пропластиды превращаются в хлоропласты (). Во время этого процесса тилакоидная мембрана формируется пузырьками, отпочковывающимися от внутренней мембраны пластидной оболочки, и различные компоненты фотосинтетического аппарата синтезируются и собираются. Однако хлоропласты развиваются только при наличии света.Если растения содержатся в темноте, развитие пропластидов в листьях останавливается на промежуточной стадии (называемой этиопластами ), на которой образуется полукристаллический массив трубчатых внутренних мембран, но хлорофилл не синтезируется (). Если затем выращенные в темноте растения подвергнуть воздействию света, этиопласты продолжат свое развитие до хлоропластов. Примечательно, что этот двойной контроль развития пластид включает скоординированную экспрессию генов как в пластидном, так и в ядерном геномах.Механизмы, ответственные за такую ​​скоординированную экспрессию генов, в значительной степени неизвестны, и их выяснение представляет собой сложную проблему в молекулярной биологии растений.

Рисунок 10.18

Развитие хлоропластов. Хлоропласты развиваются из пропластидов в фотосинтетических клетках листьев. Пропластиды содержат только внутреннюю и внешнюю оболочки оболочки; тилакоидная мембрана образуется за счет отпочкования пузырьков от внутренней мембраны во время (подробнее …)

Рисунок 10.19

Электронная микрофотография этиопласта.(Джон Н. А. Лотт / Служба биологических фотографий.)

Различная роль пластидов в росте и развитии растений | Физиология растений и клетки

Аннотация

Пластиды, обнаруженные в растениях и некоторых паразитах, имеют эндосимбиотическое происхождение. Наиболее охарактеризованной пластидой является хлоропласт растительной клетки. Пластиды обеспечивают важные метаболические и сигнальные функции, такие как фотосинтетический процесс в хлоропластах. Однако роль пластидов не ограничивается выработкой метаболитов.Пластиды влияют на многочисленные аспекты роста и развития растений через биогенез, варьируя функциональные состояния и метаболическую активность. Примеры включают, но не ограничиваются ими, эмбриогенез, развитие листьев, гравитропизм, температурный отклик и взаимодействия растений с микробами. В этом обзоре мы суммируем разностороннюю роль пластид в росте и развитии растений.

Введение

Пластиды представляют собой разнообразную группу органелл, обнаруживаемых в растениях и некоторых паразитах, и происходят от фотосинтезирующего бактериального эндосимбионта (Dyall et al.2004 г.). Архетипическая пластида — хлоропласт, обнаруженный в фотосинтетических клетках; однако пластиды наземных растений приобрели способность дифференцироваться в специализированные пластидные типы в различных тканях и типах клеток. Например, хромопласты являются преобладающей формой пластид в тканях плодов, а амилопласты — основным типом пластид в органах хранения (Staehelin and Newcomb 2000). Большинство этих пластид могут взаимопревращаться при определенных условиях развития или окружающей среды.Кроме того, в меристематических клетках обнаружены пропластиды, которые служат предшественниками других пластид. Пластиды обычно окружены двумя мембранами, внешней и внутренней оболочками, которые, как считается, произошли от бактериального предка. Хотя пластиды, обнаруженные в наземных растениях, больше не содержат пептидогликана, мох, Physcomitrella patens , по-прежнему сохраняет гены биосинтеза пептидогликана (Machida et al. 2006, Homi et al. 2009, Takano and Takechi 2010). Другие организмы, такие как эвглениды, приобрели пластиды в результате вторичного эндосимбиоза и имеют дополнительные мембраны (Archibald 2009).Тем не менее, все пластиды, как полагают, произошли от общего предка, который был включен в эукариотическую клетку около 1,2–1,5 миллиарда лет назад (Dyall et al. 2004, Archibald 2009).

Поскольку очистка пластид от растительных клеток относительно проста (например, Packer and Douce, 1987), ряд исследований был сосредоточен на метаболических путях и биохимической функции полипептидов, расположенных в этих органеллах. Кроме того, генетические данные последних лет показали, что пластидные белки играют ключевую роль в регуляции развития растений.Примечательно, что многие из этих правил развития не имеют прямого отношения к фотосинтезу. В этом обзоре суммируется разносторонняя роль пластид в росте и развитии растений, а также ключевые процессы биогенеза и поддержания пластид. Другие всесторонние обзоры охватывают широкие аспекты функции пластид (Sakamoto et al. 2008, Woodson and Chory 2008, Waters and Langdale 2009, Li and Chiu 2010), а ограниченное пространство не позволяет нам обеспечить адекватный охват всех аспектов биогенеза пластид и развития растений. .

Биогенез и поддержание хлоропластов / пластид

Архетипическая пластида, хлоропласт, предположительно содержит около 3000 различных белков. Однако большинство генов, кодируемых бактериальным предком, было перенесено в ядерный геном хозяина. В настоящее время пластидный геном наземных растений кодирует всего ∼100 генов. Следовательно, посттрансляционный импорт кодируемых ядром пластидных белков в пластиды необходим для биогенеза пластид (Kessler and Schnell 2009).Как правило, большинство этих белков продуцируются как белки-предшественники, которые обычно содержат «транзитный пептид», который необходим и достаточен для доставки белка в пластиды. Транзитный пептид находится на N-конце предшественника и в конечном итоге расщепляется внутри пластиды. Импорт транзитных пептид-зависимых белков опосредуется механизмом TOC-TIC (рис. 1), который состоит из рецептивных компонентов, каналов, молекулярных шаперонов и других дополнительных белков (Soll and Schleiff 2004, Inaba and Schnell 2008, Jarvis 2008, p. Ли и Чиу 2010).Компоненты аппарата TOC – TIC имеют как эукариотическое, так и прокариотическое происхождение. Анализ in vivo мутантов Arabidopsis toc и tic подтверждает гипотезу о том, что механизм TOC-TIC является ключом к импорту пластидных белков (Jarvis et al. 1998, Bauer et al. 2000, Chou et al. 2003, Baldwin et al. 2005 г., Инаба и др. 2005 г.). Недавние исследования показали наличие нескольких дополнительных путей импорта пластидных белков. Например, Tic32 (Nada, Soll, 2004) и ceQORH (Miras et al.2007), в которых, по-видимому, отсутствуют расщепляемые транзитные пептиды, импортируются в хлоропласты как in vivo, так и in vitro. Локализованные в пластидах гликопротеины доставляются через секреторный путь (Villarejo et al. 2005, Nanjo et al. 2006, Kitajima et al. 2009). Таким образом, импорт белка в пластиды кажется более разнообразным, чем считалось ранее.

Рис. 1

Биогенез и поддержание хлоропластов / пластид в растительной клетке. Большинство пластидных белков кодируются ядром, поэтому импорт этих белков является предпосылкой для биогенеза пластид.Механизм TOC-TIC и другие пути ответственны за нацеливание белков на пластиды. В фотосинтетической ткани импорт белка хлоропласта и экспрессия кодируемых ядром белков хлоропласта координируются GUN1 и GLK1. Также были идентифицированы несколько других белков, участвующих в ретроградной передаче сигналов от пластид к ядру. Аппарат деления пластид также важен для поддержания пластид в клетках растений. Хотя эта модель возникла в результате исследований хлоропластов, другие пластиды также могут использовать аналогичные механизмы.PhANGs, ядерные гены, связанные с фотосинтезом.

Рис. 1

Биогенез и поддержание хлоропластов / пластид в растительной клетке. Большинство пластидных белков кодируются ядром, поэтому импорт этих белков является предпосылкой для биогенеза пластид. Механизм TOC-TIC и другие пути ответственны за нацеливание белков на пластиды. В фотосинтетической ткани импорт белка хлоропласта и экспрессия кодируемых ядром белков хлоропласта координируются GUN1 и GLK1.Также были идентифицированы несколько других белков, участвующих в ретроградной передаче сигналов от пластид к ядру. Аппарат деления пластид также важен для поддержания пластид в клетках растений. Хотя эта модель возникла в результате исследований хлоропластов, другие пластиды также могут использовать аналогичные механизмы. PhANGs, ядерные гены, связанные с фотосинтезом.

Для осуществления соответствующего биогенеза пластид в конкретном типе клеток необходимо координировать как импорт пластидных белков, так и экспрессию генов пластидных белков, кодируемых ядром (рис.1). В фотосинтетической ткани эта координация, вероятно, обеспечивается ретроградным сигнальным путем с участием GUN1, локализованного в пластидах белка пентатрикопептидных повторов, и GLK1 (Koussevitzky et al. 2007, Kakizaki et al. 2009, Inaba 2010). Белки GLK являются членами надсемейства факторов транскрипции GARP и координируют экспрессию набора ядерно-кодируемых генов, связанных с фотосинтезом (Nakamura et al. 2009, Waters et al. 2009). Эктопической сверхэкспрессии OsGLK1 достаточно для индукции развития хлоропластов в каллусах риса (Nakamura et al.2009 г.). Когда хлоропласты повреждены, GUN1 ингибирует экспрессию GLK1, которая, в свою очередь, репрессирует гены, связанные с фотосинтезом (Рис. 1). Поскольку экспрессия GLK1 индуцируется светом (Fitter et al. 2002), GLK1, вероятно, регулирует дифференцировку хлоропластов в ответ как на внешнюю, так и на внутриклеточную среду. Также оказывается, что другие компоненты, такие как ABI4 и EXECUTER, играют ключевую роль в регуляции ретроградной передачи сигналов от хлоропластов к ядру, что в первую очередь связано со стрессовой реакцией (Kim et al.2008, Вудсон и Чори 2008). Гораздо меньше известно о перекрестных помехах между другими пластидами и ядром; однако, согласно протеомному анализу, перекрестные помехи между этиопластами и ядром, по-видимому, активны даже в этиолированных тканях (Kanervo et al. 2008).

Другой важный процесс для биогенеза пластид — деление пластид (Рис. 1). Поскольку пластиды окружены внешней и внутренней мембранами оболочки, сжатие двух мембран и последующее слияние четырех липидных бислоев должно быть скоординировано.По крайней мере, четыре кольца, FtsZ, внутренний PD, внешний PD и динаминовые кольца, как было показано, участвуют в делении пластид у наземных растений (Glynn et al. 2007, Yang et al. 2008). К настоящему времени детально охарактеризованы кольца FtsZ и Dynamin. FtsZ является компонентом аппарата деления стромы, а его бактериальный аналог участвует в делении бактерий. Подавление генов FtsZ у Arabidopsis снижает количество клеточных хлоропластов (Osteryoung et al. 1998). Связанный с динамином белок, ARC5, локализуется в цитозоле и рекрутируется в сайт деления хлоропластов белками PDV (Miyagishima et al.2006 г., Glynn et al. 2008 г.). Хотя FtsZ и динаминовые кольца хорошо охарактеризованы, компоненты PD-колец еще не изучены подробно. Совсем недавно белок гликозилтрансферазы, обозначенный как PDR1, был выделен из PD-кольца хлоропластов Cyanidioschyzon merolae (Yoshida et al. 2010). Дальнейший анализ PDR1 у наземных растений откроет общий механизм деления хлоропластов. Гораздо меньше известно о делении в других типах пластид; однако и FtsZ, и ARC5, по-видимому, нацелены на амилопласт, указывая тем самым на их участие в делении этого типа пластид (Yun and Kawagoe 2009).

Разнообразные роли пластид в росте и развитии растений

Пластиды содержат множество важных метаболических путей, и изменение функции пластид влияет на многие аспекты роста и развития растений. В самом деле, скрининг летальных мутантов проростков показал, что многие из этих мутантов несут повреждения в кодируемых ядром пластидных белках (Budziszewski et al. 2001). В течение последнего десятилетия были подробно изучены специфические фенотипы, вызванные потерей функции пластидных белков, в основном с использованием мутантов Arabidopsis.Исчерпывающий, но не исчерпывающий список примеров показан в Таблице 1 и кратко резюмирован ниже.

Таблица 1

Примеры роста и развития растений под воздействием пластидных белков a , b

. Идентифицированные гены . ссылку .
Эмбриогенез AARS гены Berg et al.(2005)
CLPR2 , CLPR4 , CLPR5 Kim et al. (2009)
CPN60 Apuya et al. (2001)
MGD1 Kobayashi et al. (2007)
TIC110 Inaba et al. (2005), Ковачева и др. (2005)
TOC75 Baldwin et al.(2005)
Развитие листьев VAR1 , VAR2 Chen et al. (2000), Takechi et al. (2000), Сакамото и др. (2002), Сакамото и др. (2009)
IM Carol et al. (1999), Wu et al. (1999)
Гравитропизм TOC75, TOC132 Stanga et al. (2009)
SEX1 Vitha et al.(2007)
PGM1 Kiss et al. (1989)
Оплодотворение c CRSH Masuda et al. (2008)
Термостойкость Ftsh21 Chen et al. (2006)
cpHsc70 Су и Ли (2008)
Hsp100 / ClpB Myouga et al.(2006), Ли и др. (2007)
Холодная акклиматизация COR15A Artus et al. (1996), Накаяма и др. (2007)
SFR2 Fourrier et al. (2008)
Развитие корня c GAPC Munoz-Bertomeu et al. (2009)
рибосомный белок S6 Horiguchi et al.(2003)
Симбиоз d CASTOR , POLLUX Imaizumi-Anraku et al. (2005), Banba et al. (2008)
. Идентифицированные гены . ссылку .
Эмбриогенез AARS гены Berg et al. (2005)
CLPR2 , CLPR4 , CLPR5 Kim et al.(2009)
CPN60 Apuya et al. (2001)
MGD1 Kobayashi et al. (2007)
TIC110 Inaba et al. (2005), Ковачева и др. (2005)
TOC75 Baldwin et al. (2005)
Развитие листьев VAR1 , VAR2 Chen et al.(2000), Takechi et al. (2000), Сакамото и др. (2002), Сакамото и др. (2009)
IM Carol et al. (1999), Wu et al. (1999)
Гравитропизм TOC75, TOC132 Stanga et al. (2009)
SEX1 Vitha et al. (2007)
PGM1 Kiss et al. (1989)
Оплодотворение c CRSH Masuda et al.(2008)
Термостойкость Ftsh21 Chen et al. (2006)
cpHsc70 Су и Ли (2008)
Hsp100 / ClpB Myouga et al. (2006), Ли и др. (2007)
Холодная акклиматизация COR15A Artus et al. (1996), Накаяма и др. (2007)
SFR2 Fourrier et al.(2008)
Развитие корня c GAPC Munoz-Bertomeu et al. (2009)
рибосомный белок S6 Horiguchi et al. (2003)
Симбиоз d CASTOR , POLLUX Imaizumi-Anraku et al. (2005), Banba et al. (2008)
Таблица 1

Примеры роста и развития растений, затронутых пластидными белками a , b

. Идентифицированные гены . ссылку .
Эмбриогенез AARS гены Berg et al. (2005)
CLPR2 , CLPR4 , CLPR5 Kim et al. (2009)
CPN60 Apuya et al. (2001)
MGD1 Kobayashi et al.(2007)
TIC110 Inaba et al. (2005), Ковачева и др. (2005)
TOC75 Baldwin et al. (2005)
Развитие листьев VAR1 , VAR2 Chen et al. (2000), Takechi et al. (2000), Сакамото и др. (2002), Сакамото и др. (2009)
IM Carol et al.(1999), Wu et al. (1999)
Гравитропизм TOC75, TOC132 Stanga et al. (2009)
SEX1 Vitha et al. (2007)
PGM1 Kiss et al. (1989)
Оплодотворение c CRSH Masuda et al. (2008)
Термостойкость Ftsh21 Chen et al.(2006)
cpHsc70 Су и Ли (2008)
Hsp100 / ClpB Myouga et al. (2006), Ли и др. (2007)
Холодная акклиматизация COR15A Artus et al. (1996), Накаяма и др. (2007)
SFR2 Fourrier et al. (2008)
Развитие корня c GAPC Munoz-Bertomeu et al.(2009)
рибосомный белок S6 Horiguchi et al. (2003)
Симбиоз d CASTOR , POLLUX Imaizumi-Anraku et al. (2005), Banba et al. (2008)
. Идентифицированные гены . ссылку .
Эмбриогенез AARS гены Berg et al.(2005)
CLPR2 , CLPR4 , CLPR5 Kim et al. (2009)
CPN60 Apuya et al. (2001)
MGD1 Kobayashi et al. (2007)
TIC110 Inaba et al. (2005), Ковачева и др. (2005)
TOC75 Baldwin et al.(2005)
Развитие листьев VAR1 , VAR2 Chen et al. (2000), Takechi et al. (2000), Сакамото и др. (2002), Сакамото и др. (2009)
IM Carol et al. (1999), Wu et al. (1999)
Гравитропизм TOC75, TOC132 Stanga et al. (2009)
SEX1 Vitha et al.(2007)
PGM1 Kiss et al. (1989)
Оплодотворение c CRSH Masuda et al. (2008)
Термостойкость Ftsh21 Chen et al. (2006)
cpHsc70 Су и Ли (2008)
Hsp100 / ClpB Myouga et al.(2006), Ли и др. (2007)
Холодная акклиматизация COR15A Artus et al. (1996), Накаяма и др. (2007)
SFR2 Fourrier et al. (2008)
Развитие корня c GAPC Munoz-Bertomeu et al. (2009)
рибосомный белок S6 Horiguchi et al.(2003)
Симбиоз d CASTOR , POLLUX Imaizumi-Anraku et al. (2005), Banba et al. (2008)

Эмбриогенез

Эмбриогенез — это самый первый этап развития растений. Хотя ранний эмбрион не содержит хлоропластов, он все же содержит пластиды. Таким образом, нарушение основной функции пластид часто нарушает эмбриогенез (Таблица 1).Например, легко предположить, что импорт пластидного белка важен даже на эмбриональной стадии. Потеря функции ключевых участников механизма TOC – TIC, таких как TOC75 и TIC110 , приводит к летальности эмбриона (Jarvis 2008). Сходным образом мутация в гене, кодирующем ключевой фермент биосинтеза галактолипидов, MGD1 , ставит под угрозу правильный эмбриогенез (Kobayashi et al. 2007). Мутации в других важных белках, таких как шапероны, протеазы и аминоацил-тРНК-синтаза, в пластидах также ставят под угрозу эмбриогенез (Таблица 1).Согласно недавним оценкам,> 30% генов, необходимых для правильного формирования эмбриона, кодируют нацеленные на пластиды белки (Hsu et al. 2010), подчеркивая важную роль пластид в эмбриогенезе.

Развитие листа

Биогенез пластид, особенно биогенез хлоропластов, влияет на развитие листа, поскольку хлоропласт служит фотосинтетическим аппаратом в тканях листа. Мутанты, дефектные по белку хлоропласта, часто проявляют фенотип альбиноса или бледно-желтого цвета (Myouga et al.2010). Поскольку существует очень много мутантов, проявляющих фенотипы альбиносов или бледно-желтых, мы не можем здесь подробно описать их. Вместо этого мы сосредотачиваемся на уникальном фенотипе листа — пестроте (таблица 1). У пестролистных мутантов зеленые сектора содержат нормальные хлоропласты, тогда как белые сектора содержат дисфункциональные хлоропласты (Sakamoto 2003). Этот фенотип проявляют immutans ( im ) и желтых пестрых ( var ) мутантов. Ген IM кодирует терминальную оксидазу пластид, аналогичную митохондриальной альтернативной оксидазе (AOX; Carol et al.1999, Wu et al. 1999), хотя точная функция белка IM остается неясной. Было показано, что у мутантов var отсутствует локализованная в пластидах протеаза FtsH (Chen et al. 2000, Takechi et al. 2000, Sakamoto et al. 2002), которая, как известно, участвует в деградации фотоповрежденных белков; недостаток FtsH вызывает фотообесцвечивание хлоропластов. Интересно, что отсутствие пластид в некоторых клетках не приводит к пестролистному фенотипу. Мутант crl , например, не пестрый, хотя он содержит клетки без детектируемых пластид (Chen et al.2009 г.).

Гравитропизм

Считается, что амилопласт, накапливающий крахмал, участвует в гравитропизме (Morita and Tasaka 2004, Morita 2010). Следовательно, мутация пластидных белков, влияющая на содержание крахмала в амилопласте, приводит к изменению гравитропного ответа (таблица 1). Мутант фосфоглюкомутазы ( pgm1 ) не может накапливать крахмал и не может опосредовать нормальный гравитропный ответ (Kiss et al. 1989). Напротив, мутант с избытком крахмала, sex1 , имеет поражение α-глюкан / водной дикиназой и проявляет повышенную чувствительность к гравистимуляции (Vitha et al.2007). Белки PGM1 и SEX1 локализованы в пластидах, что подчеркивает роль пластидных белков в гравитропизме. Интересно, что генетический скрининг мутантов, которые усиливают измененный ответ на мутантный фенотип ( agr1 ), выявил белки TOC в аппарате транслокации белков как возможный компонент передачи сигнала (Stanga et al. 2009). Ряд мутантов, дефектных в пути доставки пузырьков, был идентифицирован как побеговые гравитропные мутанты (Morita and Tasaka 2004, Morita 2010).Таким образом, эндомембраны также могут играть ключевую роль в гравитропизме, влияя на движение амилопластов внутри клетки.

Температурный отклик

Адаптация к внешним факторам окружающей среды, таким как температура, необходима для выживания растений (таблица 1), и некоторые пластидные белки, по-видимому, участвуют в температурной реакции. Например, известно, что локализованные в пластидах белки теплового шока влияют на термотолерантность арабидопсиса (Myouga et al. 2006, Lee et al.2007, Су и Ли 2008). Локализованная в пластидах металлопротеиназа, Ftsh21, также влияет на термотолерантность (Chen et al. 2006). Из этих примеров, контроль качества белка с помощью протеаз и шаперонов, локализованных в пластидах, кажется важным для термотолерантности. Точно так же гены COR15A, и SFR2 , оба из которых кодируют пластидные белки, влияют на адаптацию к низкой температуре (Artus et al. 1996, Nakayama et al. 2007, Fourrier et al. 2008). Роль COR15A и SFR2 в акклиматизации к холоду подтверждена трансгенными и генетическими исследованиями.Предполагается, что другие регулируемые холодом, еще не охарактеризованные, гены кодируют пластидные белки (Okawa et al. 2008). Таким образом, можно предположить, что ряд других пластидных белков может участвовать в температурной реакции.

Взаимодействие растений и микробов

Пластиды также играют ключевую роль во взаимодействиях между растениями и микробами (Таблица 1). Lotus japonicus мутанты, castor и поллукс не обладают способностью образовывать корневые клубеньки и симбиоз арбускулярной микориз.Идентификация генов CASTOR и POLLUX и характеристика их соответствующих белков показали, что и CASTOR, и POLLUX были нацелены на пластиды (Imaizumi-Anraku et al. 2005). Эти белки также были локализованы в ядре и проявляли активность ионных каналов при восстановлении в протеолипосомах (Charpentier et al. 2008). В случае бактериальной инфекции нацеливание кодируемых бактериями белков в пластиду, по-видимому, играет важную роль в стимулировании туморогенеза.Фермент биосинтеза цитокининов Agrobacterium tumefaciens , Tmr, нацелен на пластиды в отсутствие расщепляемого транзитного пептида и модифицирует биосинтез цитокининов в растении-хозяине (Sakakibara et al. 2005). Углубленный анализ нацеливания на белок Tmr может выявить молекулярный механизм нацеливания транзитного пептид-независимого белка на пластиды в целом и во взаимодействиях растение-микроб.

Перспективы на будущее

Биогенез пластид влияет на многие аспекты роста и развития растений.Для дальнейшего анализа роли пластид в развитии растений необходимо точное предсказание кодируемых ядром пластидных белков. С этой целью был использован протеомный подход и был идентифицирован ряд еще не охарактеризованных пластидных белков (Ferro et al. 2003, Froehlich et al. 2003, Friso et al. 2004, Kleffmann et al. 2004). По мере накопления полных геномных последовательностей подход сравнительной геномики может быть использован для предсказания белков эндосимбиотического происхождения (Ishikawa et al. 2009).

Роль пластид в развитии репродуктивных органов — интересная область исследований. Хотя мало исследований было сосредоточено на роли пластид в репродуктивном развитии, было показано, что взаимодействие между митохондриями и ядром играет ключевую роль в фертильности пыльцы (Chase 2007). Например, накопление цитотоксического пептида, кодируемого митохондриями, привело к цитоплазматической мужской стерильности риса (Kazama et al. 2008). Хотя есть несколько других примеров, которые иллюстрируют связь между функцией митохондрий и цитоплазматической мужской стерильностью (Fujii and Toriyama 2008a, Fujii and Toriyama 2008b, Fujii et al.2009), гораздо меньше известно о роли пластид в развитии пыльцы. Недавно пластиды пыльцы были визуализированы с помощью белка, помеченного зеленым флуоресцентным белком (GFP), что позволило визуализировать пластид пыльцы in vivo в реальном времени (Tang et al. 2009). Дальнейший анализ пластид в пыльце, визуализированных GFP, рассмотрит роль пластид в развитии репродуктивных органов.

Возможно, следует уделять больше внимания синергетическому действию пластид и митохондрий на рост и развитие растений, поскольку эти органеллы обмениваются метаболитами.Хорошим примером является потребность в митохондриальном разобщающем белке для эффективного фотосинтеза (Sweetlove et al. 2006). У мутанта var2 , дефектного по пластидной протеазе FtsH, митохондриальная AOX активируется (Yoshida et al. 2008). Также кажется, что митохондриальные ретроградные сигнальные пути используют ABI4 для регуляции экспрессии AOX1a в ядре (Giraud et al. 2009), подтверждая ABI4-опосредованное взаимодействие между пластидными и митохондриальными ретроградными сигнальными путями.Таким образом, дальнейший анализ этих органелл, происходящих из эндосимбионтов, предоставит новое понимание их роли в росте и развитии растений.

Финансирование

Эта работа была поддержана Министерством образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии [Специальный координационный фонд содействия развитию науки и технологий]; Университет Миядзаки [грант на научные исследования в приоритетных областях].

Сокращения

    Сокращения

  • AOX

  • GFP

    зеленый флуоресцентный белок

  • TIC

    транслокон на внутренней мембране оболочки хлоропласта

  • TOC

    TOC на внешней оболочке хлоропласта.

Список литературы

,,,,,.

Мутантный эмбрион Arabidopsis schlepperless имеет дефект в гене шаперонина-60альфа

,

Plant Physiol.

,

2001

, т.

126

(стр.

717

730

).

Загадка эволюции пластид

,

Curr. Биол.

,

2009

, т.

19

(стр.

R81

R88

),,,,,.

Конститутивная экспрессия регулируемого холодом гена COR15a Arabidopsis thaliana влияет на устойчивость к замораживанию как хлоропластов, так и протопластов

,

Proc.Natl Acad. Sci. США

,

1996

, т.

93

(стр.

13404

13409

),,,,, и др.

Молекулярно-генетическое исследование семейства генов Toc75 Arabidopsis

,

Plant Physiol.

,

2005

, т.

138

(стр.

715

733

),,,,, и др.

Дивергенция эволюционных путей среди общих sym-генов: CASTOR и CCaMK демонстрируют функциональную консервацию между двумя системами симбиоза и составляют основу общего сигнального пути

,

Plant Cell Physiol.

,

2008

, т.

49

(стр.

1659

1671

),,,,, и др.

Главный рецептор импорта белка пластид необходим для биогенеза хлоропластов

,

Nature

,

2000

, vol.

403

(стр.

203

207

),,,.

Потребность в аминоацил-тРНК-синтетазах для гаметогенеза и развития эмбрионов Arabidopsis

,

Plant J.

,

2005

, vol.

44

(стр.

866

878

),,,,, и др.

Гены Arabidopsis, необходимые для жизнеспособности проростков: выделение инсерционных мутантов и молекулярное клонирование

,

Genetics

,

2001

, vol.

159

(стр.

1765

1778

),,,,, и др.

Мутации в гене IMMUTANS арабидопсиса вызывают пестрый фенотип за счет инактивации терминальной оксидазы хлоропластов, связанной с десатурацией фитоена

,

Plant Cell

,

1999

, vol.

11

(стр.

57

68

),,,,,.

Lotus japonicus CASTOR и POLLUX — ионные каналы, необходимые для перинуклеарного увеличения кальция при эндосимбиозе корней бобовых

,

Plant Cell

,

2008

, vol.

20

(стр.

3467

3479

).

Цитоплазматическая мужская стерильность: окно в мир митохондриально-ядерных взаимодействий растений

,

Trends Genet

,

2007

, vol.

23

(стр.

81

90

),,,.

Протеаза Ftsh21 играет важную роль в термотолерантности Arabidopsis

,

Plant J.

,

2006

, vol.

48

(стр.

73

84

),,,.

Мутации в локусе VAR2 Arabidopsis вызывают пестролистность листьев из-за потери протеазы FtsH хлоропласта

,

Plant J.

,

2000

, vol.

22

(стр.

303

313

),,,,,.

Растительные клетки без детектируемых пластид генерируются в мутанте со смятыми листьями Arabidopsis thaliana

,

Plant Cell Physiol.

,

2009

, т.

50

(стр.

956

969

),,,,, и др.

Tic40, закрепленный на мембране гомолог ко-шаперона в транслоконе хлоропластного белка

,

EMBO J.

,

2003

, vol.

22

(стр.

2970

2980

),,.

Древние нашествия: от эндосимбионтов до органелл

,

Наука

,

2004

, т.

304

(стр.

253

257

),,,,, и др.

Протеомика мембран оболочки хлоропластов Arabidopsis thaliana

,

Mol. Cell Proteomics

,

2003

, т.

2

(стр.

325

345

),,,,.

Пары генов GLK регулируют развитие хлоропластов у различных видов растений

,

Plant J.

,

2002

, vol.

31

(стр.

713

727

),,,,, и др.

Роль SENSITIVE TO FREEZING2 в защите хлоропластов от повреждений, вызванных замораживанием у Arabidopsis

,

Plant J.

,

2008

, т.

55

(стр.

734

745

),,,,, и др.

Углубленный анализ протеома тилакоидной мембраны хлоропластов Arabidopsis thaliana: новые белки, новые функции и база данных протеомных пластид

,

Plant Cell

,

2004

, vol.

16

(стр.

478

499

),,,,, и др.

Протеомное исследование мембраны хлоропластной оболочки Arabidopsis thaliana с использованием альтернатив традиционному двумерному электрофорезу

,

J.Proteome Res.

,

2003

, т.

2

(стр.

413

425

),.

DCW11, подавляемый ген 11 в цитоплазматическом стерильном рисе CW-типа, кодирующий митохондриальную протеинфосфатазу 2c, связан с цитоплазматической мужской стерильностью

,

Plant Cell Physiol.

,

2008

, т.

49

(стр.

633

640

),.

Геномные барьеры между ядрами и митохондриями на примере цитоплазматической мужской стерильности

,

Physiol растительных клеток.

,

2008

, т.

49

(стр.

1484

1494

),,.

Цитоплазматическая протеинкиназа, связанная с мужской стерильностью, OsNek3, регулируется ниже митохондриальной протеинфосфатазы 2C, DCW11

,

Plant Cell Physiol.

,

2009

, т.

50

(стр.

828

837

),,,.

Фактор транскрипции ABI4 является регулятором митохондриальной ретроградной экспрессии ALTERNATIVE OXIDASE1a

,

Plant Physiol.

,

2009

, т.

150

(стр.

1286

1296

),,.

Arabidopsis ARC6 координирует механизмы разделения внутренней и внешней мембран хлоропластов посредством взаимодействия с PDV2 в межмембранном пространстве

,

Plant Cell

,

2008

, vol.

20

(стр.

2460

2470

),,,,.

Дивизион Хлоропласт

,

Трафик

,

2007

, т.

8

(стр.

451

461

),,,,,.

Гены биосинтеза пептидогликана MurA и MraY связаны с делением хлоропластов у мха Physcomitrella patens

,

Physiol растительных клеток.

,

2009

, т.

50

(стр.

2047

2056

),,.

Мутации в гене пластидного рибосомного белка S6-подобного белка раскрывают новый процесс развития, необходимый для правильной организации меристемы бокового корня у Arabidopsis

,

Plant J.

,

2003

, т.

33

(стр.

521

529

),,,.

Незаменимая роль пластид в эмбриогенезе Arabidopsis thaliana

,

Curr. Геномика

,

2010

, т.

11

(стр.

338

349

),,,,, и др.

Пластидные белки, необходимые для проникновения симбиотических грибов и бактерий в корни растений

,

Nature

,

2005

, vol.

433

(стр.

527

531

).

Двусторонняя связь между пластидой и ядром: импорт пластидного белка и ретроградная передача сигналов от пластида к ядру

,

Biosci. Biotechnol. Biochem.

,

2010

, т.

74

(стр.

471

476

),,,,, и др.

Arabidopsis tic110 необходим для сборки и функционирования механизма импорта белка пластид

,

Plant Cell

,

2005

, vol.

17

(стр.

1482

1496

),.

Доставка белков в пластиды: одна тема, множество вариаций

,

Biochem. J.

,

2008

, т.

413

(стр.

15

28

),,,.

Ортогеномика фотосинтезирующих организмов: биоинформатический и экспериментальный анализ белков хлоропластов эндосимбионтного происхождения Arabidopsis и их аналогов в Synechocystis

,

Physiol растительных клеток.

,

2009

, т.

50

(стр.

773

788

).

Нацеливание кодируемых ядром белков на хлоропласты растений

,

New Phytol.

,

2008

, т.

179

(стр.

257

285

),,,,,.

Мутант Arabidopsis, дефектный в аппарате импорта общего белка пластид

,

Science

,

1998

, vol.

282

(стр.

100

103

),,,,,.

Координация импорта пластидных белков и экспрессии ядерных генов с помощью ретроградной передачи сигналов от пластид к ядру

,

Plant Physiol.

,

2009

, т.

151

(стр.

1339

1353

),,,,, и др.

Экспрессия белковых комплексов и индивидуальных белков при переходе этиопластов в хлоропласты у гороха (Pisum sativum)

,

Physiol.

,

2008

, т.

49

(стр.

396

410

),,,,.

Механизм подавления накопления митохондриального ORF79 белком Rf1 в цитоплазматическом рисе с мужской стерильностью BT-типа

,

Plant J.

,

2008

, т.

55

(стр.

619

628

),.

Биогенез хлоропластов: разнообразие и регуляция аппарата импорта белка

,

Curr. Opin. Cell Biol.

,

2009

, т.

21

(стр.

494

500

),,,.

Нет единого способа понять передачу сигналов синглетного кислорода в растениях

,

EMBO Rep.

,

2008

, vol.

9

(стр.

435

439

),,,,,.

Субъединицы пластидного протеазного комплекса ClpPR вносят различный вклад в эмбриогенез, биогенез пластид и развитие растений у Arabidopsis

,

Plant Cell

,

2009

, vol.

21

(стр.

1669

1692

),,.

Амилопласты необходимы для полной гравитропной чувствительности корней Arabidopsis thaliana

,

Planta

,

1989

, vol.

177

(стр.

198

206

),,,,, и др.

Гликопротеин α-амилазы риса направляется из аппарата Гольджи через секреторный путь в пластиды

,

Plant Cell

,

2009

, vol.

21

(стр.

2844

2858

),,,,, и др.

Протеом хлоропласта Arabidopsis thaliana показывает изобилие путей и новые функции белка

,

Curr. Биол.

,

2004

, т.

14

(стр.

354

362

),,,,.

Синтез галактолипидов во внутренней оболочке хлоропластов необходим для правильного биогенеза, фотосинтеза и эмбриогенеза тилакоидов

,

Proc. Natl Acad. Sci. США

,

2007

, т.

104

(стр.

17216

17221

),,,,, и др.

Сигналы от хлоропластов сходятся, чтобы регулировать экспрессию ядерных генов

,

Science

,

2007

, vol.

316

(стр.

715

719

),,,,, и др.

Исследования in vivo роли Tic110, Tic40 и Hsp93 во время импорта белка хлоропластов

,

Plant J.

,

2005

, vol.

41

(стр.

412

428

),,,,,.

Семейство белков Arabidopsis ClpB / Hsp100: шапероны для стресса и развития хлоропластов

,

Plant J.

,

2007

, vol.

49

(стр.

115

127

),.

Транспорт белка в хлоропласты

,

Annu.Rev. Plant Biol.

,

2010

, т.

61

(стр.

157

180

),,,,, и др.

Гены пути синтеза пептидогликана необходимы для деления хлоропластов у мха

,

Proc. Natl Acad. Sci. США

,

2006

, т.

103

(стр.

6753

6758

),,,,,.

Строгий бактериальный ответ, сохраненный в хлоропластах, контролирует оплодотворение растений

,

Physiol растительных клеток.

,

2008

, т.

49

(стр.

135

141

),,,,, и др.

Toc159- и Toc75-независимый импорт прекурсора без транзитной последовательности во внутреннюю оболочку хлоропластов

,

J. Biol. Chem.

,

2007

, т.

282

(стр.

29482

29492

),,.

PDV1 и PDV2 опосредуют рекрутирование связанного с динамином белка ARC5 в сайт деления пластид

,

Plant Cell

,

2006

, vol.

18

(стр.

2517

2530

).

Направленное зондирование силы тяжести при гравитропизме

,

Annu. Rev. Plant Biol.

,

2010

, т.

61

(стр.

705

720

),.

Датчик силы тяжести и сигнализация

,

Curr. Opin. Plant Biol.

,

2004

, т.

7

(стр.

712

718

),,,,, и др.

Пластидный дефицит глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы приводит к изменению развития корней и влияет на баланс сахара и аминокислот у Arabidopsis

,

Plant Physiol.

,

2009

, т.

151

(стр.

541

558

),,,,, и др.

База данных по функциям хлоропластов: крупномасштабная коллекция гомозиготных линий арабидопсиса, меченных Ds / Spm- или T-ДНК, для ядерно-кодируемых белков хлоропластов и их систематический фенотипический анализ

,

Plant J.

,

2010

, vol. .

61

(стр.

529

542

),,,,.

Гомолог Hsp101, нацеленный на хлоропласты Arabidopsis, APG6, играет важную роль в развитии хлоропластов, а также в реакции на тепловой стресс

,

Plant J.

,

2006

, т.

48

(стр.

249

260

),.

Белок 32 внутренней оболочки импортируется в хлоропласты по новому пути

,

J. Cell Sci.

,

2004

, т.

117

(стр.

3975

3982

),,,,, и др.

Эктопическая сверхэкспрессия фактора транскрипции OsGLK1 индуцирует развитие хлоропластов в незеленых рисовых клетках

,

Plant Cell Physiol.

,

2009

, т.

50

(стр.

1933

1949

),,,,,.

Arabidopsis Cor15am представляет собой стромальный белок хлоропласта, который обладает криозащитной активностью и образует олигомеры

,

Plant Physiol.

,

2007

, т.

144

(стр.

513

523

),,,,, и др.

Рисовая пластидная N-гликозилированная нуклеотидпирофосфатаза / фосфодиэстераза транспортируется из ER-golgi в ​​хлоропласт по секреторному пути

,

Plant Cell

,

2006

, vol.

18

(стр.

2582

2592

),,,,.

Идентификация и характеристика белков Cor413im как новых компонентов внутренней оболочки хлоропластов

,

Plant Cell Environ.

,

2008

, т.

31

(стр.

1470

1483

),,,,.

Для деления хлоропластов у высших растений требуются члены двух функционально расходящихся семейств генов, гомологичных бактериальным ftsZ

,

Plant Cell

,

1998

, vol.

10

(стр.

1991

2004

),.

Мембраны растительных клеток

,

Methods Enzymol.

,

1987

, т.

148

,,,,, и др.

Agrobacterium tumefaciens увеличивает продукцию цитокининов в пластидах путем модификации пути биосинтеза в растении-хозяине

,

Proc. Natl Acad. Sci. США

,

2005

, т.

102

(стр.

9972

9977

).

Пестролистные мутации и ответственные за них гены в Arabidopsis thaliana

,

Genes Genet Syst.

,

2003

, т.

78

(стр.

1

9

),,.

Биогенез хлоропластов: контроль развития пластид, импорта, деления и наследования белков

,

The Arabidopsis Book

,

2008

,,,.

Локус VAR1 Arabidopsis кодирует хлоропластный FtsH и отвечает за пестроту листьев мутантных аллелей

,

Genes Cells

,

2002

, vol.

7

(стр.

769

780

),,,,,.

Задержка дифференцировки пропластидов в хлоропласты в пестролистных листьях, характеризующихся ультраструктурой пластид и морфологией нуклеоидов

,

Physiol.

,

2009

, т.

50

(стр.

2069

2083

),.

Импорт белка в хлоропласты

,

Нат. Rev. Mol. Cell Biol.

,

2004

, т.

5

(стр.

198

208

),. ,,.

Структура мембраны и мембранные органеллы

,

Биохимия и молекулярная биология растений

,

2000

Rockville, MD

Американское общество физиологов растений

(стр.

2

50

),,,,.

Роль комплекса ТОС в гравитропизме корней Arabidopsis

,

Plant Physiol.

,

2009

, т.

149

(стр.

1896

1905

),.

Стромальные 70 кДа белков теплового шока Arabidopsis необходимы для развития растений и важны для термотолерантности прорастающих семян

,

Plant Physiol.

,

2008

, т.

146

(стр.

1231

1241

),,,,, и др.

Митохондриальный разобщающий белок необходим для эффективного фотосинтеза

,

Proc. Natl Acad. Sci. США

,

2006

, т.

103

(стр.

19587

19592

),.

Пластидный пептидогликан

,

Biochim. Биофиз. Acta

,

2010

, т.

1800

(стр.

144

151

),,,,.

Локус YELLOW VARIEGATED (VAR2) кодирует гомолог FtsH, АТФ-зависимой протеазы Arabidopsis

,

Physiol растительных клеток.

,

2000

, т.

41

(стр.

1334

1346

),,,,,.

Визуализация пластид в пыльцевых зернах: участие FtsZ1 в делении пластид пыльцы

,

Physiol растительных клеток.

,

2009

, т.

50

(стр.

904

908

),,,,, и др.

Доказательства того, что белок транспортируется секреторным путем в хлоропласт высших растений

,

Nat. Cell Biol.

,

2005

, т.

7

(стр.

1224

1231

),,,.

Гравитропизм у мутанта с избытком крахмала Arabidopsis thaliana

,

Amer. J. Bot.

,

2007

, т.

94

(стр.

590

598

),.

Изготовление хлоропласта

,

EMBO J.

,

2009

, vol.

28

(стр.

2861

2873

),,,,,.

Факторы транскрипции GLK координируют экспрессию фотосинтетического аппарата Arabidopsis

,

Plant Cell

,

2009

, vol.

21

(стр.

1109

1128

),.

Координация экспрессии генов между органеллярным и ядерным геномами

,

Nat. Преподобный Жене.

,

2008

, т.

9

(стр.

383

395

),,,,.

Локус разнообразия IMMUTANS Arabidopsis определяет митохондриальный альтернативный гомолог оксидазы, который функционирует во время раннего биогенеза хлоропластов.

,

Plant Cell

,

1999

, vol.

11

(стр.

43

55

),,,,.

Деление пластид: во времени и пространстве

,

Curr. Opin. Plant Biol.

,

2008

, т.

11

(стр.

577

584

),,,,.

Влияние хлоропластного фотоокислительного стресса на митохондриальную альтернативную оксидазную способность и респираторные свойства: исследование на примере Arabidopsis yellow variegated 2

,

Physiol растительных клеток.

,

2008

, т.

49

(стр.

592

603

),,,,, и др.

Хлоропласты делятся путем сжатия пучка нановолокон, состоящего из полиглюкана

,

Science

,

2010

, vol.

329

(стр.

949

953

),.

Деление амилопласта происходит одновременно в нескольких участках эндосперма риса

,

Physiol растительных клеток.

,

2009

, т.

50

(стр.

1617

1626

)

© Автор 2010.Опубликовано Oxford University Press от имени Японского общества физиологов растений. Все права защищены. Для получения разрешений обращайтесь по электронной почте: [email protected]

.

Хлоропласт — Определение и примеры

n., Синонимы: хлоропластид; зеленая пластида; хлоролейцит
Определение хлоропласта: пластида, содержащая большое количество хлорофилла и в которой происходит фотосинтез

Определение хлоропласта

Что такое хлоропласт? В биологии хлоропласт относится к органелле, обнаруженной в клетке растений и других фотосинтезирующих эукариот, которая заполнена зеленым пигментом, называемым хлорофилл . Этимология: от греческого «хлорос», , что означает «зеленый», и «пластик», , что означает «форма» или «сущность». Синонимы: хлоропластид; зеленая пластида; хлоролейцит.

Когда эукариот обладает хлоропластами, это означает, что он способен производить свою собственную пищу. Это происходит посредством фотосинтеза. Какие типы клеток содержат хлоропласты? Растения — это примеры организмов, в клетках которых есть хлоропласты. Взглянув на их клетки, вы обнаружите наличие многочисленных хлоропластов, которые распространяются по цитоплазме (см. Изображение анатомии листа ниже).Каждый хлоропласт содержит светособирающую систему , содержащую хлорофиллы. Эти зеленые пигменты поглощают свет синего и красного цветов электромагнитного спектра. Однако они отражают зеленую часть спектра. Именно по этой причине растения зеленые. Напротив, клетки животных не содержат хлоропластов. Таким образом, помимо наличия клеточной стенки (то есть слоя, состоящего из целлюлозы и отвечающего за жесткость клеток у растений), присутствие хлоропластов является еще одной определяющей характеристикой, которая может помочь отличить растения от животных.Другими организмами, которые обладают хлоропластами, являются эукариотические водоросли, например зеленые водоросли. Некоторые фотосинтезирующие бактерии (например, фототрофы и цианобактерии) имеют в своих клетках хлорофиллы. Однако их хлорофиллы не обнаруживаются внутри двухмембранных органелл, таких как хлоропласт. Скорее, пигменты хлорофилла расположены в тилакоидной мембране бактериальной клетки.

Анатомия листьев растений. Обратите внимание на многочисленные хлоропласты внутри клеток листа. (Изображение предоставлено: Zephyris, CC BY-SA 3.0)

Характеристики хлоропласта

Хлоропласт — одна из органелл фотосинтетической эукариотической клетки. Это тип пластиды (другие типы — хромопласты и лейкопласты). Хлоропласты можно отличить от других пластид по цвету, форме, структуре и функциям. Хлоропласты зеленые из-за большого количества пигментов хлорофилла. Двумя наиболее распространенными типами являются хлорофилл a и b . Другими пигментами хлорофилла являются хлорофилл c , d и f .Хлорофилл a присутствует во всех хлоропластах, тогда как другие типы присутствуют (в различных количествах) в зависимости от вида. У сосудистых растений форма напоминает линзу или диск, а размер составляет примерно 5 мкм в длину и ~ 2,5 мкм в ширину. (Прим. 1) У водорослей форма может быть разной. Они могли быть круглыми, овальными или трубчатыми.

Структура хлоропласта

Какая структура хлоропласта? Хлоропласт имеет по крайней мере три мембранные системы: (1) внешняя мембрана , (2) внутренняя мембрана и (3) тилакоидная система .Наружная и внутренняя мембраны представляют собой двойную мембранную систему, которая является типичной особенностью органелл. Тилакоиды представляют собой дискообразные структуры, которые выполняют роль сбора или сбора фотонов от источника света, такого как солнечный свет. В тилакоидную мембрану встроен антенный комплекс , состоящий из белков и светопоглощающих пигментов, в частности хлорофилла и каротиноидов. Следовательно, задача тилакоида — обеспечивать место для световых реакций фотосинтеза.Стопка тилакоидов (напоминающая стопку монет) называется granum (множественное число: грана). Матрикс хлоропласта обозначается как строма . Это густая жидкость между гранами. Он содержит ферменты, молекулы и ионы. Здесь происходит независимый от света процесс образования сахара (темные реакции фотосинтеза).

Подобно митохондриям, хлоропласты представляют собой полуавтономных органелл. Они обладают собственной ДНК, называемой хлоропластной ДНК или хпДНК.Таким образом, они не полагаются исключительно на гены, содержащиеся в ядре. Они производят определенные белки из собственной ДНК. (Ссылка 2)

Хлоропласт с маркированными частями. Предоставлено: Воссман, CC BY-SA 4.0.

Функции хлоропласта

Какова функция хлоропласта? Хлоропласты осуществляют процесс фотосинтеза. Их основная роль — обеспечивать место для световых и темных реакций. Через эти органеллы неорганические источники, вода и световая энергия преобразуются в пищу, т.е.е. глюкоза (молекула сахара). Следовательно, они важны для фотосинтезирующих организмов с целью производства пищи самостоятельно и не нуждаются в питании другими организмами, чтобы выжить. Поскольку кислород является одним из побочных продуктов фотосинтеза, хлоропласты являются решающим местом для производства такого газа, который позже выделяется из клетки в окружающую среду. Кислород биологически важен из-за его роли в различных биохимических и физиологических процессах у животных.

Для дальнейшего описания и фактов о фотосинтезе прочтите Учебник по метаболизму растений .

Эволюция хлоропластов

Эндосимбиотическая теория была задумана для определения происхождения хлоропластов. (Ссылка 3) Соответственно, органеллы, такие как митохондрии и хлоропласты, были клеточными структурами в эукариотических клетках, которые возникли в результате первичного эндосимбиоза, который произошел миллионы лет назад между прокариотическими эндосимбионтами и эукариотическими клетками-хозяевами. Эукариотическая клетка, будучи более крупной клеткой, поглощала более мелкие фотосинтетические прокариоты (например,грамм. цианобактерии), что, следовательно, позволило им фотосинтезировать. В конце концов прокариоты эволюционировали и дифференцировались в пластиды, в частности, хлоропласты. Эти ранние фотосинтезирующие эукариоты, несущие прокариоты, превратившиеся в органеллы, считаются ранними предками современных растений и водорослей на Земле. Открытие хпДНК в хлоропластах, сходство мембран и бинарное деление как средство воспроизводства служат доказательством, подтверждающим эту теорию. (Ref.4)

Читайте также:
Каково вероятное происхождение хлоропластов? — Биотехнологии. (2017, 14 декабря). Биотехнологии. https://www.biotechniques.com/molecular-biology/when-did-the-chloroplast-evolve/

См. также

Ссылки

  1. Staehelin, L.A. (2003). Структура хлоропласта: от гранул хлорофилла до надмолекулярной архитектуры тилакоидных мембран. Исследования фотосинтеза, 76 (1–3), 185–196. https://doi.org/10.1023/A:10249

    586

  2. Открытие ДНК, геномов и генов хлоропластов | Открытия в биологии растений.(2019). Worldscientific.Com. https://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/9789812813046_0002
  3. Дженсен П. Э. и Лейстер Д. (2014). Эволюция, структура и функции хлоропластов. F1000Prime Reports, 6. https://doi.org/10.12703/p6-40
  4. Доказательства эндосимбиоза. (2020). Berkeley.Edu. https://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/_0_0/endosymbiosis_04

© BiologyOnline. Контент предоставлен и модерируется редакторами BiologyOnline.

Следующий

Нацеленная доставка генов в различные пластиды, опосредованная кластерами пептидов, проникающих в клетки и нацеленных на хлоропласты — Thagun — 2019 — Advanced Science

1 Введение

Пластиды — это органеллы, обнаруженные в клетках растений и эукариотических водорослях и играющие ключевую роль в фотосинтезе и других метаболических процессах.1 Первоначально пропластиды, эти органеллы могут дифференцироваться в зеленые или незеленые пластиды в зависимости от стадии развития и типа растительной клетки. 1, 2 Каждый тип пластид имеет свои собственные характеристики, биологическую функцию и индивидуальный метаболический процесс в исходной клетке 2. Наиболее распространенные пластиды, обнаруженные в зеленоватых тканях растений, таких как развитые побеги, листья и стебли, отвечают за фотосинтез, а также за производство пищи и кислорода для клеток.1, 2 Другая пигментированная пластида, хромопласт, придает красную окраску. — желтый цвет дифференцированных клеток в плодах и лепестках цветов за счет синтеза каротиноидов.3 Амилопласт — это неокрашенная пластида, обнаруженная в корнях, подземных стеблях и запасных частях растений, таких как клубни, и отвечает за хранение крахмала.1 Эти дифференцированные пластиды могут повторно дифференцироваться в другие типы пластид на основе клеточного механизма. метаболическая функция и стадия развития клетки, в которой они существуют. 2-4

Помимо своей способности синтезировать и накапливать продукты, такие как рекомбинантные белки, небольшие молекулы и биоактивные соединения, пластида также защищает биомолекулы от процесса клеточной деградации.5 Эта органелла стала центром транспластомной инженерии для улучшения экономически важных характеристик или для производства коммерчески ценных продуктов для целевых видов сельскохозяйственных культур. 5, 6 Пластом представляет собой молекулу ДНК размером 100-200 т.п.н. консервативных генов и имеет свою собственную систему регуляции транскрипции и трансляции, в то же время разделяя с ядром некоторые факторы транскрипции, нацеленные на пластиды, ядерно-кодируемые. Успешная модификация пластома была достигнута бомбардировкой частицами, при которой молекулы ДНК переносятся через границу растительной клетки и пластиду. мембрана с использованием давления.5-7 Плазмидная ДНК (пДНК) также может быть непосредственно доставлена ​​в пластиду посредством интеграции и транслокации липидной мембраны с использованием трансформации протопластов, опосредованной полиэтиленгликолем (ПЭГ). Стеклянный шприц диаметром субмикрометра непосредственно в пластиды.9 Транспластомные растения могут быть затем созданы после нескольких циклов отбора и последующей регенерации трансформированных растительных клеток или тканей.5 Однако эти методы имеют несколько основных недостатков, так как подготовка растительного материала утомительна, а его регенерация после трансформации требует времени и требует дорогостоящих экспериментальных инструментов; что более важно, эти методы применимы только к ограниченным типам и стадиям растительного материала5

Пептиды, короткие последовательности из 30-35 аминокислот, продемонстрировали свою печально известную способность перемещать различные типы молекул, включая нуклеиновые кислоты, белки и небольшие химические вещества, через биологическую мембрану живых клеток.10 Использование пептидов для доставки биомакромолекул в клетки растений значительно продвинулось в последние годы.11 Экзогенные молекулы ДНК были доставлены в определенные внутриклеточные компартменты растений (например, митохондрии и хлоропласты) с использованием пептидов, нацеленных на органеллы. 12 Сочетание функций хлоропластов. -нацеливающий пептид (CTP; KH 9 -OEP3412) и проникающий в клетки пептид (CPP), мы успешно разработали платформу трансформации на основе пептидов для доставки молекул ДНК через границы клеток и последующего опосредования экспрессии трансгена в пластидах ( Рисунок 1a ).Наша стратегия проста, но эффективна; Введение самоорганизующегося комплекса CPP / CTP размером менее микрометра, содержащего молекулы ДНК, в органы-мишени растения может быть достигнуто с помощью шприцевой инфильтрации, инъекции или вакуумной инфильтрации, а экспрессия репортерного гена в различных пластидах может быть обнаружена после короткого промежутка времени. инкубационный период после трансформации. Эта новая технология трансформации может продвинуть модификацию пластид для метаболической инженерии растений и улучшения фотосинтетических свойств у самых разных видов сельскохозяйственных культур.

Составление кластерных комплексов пДНК / CTP / CPP для трансформации пластид. а) Трансформация пластид, опосредованная кластерными комплексами CTP / CPP. б) Размер частиц и распределение поверхностного заряда комплексов пДНК (p PpsbA :: Rluc ) / CTP (KH 9 -OEP34) / CPP (BP100) при различных соотношениях N / P в диапазоне от 0,1 до 10 и p PpsbA :: Rluc / KH 9 -OEP34 комплексы при соотношении N / P 1,0 (пДНК / CTP). Планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение (SD) среднего значения из трех повторов.c) Морфология сгруппированных комплексов p PpsbA :: Rluc / KH 9 -OEP34 / BP100 при соотношении N / P 1,0 при АСМ-визуализации. Масштабная линейка = 500 нм. Цветная полоса от 0 до 7 нм представляет высоту комплексов. d) Активность люциферазы Renilla в A. thaliana листья, инфильтрованные шприцем кластерными комплексами, образованными при различных соотношениях N / P, и комплексом p PpsbA :: Rluc / KH 9 -OEP34 (pDNA / CTP ) через 24 часа после инфильтрации. Данные представлены в виде прямоугольной диаграммы.Красные линии представляют собой медианное значение ( n = 6). Максимальные и минимальные значения представлены верхней и нижней полосами. Разные буквы указывают на значительные различия, проанализированные с помощью одностороннего дисперсионного анализа и теста HSD Тьюки при p = 0,05.

2 Результаты

2.1 Получение комплекса плазмидной ДНК / CTP / CPP для трансформации хлоропластов

Отрицательно заряженные молекулы пДНК могут электростатически образовывать комплекс с положительно заряженным CTP KH 9 -OEP34 (CTP) (Таблица S1, дополнительная информация).12 Сначала мы проверили образование комплексов между пДНК, кодирующей люциферазу Renilla (Rluc) в качестве репортера (p PpsbA :: Rluc ) (рисунок S1a и таблица S2, подтверждающая информация) и CTP в воде при различных значениях N / P. отношения (определяемые как отношение молей аминогрупп пептида к молям фосфатных групп пДНК) в диапазоне от 0,1 до 25. Размеры частиц образованных комплексов составляли ≈200 нм при соотношении N / P 0,5 и выше. , а поверхностный заряд комплексов изменился с отрицательного (-20 мВ) на положительный (+44.2 мВ) с увеличивающимся отношением N / P (рисунок S1b и таблица S3, дополнительная информация). Подвижность молекул пДНК в агарозном геле постепенно снижалась с увеличением количества CTP до отношения N / P, равного 1,0, и полностью замедлялась при более высоких отношениях N / P (2,5-25) (рисунок S1c, вспомогательная информация). Анализ свободных пептидов в растворах комплекса пДНК / ЦТФ, образованных при соотношении N / P = 0,5–5,0, показал, что до 64% ​​ЦТФ постепенно связывается с молекулами пДНК. Однако это связывание между пДНК и CTP зависит от концентрации пДНК, на что указывает избыточное количество свободного CTP в комплексных растворах, образованных при более высоких соотношениях N / P (рисунок S1d, e, вспомогательная информация).Впоследствии мы исследовали эффективность трансфекции комплексов пДНК / ЦТФ, образованных при различных соотношениях N / P в интактных листьях Arabidopsis thaliana ( A. thaliana ), модельных видах растений, несущих ≈100 копий пластид на клетку листа. Эффективность трансфекции, представленная активностью Rluc, оценивали с использованием листьев, отобранных через 24 часа после инфильтрации. Максимальная активность Rluc наблюдалась в листьях растений, трансфицированных комплексами пДНК / ЦТФ, образованными при соотношении N / P, равном 1,0, в то время как значительное снижение активности наблюдалось в образцах, обработанных комплексами, сформулированными с более высокими отношениями N / P (рисунок S1f, подтверждающая информация ).Морфологические исследования с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) выявили взаимодействие между молекулами пДНК и KH 9 -OEP34 при соотношении N / P 0,1 и конденсацию пДНК с помощью KH 9 -OEP34 с образованием глобулярных комплексов на N Отношение / P составляет 0,5–1,0 (рисунок S1g, вспомогательная информация).

Предыдущее исследование показало, что включение CPP в комплекс пептид / пДНК, нацеленный на митохондрии, может значительно увеличить экспрессию трансгена, нацеленного на митохондрии, в листьях Arabidopsis .12 Мы соединили комплекс пДНК / CTP с CPP BP100 для повышения эффективности транслокации клеток пептидного комплекса для более эффективного нацеливания на пластиды. Комплексы пДНК / ЦТФ, полученные при соотношении N / P, равном 1,0 (приводящем к наивысшей активности Rluc), были выбраны для образования комплексов пДНК / ЦТФ / СРР при различных соотношениях BP100 к пДНК. Добавление BP100 к комплексам пДНК / CTP при соотношении N / P 0,1–10 постепенно увеличивало размеры комплексов (от 148 до 200 нм), в то время как поверхностные заряды комплексов переходили в положительные при соотношении N / P, равном 1. .0 и более высоких соотношениях (рис. 1b и таблица S4, дополнительная информация). Подвижность молекулы пДНК в комплексах пДНК / CTP / CPP постепенно снижалась с увеличением отношения N / P, прежде чем полностью замедлилась при соотношении N / P 10 в матрице агарозного геля (рисунок S2a, подтверждающая информация). Анализ свободных пептидов показал, что до 60% ВР100 постепенно включается с комплексами пДНК / ЦТФ с образованием комплексов пДНК / ЦТФ / СРР при соотношении N / P = 0,1–2,5 (рисунок S2b, c, вспомогательная информация).АСМ-визуализация комплексов пДНК / ЦТФ / СРР, образованных при соотношениях N / P 0,5, 1,0 и 2,5, показала равномерное распределение сферических комплексов на поверхности слюды, что указывает на отсутствие морфологических изменений комплекса после добавления BP100. (Рисунок 1c и Рисунок S2d, e, вспомогательная информация).

Затем мы оценили эффективность трансфекции этих комплексов пДНК / CTP / CPP путем инфильтрации соответствующих комплексных растворов в листьев A. thaliana и количественного определения экспрессии трансгена с помощью анализа Rluc, как и ранее.Максимальное повышение активности Rluc (в 2,1 раза) было достигнуто с использованием комплексов pDNA / CTP / CPP, образованных при соотношениях N / P 1,0 и 2,5 по сравнению с полученными с помощью только pDNA / CTP (рис. 1d). Добавление более высоких количеств BP100 (N / P> 2,5) не привело к дальнейшему улучшению активности Rluc (рис. 1d). Этот результат указывает на то, что включение CPP (BP100) в комплексы пДНК / CTP значительно усиливает экспрессию генов, нацеленных на хлоропласты, в интактных листьях растений.

2.2 Оптимизация комплексов пДНК / CTP / CPP для улучшения экспрессии генов в хлоропластах

BP100, CPP, используемый в этом исследовании, и его производные, конъюгированные с катионным доменом, BP100-KH 9 и KH 9 -BP100 (Таблица S1, вспомогательная информация), продемонстрировали свою способность функционировать как носители генов для доставки биомакромолекулы в клетки растений. Ранее сообщалось, что эти проникающие в клетки пептиды проникают в интактные растения.11, 12 Отдельное исследование показало, что слияние груза с N или C-концом BP100 влияет на эффективность доставки пептида груза в целевой отсек внутри растительная клетка.13 Таким образом, мы сравнили эффективность трансфекции пДНК / CTP в комбинации с BP100, BP100-KH 9 и KH 9 -BP100 в качестве CPP. Морфология, размер и поверхностный заряд кластерных комплексов пДНК / CTP / CPP, образованных с BP100-KH 9 или KH 9 -BP100 при соотношении N / P 1,0, были шаровидными, относительно меньшими (≈130 нм), чем сформированные с использованием BP100 и положительно заряженные (20 мВ) (рисунок S3a, b, вспомогательная информация). Однако замена тройного комплекса на BP100-KH 9 или KH 9 -BP100 в качестве CPP не улучшила эффективность трансфекции хлоропластов в A.thaliana (рисунок S3c, дополнительная информация). Эти результаты предполагают, что BP100 является наиболее подходящим для использования в качестве CPP в кластерном комплексе pDNA / CTP / CPP.

Впоследствии мы исследовали профили экспрессии пДНК, кодирующей Rluc, с промотором psbA (p PpsbA :: Rluc ) в пластидах через 48 часов после трансфекции комплексами пДНК / KH 9 -OEP34 / BP100. Растения, трансфицированные сгруппированными комплексами pDNA / CTP / CPP, проявляли наивысшую активность Rluc через 24 часа после инфильтрации и незначительно снижались через 36–48 часов после трансфекции ( Рисунок 2a).Затем изучали влияние концентрации пДНК на эффективность трансфекции путем инфильтрации листьев кластерными комплексами, образованными при соотношении N / P 1,0 при различных концентрациях пДНК. Через 24 часа после инфильтрации листья, трансформированные с использованием кластерных комплексов с концентрациями пДНК в диапазоне от 1,0 до 10 мкг на 100 мкл, проявляли значительно более высокую активность Rluc, чем листья, трансформированные только пептидом (1 мкг пептида на 100 мкл -1 ) (рис. 2b ). Однако активность Rluc значительно снизилась в листьях, трансформированных с использованием кластерных комплексов с концентрацией пДНК 25 мкг на 100 мкл.

Профили экспрессии репортерных белков в хлоропластах листьев A. thaliana , доставленных с использованием кластерных комплексов пДНК / CTP / CPP. а) Анализ динамики активности люциферазы Renilla в различные моменты времени после трансформации. ПДНК имеет форму p PpsbA :: Rluc . Комплексы pDNA / CTP (KH 9 -OEP34) и pDNA / KH 9 -OEP34 / BP100 образовывались при соотношении N / P, равном 1.0 с количеством пДНК 1,0 мкг в 100 мкл раствора для трансформации. Планки погрешностей представляют SD. Звездочки указывают на значительную разницу по сравнению с образцами, инфильтрованными только пДНК (тест Стьюдента t , n = 4, p <0,01). б) Активность люциферазы Renilla в листьях Arabidopsis , трансформированных кластерной пДНК (p PpsbA :: Rluc ) / KH 9 -OEP34 / BP100 комплексный раствор (соотношение N / P = 1,0) с различными количествами пДНК в 100 мкл раствора для трансформации.Данные восьми биологически независимых образцов ( n = 8) для каждого лечения показаны в виде прямоугольной диаграммы. Красные линии представляют собой медианное значение. Существенные различия между видами лечения, обозначенные разными буквами, были проанализированы с помощью однофакторного дисперсионного анализа и теста HSD Тьюки при p = 0,05. c) Временная экспрессия пластид-специфичного GFP в клетках листа Arabidopsis , опосредованная кластерной пДНК (p Prrn :: GFP (S65T) :: TpsbA ) / KH 9 -OEP34 / BP100 комплексов, наблюдалась в условиях конфокальный лазерный сканирующий микроскоп через 24 часа после трансформации.Автофлуоресценция хлоропластов показана пурпурным цветом. Масштабные линейки = 20 мкм. г) Проверка пластид-специфической экспрессии GFP в хлоропластах Arabidopsis с помощью иммунопреципитации и иммуноблоттинга. Изображение слева показывает равную загрузку иммунопреципитированных белков после переноса на PVDF-мембрану и окрашивания раствором Ponceau S. Изображение справа показывает хемилюминесцентный сигнал конъюгированного с HRP антитела против антитела против GFP, используемого для анализа иммуноблоттинга.Дорожки, обозначенные буквой M, загружены двойным окрашиванием белкового маркера Precision Plus (Bio-Rad Laboratory). Стрелкой показана полоса GFP (≈27 кДа) после воздействия LAS3000 в течение 5 мин.

Чтобы подтвердить экспрессию трансгена, нацеленную на хлоропласт, опосредованную кластерными комплексами pDNA / CTP / CPP, мы использовали экспрессию флуоресцентного варианта с улучшенной точечной мутацией гена зеленого флуоресцентного белка ( GFP (S65T) ) 14, контролируемого пластидным специфический конститутивный промотор rrn16 ( Prrn ) и 3′-нетранслируемые области гена psbA ( TpsbA ) в векторе временной экспрессии p Prrn :: GFP (S65T) :: TpsbA (рисунок S4a и Таблица S2, Дополнительная информация).Комплексы p Prrn :: GFP (S65T) :: TpsbA / KH 9 -OEP34 были составлены с отношениями N / P = 0,1, 0,5, 1,0, 5,0 и 10 (рисунок S4b, вспомогательная информация). Характеристики размера комплекса, поверхностного заряда и морфологии пДНК / ЦТФ и кластерных комплексов пДНК / ЦТФ / СРР были выполнены ранее. Включение p Prrn :: GFP (S65T) :: TpsbA с увеличением количества ЦТФ постепенно уменьшало гидродинамический диаметр комплексов пДНК / ЦТФ, образующихся при соотношении N / P до 5.0, в то время как поверхностные заряды этих комплексов постепенно увеличивались (рисунок S4b и таблица S5, дополнительная информация). Подвижность молекул пДНК в электростатическом поле регулярно замедлялась с увеличением количества CTP в сложных растворах (рисунок S4c, вспомогательная информация). На основании нашей эффективности трансфекции в листьях Arabidopsis , трансфицированных комплексами p PpsbA :: Rluc / CTP, глобулярные комплексы pDNA / CTP с размером частиц 190 нм образовывались при соотношении N / P, равном 1.0 (рис. S4b – d, подтверждающая информация) были выбраны для проведения пластид-специфического анализа экспрессии GFP с помощью инфильтрации листьев Arabidopsis . Однако листья, трансформированные этими комплексами, не показали экспрессии GFP (рис. 2c). Затем мы модифицировали комплекс пДНК / CTP, добавив BP100, чтобы сформировать кластерный комплекс pDNA / CTP / CPP для усиления клеточной интернализации комплексов pDNA / CTP. Увеличение количества CPP постепенно увеличивало размер частиц комплексов пДНК / CTP / CPP, образованных при различных соотношениях N / P (рисунок S5a и таблица S6, дополнительная информация).Поверхностные заряды комплексов пДНК / CTP / CPP постепенно увеличивались (рисунок S5a, вспомогательная информация). Анализы сдвига подвижности в электрофоретическом геле показали, что молекулы пДНК медленно высвобождались из комплексов пДНК / CTP / CPP, образованных при более высоких соотношениях N / P по сравнению с комплексами пДНК / CTP (рисунок S5b, вспомогательная информация). Что касается этого, отрицательно заряженный сферический небольшой комплекс (170 нм) из кластеризованной пДНК / CTP / CPP с ≈40% включения пептида при соотношении N / P, равном 1.0 (рис. S5c – e, вспомогательная информация) был выбран для анализа экспрессии. Через 24 часа после трансформации флуоресцентный сигнал GFP был обнаружен в хлоропластах листьев Arabidopsis (рисунок 2c и рисунок S6, дополнительная информация). Для дальнейшего подтверждения экспрессии GFP в хлоропластах трансформированных листьев мы выделили хлоропласты из листьев Arabidopsis , трансформированных только p Prrn :: GFP (S65T) :: TpsbA , комплексами pDNA / CTP или кластерами pDNA / CTP / Комплексы CPP и иммунопреципитирование GFP из белков хлоропластов для обнаружения с помощью анализа иммуноблоттинга.Вестерн-блоттинг иммунопреципитированных фракций белков хлоропластов Arabidopsis показал, что GFP накапливается в хлоропластах листьев, трансформированных сгруппированными комплексами pDNA / CTP / CPP (рис. 2d). Накопление GFP не было обнаружено в иммунопреципитированных фракциях белков хлоропластов Arabidopsis , выделенных из листьев, трансфицированных только пДНК или комплексами пДНК / ЦТФ. Этот результат подтверждает, что кластерные пептидные комплексы CTP / CPP служат в качестве эффективного носителя, обеспечивающего экспрессию трансгена хлоропластами в интактных растениях.

Мы также выяснили участие пептидов CTP и CPP в нацеливании доставки пДНК в пластиды путем анализа экспрессии трансгена в листьях Arabidopsis , трансфицированных комплексами пДНК / ВР100. Комплексы p PpsbA :: Rluc / BP100 образовывались при различных соотношениях N / P. Эти комплексы p PpsbA :: Rluc / CPP проявляли физико-химические свойства, отличные от свойств комплексов pDNA / CTP и pDNA / CTP / CPP (рисунок S7a, b, вспомогательная информация).Однако эти комплексы пДНК / СРР не показали значительной эффективности трансфекции в листьях растений (рисунок S7c, дополнительная информация). Тем не менее, трансфекция листьев Arabidopsis комплексами p Prrn :: GFP (S65T) :: TpsbA / CPP не показала хлоропласт-специфической экспрессии GFP (фигура S7d, e, вспомогательная информация). Эти результаты показывают, что CTP KH 9 -OEP34 играет решающую роль в смешанной системе-носителе CTP / CPP для нацеливания доставки гена в пластиды.

2.3 Экспрессия репортерных генов в

Nicotiana benthamiana Хлоропластах

Чтобы проверить способность кластерных комплексов трансфицировать хлоропласт у других видов растений, мы применили наиболее эффективный препарат на основе пептидов, нацеленных на хлоропласты, для временной экспрессии трансгена в интактных листьях Nicotiana benthamiana ( N. benthamiana ). , наиболее широко используемый материал листьев растений в молекулярной биологии растений.Комплексы пДНК / ЦТФ и кластерные комплексы пДНК / ЦТФ / СРР были составлены с использованием экспрессионных векторов Rluc и GFP при соотношении N / P 1,0 и ранее оптимизированной концентрации пДНК (1,0 мкг 100 мкл -1 ). Экспрессия трансгена, нацеленного на хлоропласт, в листьях N. benthamiana , опосредованная GFP -кодирующим комплексом p Prrn :: GFP (S65T) :: TpsbA / CTP / CPP, была подтверждена наблюдением с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (CLSM). и иммуноблоттинг.Как и в случае с A. thaliana , мы не смогли обнаружить сигнал GFP в хлоропластах листьев, трансформированных только p Prrn :: GFP (S65T) :: TpsbA или комплексами pDNA / CTP ( Рисунок 3a и Рисунок S8 , Вспомогательная информация). Напротив, мы обнаружили значительное количество хлоропластов с различными сигналами GFP в одной клетке мезофилла растения, трансформированного сгруппированными комплексами пДНК / CTP / CPP через 24 часа после инфильтрации (рисунок 3a и рисунок S8, вспомогательная информация).После иммунопреципитации антителом против GFP и иммуноблоттинга мы обнаружили GFP-специфичную полосу только во фракции иммунопреципитированного белка, полученной из хлоропластов, выделенных из листьев, трансформированных с использованием кластерных комплексов пДНК / CTP / CPP (рисунок 3b и рисунок S9, подтверждающая информация). По сравнению с обработкой только p PpsbA :: Rluc , листьев N. benthamiana , трансформированных с использованием комплексов p PpsbA :: Rluc / CTP, показали 1,4-кратное увеличение активности Rluc, тогда как активность Rluc в листьях, трансформированных с использованием кластеризованных Комплексы пДНК / CTP / CPP были заметно выше (2.2-кратный) (рис. 3в). Эти результаты означают, что кластерный генный носитель на основе пептида CTP / CPP может эффективно использоваться независимо от типов растений для опосредования экспрессии трансгена в хлоропластах.

Временная экспрессия репортерных белков в хлоропластах клеток листьев N. benthamiana , опосредованная кластерными комплексами пДНК / CTP / CPP. a) CLSM-наблюдение GFP в хлоропластах через 24 часа после инфильтрации только pDNA (p Prrn :: GFP (S65T) :: TpsbA ), комплексов pDNA / KH 9 -OEP34 или кластерных pDNA / KH 9 -ОЭП34 / БП100 комплексы.Масштабные линейки = 20 мкм. б) Иммунопреципитация и вестерн-блоттинг GFP, экспрессированного в хлоропластах листьев N. benthamiana через 24 часа после трансформации только пДНК (p Prrn :: GFP (S65T) :: TpsbA ), pDNA / KH 9 Комплексы -OEP34 или кластерные комплексы pDNA / KH 9 -OEP34 / BP100. Стрелкой показана полоса GFP на мембране после детектирования хемилюминесценции в течение 5 мин. c) Активность люциферазы Renilla в листьях N. benthamiana через 24 часа после инфильтрации p только PpsbA :: Rluc , комплексов pDNA / KH 9 -OEP34 и pDNA / KH 9 -OEP34 / BP100 комплексы при соотношении N / P, равном 1.0. Распределение активности люциферазы восьми образцов листьев, инфильтрованных различными растворами ( n = 8), представлено в виде прямоугольной диаграммы. Красные линии представляют собой медианное значение. Различные буквы указывают на значительные различия между средними значениями активности люциферазы, проанализированными с помощью однофакторного дисперсионного анализа и теста HSD Тьюки при p = 0,05.

2.4 Кластерная трансформация небеленых пластид, опосредованная комплексом пДНК / CTP / CPP

Незеленые пластиды, такие как хромопласты, лейкопласты и амилопласты, были транспластомно сконструированы для увеличения производства полезных для здоровья соединений, таких как витамин А, и коммерчески важных биополимеров, таких как полигидроксиалканоаты.15 Чтобы обеспечить экспрессию трансгена в этих пластидах, мы использовали кластерные комплексы pDNA / CTP / CPP для трансформации пластид двух растений семейства Solanaceae, а именно томата и картофеля. Было показано, что помидор дифференцирует хлоропласты в хромопласты, накапливающие каротиноиды во время перехода зрелых зеленых плодов в созревшие красные плоды.3, 16 Во-первых, мы оценили эффективность нацеливания экспрессии трансгена ( Rluc ) на пластиды путем введения кластеризовали комплексы p PpsbA :: Rluc / CTP / CPP в зрелые зеленые и созревшие красные плоды томатов с помощью шприцевой инъекции (рисунок S10, дополнительная информация).На стадии зрелого зеленого цвета плоды, трансформированные комплексами пДНК / ЦТФ, показали значительную, в 2,3 раза более высокую активность Rluc, чем у плода, инъецированного только пДНК ( фигура 4a). Примечательно, что модификация поверхности комплексов p PpsbA :: Rluc / KH 9 -OEP34 с помощью BP100 приводила к пятикратному повышению активности Rluc (по сравнению с базальной активностью Rluc в контрольных плодах, содержащих только pDNA) в зрелых плодах. зеленый плод (рис. 4а). Базальная активность Rluc в созревших красных плодах, которым вводили только p PpsbA :: Rluc , была заметно ниже, чем у зрелых зеленых плодов (рис. 4a, b).Точно так же созревшие красные плоды, которым вводили комплексы pDNA / CTP / CPP, демонстрировали активность Rluc в ≈3,5 раза выше, чем у плодов, которым вводили только pDNA (рис. 4b). Эти результаты предполагают, что кластерные комплексы пДНК / CTP / CPP могут опосредовать трансформацию различных типов пластид на двух разных стадиях развития плода томата.

Экспрессия репортерных белков в незеленых пластидах томата и картофеля, опосредованная кластерными комплексами пДНК / CTP / CPP.a, b) Активность люциферазы Renilla на двух разных стадиях плодов томата через 24 часа после инфильтрации p только PpsbA :: Rluc , комплексов pDNA / KH 9 -OEP34 и кластеризованных pDNA / KH 9 — Комплексы OEP34 / BP100 при соотношении N / P 1,0. В плоды томатов с помощью игольного шприца вводили 100 мкл комплексного раствора. Распределение активности люциферазы в 12 зрелых зеленых плодах и 6 созревших красных плодах для каждой обработки ( n = 12 и n = 6, соответственно) показано в виде прямоугольной диаграммы.Красные линии обозначают медианное значение. Зеленые точки на (а) представляют выбросы. Разные буквы указывают на значительные различия между группами данных, проанализированных с помощью однофакторного дисперсионного анализа и теста HSD Тьюки при p = 0,05. в) Экспрессия DsRed в хромопластах мезокарпических клеток созревших красных плодов томата. Масштабные линейки = 20 мкм. d) Активность Rluc в срезах клубней картофеля, трансформированных только pDNA (p PpsbA :: Rluc ), комплексами pDNA / KH 9 -OEP34 и кластерными комплексами pDNA / KH 9 -OEP34 / BP100 при N / Коэффициент P 1.0. Различные буквы указывают на значительные различия между обработками, проанализированными с помощью однофакторного дисперсионного анализа и теста HSD Тьюки при p = 0,05 ( n = 8). д) Наблюдение с помощью CLSM экспрессии DsRed, опосредованной кластеризованными комплексами p Prrn :: DsRed :: TpsbA / CTP / CPP в амилопласте клубня картофеля через 24 часа после вакуумной инфильтрации. Масштабные линейки = 10 мкм.

Для подтверждения хромопласт-специфической экспрессии трансгена, доставляемого кластерными пептидными комплексами, мы сконструировали плазмиду, кодирующую красный флуоресцентный белок (DsRed), и пластид-специфический промотор, который может различать автофлуоресценцию каротиноидов в хромопласте созревшего -красный фрукт.Экспрессия гена DsRed транскрипционно контролировалась конститутивным пластид-специфическим промотором rrn16 и терминатором psbA (рисунок S11a и таблица S2, подтверждающая информация). Характеристику комплексов p Prrn :: DsRed :: TpsbA / CTP и pDNA / CTP / CPP проводили, как и ранее. Гидродинамический диаметр комплексов пДНК / ЦТФ, образованных при различных соотношениях N / P до 5,0, неуклонно снижался (рисунок S11b и таблица S7, дополнительная информация).Поверхностные заряды комплексов пДНК / ЦТФ значительно увеличиваются при соотношении N / P = 1,0–10 (рисунок S11b, подтверждающая информация). Анализы задержки геля показали, что подвижность молекул пДНК в электростатическом поле постепенно замедлялась с увеличением отношения N / P (рисунок S11c, вспомогательная информация). Комплексы пДНК / CTP, образованные при соотношении N / P 1,0, были небольшими, глобулярными (рис. S11d, подтверждающая информация), отрицательно заряженными и, следовательно, были выбраны для модификации поверхности с помощью BP100. CPP BP100 был успешно включен в комплексы pDNA / CTP, на что указывает уменьшение гидродинамических диаметров и увеличение поверхностных зарядов комплексов pDNA / CTP / CPP, образованных при различных соотношениях N / P (рисунок S12a и таблица S8, подтверждающая информация).Анализы сдвига электрофоретической подвижности показали замедление образования молекул пДНК в сложных растворах, образованных при более высоких соотношениях N / P (рисунок S12b, дополнительная информация). Полученные комплексы пДНК / CTP / CPP с размером частиц менее 115 нм и отрицательно заряженной поверхностью с ≈44% включения CPP при соотношении N / P 1,0 (рис. S12c – e, подтверждающая информация) были выбраны для трансформации. спелых красных плодов помидора.

Хромопласты созревших красных плодов могут различаться по внешнему виду: от шаровидных до неправильных или в виде игольчатых кристаллоидных структур.4 Экспрессия DsRed в хромопласте созревших красных плодов наблюдалась с помощью визуализации CLSM. Мы не смогли обнаружить какой-либо сигнал DsRed в хромопласте плода через 24 часа после инъекции как с p Prrn :: DsRed :: TpsbA -only control, так и с комплексными растворами pDNA / CTP (рис. 4c, верхняя и средняя панели и Рисунок S13, Дополнительная информация). Однако в плодах, которым вводили кластерные комплексы pDNA / CTP / CPP, четкие сигналы DsRed, которые совместно с аутофлуоресценцией каротиноидов в хромопластах можно было увидеть через 24 часа после инфильтрации (рисунок 4c, нижняя панель и рисунок S13, подтверждающая информация ).Это открытие предполагает, что комплексы CTP / CPP могут функционировать как эффективные носители генов для специфической нацеливания экспрессии трансгена на хромопласт в плодах томата.

В других приемных органах, таких как корень и клубень, растительная клетка дифференцирует пропластиды в неокрашенные пластиды, такие как лейкопласт и пластида, накапливающая крахмал, называемая амилопластом.17 Используя нашу систему, мы попытались преобразовать эти пластиды в клетку корня. помидора. Сегменты корней проростков томатов пропитывали под вакуумом либо только p PpsbA :: Rluc , либо растворами комплекса пДНК / пептид.Не было обнаружено заметных различий в активности Rluc в сегментах корня, трансформированных p PpsbA :: Rluc с или без CTP (рисунок S14a, вспомогательная информация). Более того, кластерные комплексы pDNA / CTP / CPP увеличивали активность Rluc в сегментах корня в ≈2,0 раза через 24 часа после вакуумной инфильтрации. Кластерные комплексы p Prrn :: DsRed :: TpsbA / CTP / CPP вводили в корень томата для подтверждения экспрессии пластид-специфичного трансгена в клетках корня с помощью визуализации CLSM. В то время как клетки корня, трансформированные только p Prrn :: DsRed :: TpsbA , не проявляли флуоресценции DsRed, локализованный в пластиде сигнал DsRed наблюдался в клетках корня, трансформированных кластерными комплексами pDNA / CTP / CPP через 24 часа после трансформации. (Рисунок S14b, c, вспомогательная информация).

Впоследствии мы расширили применение нашей системы, доставляя пДНК с помощью кластерных носителей на основе пептидов в амилопласты клубней картофеля. Срезы картофеля, трансформированные комплексами p PpsbA :: Rluc / CTP, проанализированные через 24 часа трансформации, проявляли активность Rluc на уровнях, сравнимых с уровнем только pDNA-контроля (фиг. 4d). Напротив, ломтики картофеля, трансформированные p PpsbA :: Rluc / CTP / CPP, показали значительно более высокие значения (2.7-кратное увеличение по сравнению с обработкой только pDNA) уровней активности Rluc (рис. 4d). Мы также проверили специфичность экспрессии трансгена в амилопласте с помощью наблюдения CLSM. Через 24 часа после инфильтрации ломтиков картофеля сгруппированными комплексами p Prrn :: DsRed :: TpsbA / CTP / CPP мы наблюдали усиление флуоресцентных сигналов, возникающих из-за перекрытия DsRed с амилопластом (аутофлуоресценция хлорофилла вызывалась воздействием картофеля. ломтики клубней на свету) (Рисунок 4e и Рисунок S15, Дополнительная информация).Подводя итог, мы пришли к выводу, что кластерные комплексы пДНК / CTP / CPP улучшают эффективность трансформации запасных пластид в приемных клетках корней томатов и клубней картофеля за счет увеличения способности груза проникать через клеточные барьеры.

2.5 Субклеточное распределение и нацеливание пДНК на пластиды, опосредованные кластеризованными носителями CTP / CPP

Исследования внутриклеточного распределения с использованием наблюдений CLSM кластеризованных комплексов пДНК / CTP / CPP, меченных цианином-3 (Cy3), в растительных клетках показали, что молекулы пДНК, меченные Cy3, преимущественно локализовались в цитоплазме трансформированных растительных клеток после 2 ч инкубации ( рис. 5а, б).Мы обнаружили флуоресценцию Cy3 во множестве хлоропластов в клетках растений (рис. 5c), при этом выбранные хлоропласты широко покрыты флуоресценцией Cy3 (рис. 5d). Наблюдение за течением времени комплексов пДНК / пептид в клетках листа N. benthamiana показало, что комплекс напрямую транспортируется к хлоропластам через внутриклеточную сеть и сливается с мембранами хлоропластов через 2 часа после инфильтрации (рис. 5e и фильм S1). , Вспомогательная информация). Z -stack визуализация хлоропластов в растительных клетках, трансформированных Cy3-меченными комплексами пДНК / CTP / CPP, показала, что комплексы взаимодействуют с хлоропластной мембраной и интернализуются в хлоропласт, высвобождая груз пДНК (рисунок S16, вспомогательная информация).

Нацеленная доставка пДНК в пластиду в растительной клетке с использованием комбинации CTP и CPP. а, б) Интернализация кластерных комплексов пДНК / CTP / CPP в растительные клетки. CLSM-изображения листа N. benthamiana через 2 часа после трансформации Cy3-меченными комплексами пДНК / CTP / CPP. Наблюдение CLSM за а) клетками губчатого мезофилла и б) клетками палисадного мезофилла обнаруживает присутствие флуоресцентных Cy3-меченных молекул пДНК (голубых), доставляемых с использованием комплекса CTP / CPP в клетки.Автофлуоресцентные сигналы хлорофилла показаны пурпурным цветом. в, г) Нацеливание молекул пДНК на пластиды. c) Через 2 часа после инфильтрации было обнаружено, что Cy3-меченные комплексы пДНК / CTP / CPP (голубой) колокализуются с пластидами (пурпурный) в растительных клетках. г) Одна из нескольких пластид, широко покрытых Cy3-меченными комплексами пДНК / CTP / CPP. д) Наблюдение за изменением во времени комплексов пДНК / CTP / CPP, меченных Cy3, доставленных в хлоропласты. Стрелки указывают исходное положение комплексов до приближения к хлоропластам.е – i) Образование везикул в клетках, трансфицированных комплексом Cy3-pDNA / CTP / CPP. Совместная локализация комплексов Cy3-pDNA / CTP / CPP (голубой) с флуоресцентным красителем FM4-64 (пурпурный), окрашивающим плазматическую мембрану, наблюдалась с помощью визуализации CLSM через 2 часа после инфильтрации. Белая стрелка указывает на связанные с мембраной везикулы в (f) и (h), а красные стрелки указывают на свободные везикулы в цитоплазме (cp) в (h). g, i) Флуоресцентные профили (представленные желтой пунктирной линией поперек везикул) указывают на совместную локализацию сгруппированных комплексов пДНК / CTP / CPP с мембраносвязанными везикулами в (f) или свободными везикулами в (h).Мембрану растительной клетки окрашивали FM4-64 (пурпурный). Масштабные линейки = 10 мкм в (a) и (b), 5 мкм в (c) — (e) и 4 мкм в (f) и (h).

Затем мы проследили интернализацию сгруппированных комплексов пДНК / CTP / CPP через границы растительных клеток путем совместной локализации с флуоресцентным красителем, окрашивающим плазматическую мембрану, FM4-64. Включение FM4-64 в комплексный раствор не влияет на свойства кластеризованных Cy3-меченных комплексов pDNA / CTP / CPP (рисунок S17, вспомогательная информация).Мы обнаружили, что кластерные Cy3-меченные комплексы pDNA / CTP / CPP совместно локализованы с большими (≈2 мкм) везикулами, связанными с плазматической мембраной (окрашенными FM4-64) в растительных клетках, инфильтрированных Cy3-меченными pDNA / CTP / CPP. комплексы через 2 ч инкубации (рис. 5f – i). Эти везикулы уменьшились (≈0,5 мкм) после отделения от плазматической мембраны и перемещались как свободные везикулы в цитоплазму (рис. 5h, i). В целом, эти результаты показали, что сгруппированные грузы пДНК / ЦТФ / СРР были способны проникать в клетки растений, индуцируя образование больших везикул, после чего молекулы пДНК переносились в пластиды посредством эндомембранного переноса по внутриклеточной сети, где пДНК наконец были выпущены молекулы.

3 Обсуждение

Электростатическое взаимодействие между отрицательно заряженными молекулами пДНК и положительно заряженным катионным нацеливающим на хлоропласт пептидом KH 9 -OEP34 позволяет конденсации пДНК с образованием сферических комплексов пДНК / ЦТФ. Поверхностные заряды комплекса переходят с отрицательных на положительные с увеличением отношения N / P. Это комплексообразование пептид / ДНК является кинетически и термодинамически управляемым процессом, который может вызывать изменение физико-химических свойств и морфологий различных комплексов пДНК / пептид.18 Было также показано, что взаимодействие молекулы пДНК с пептидом модулирует вторичную структуру CTP, уменьшая его способность доставлять молекулы пДНК в пластиды, 19 особенно при более высоких соотношениях N / P. 12, 20 Однако включение различной длины молекул пДНК с CTP / CPP приводит к получению отличительных комплексов пДНК / пептид с различными физико-химическими характеристиками, но не оказывает значительного влияния на эффективность трансфекции.21 Кроме того, снижение эффективности трансформации комплексов пДНК / CTP, образующихся при более высоких соотношениях N / P , выше оптимальной точки, может быть связано с медленной диссоциацией комплексов пДНК / ЦТФ, однажды доставленных в пластиды.22 Напротив, комплексы пДНК / ЦТФ, образованные при субоптимальных / более низких соотношениях N / P, могут дестабилизировать преждевременно и высвобождать связанную пДНК до достижения пластид через мембранно-ассоциированный захват комплексов пДНК / ЦТФ органеллами, как показано в предыдущем отчете. 12

Добавление положительно заряженного, связывающегося с мембраной, катионного CPP BP100 к комплексам pDNA / CTP привело к получению кластерных комплексов pDNA / CTP / CPP размером менее микрометра, которые повышали эффективность трансфекции пластид.Кроме того, мы обнаружили, что комплексы, образованные с использованием BP100, BP100-KH 9 или KH 9 -BP100, проявляют аналогичные размеры, но разную эффективность трансфекции. Более высокие уровни экспрессии трансгена были достигнуты с использованием свободного BP100, что свидетельствует о решающей роли CPP в индукции захвата кластеризованных комплексов pDNA / CTP / CPP в растительную клетку, в результате чего он должен свободно экспонироваться на поверхности комплекса. Эксперимент по интернализации клеток показал, что сгруппированные комплексы пДНК / CTP / CPP предпочтительно интернализуются в клетки растений, индуцируя образование крупных внутриклеточных везикул и их транспортировку.Наночастицы размером от 120 до 200 нм в основном подходят для клеточного поглощения растительными клетками.23 Эти комплексы могут перемещаться через границы растительных клеток в пластиды после диссоциации от крупных эндосом.24 Присутствие BP100 на поверхности комплексов. может также, в качестве дополнительного преимущества, способствовать устойчивости к разрушению чужеродными молекулами во внутриклеточном пространстве до распада комплексов ДНК / CTP из CPP для высвобождения ДНК в пластиде.25

Эффективность CTP в комбинации с CPP для доставки молекулы пДНК через плазматическую мембрану и впоследствии через бислой пластидной мембраны относительно одинакова среди дифференцированных типов пластид в различных типах клеток. Хорошо известно, что в одной клетке мезофилла листа содержится до сотни хлоропластов1, 26 тогда как в одной перикарпической клетке плодов томата содержится ≈70 пластид.3,27 Интересно, что мы обнаружили, что листья A. thaliana и Н.benthamiana , а также зрелые зеленые плоды томатов, независимо от типа клеток, могут быть трансформированы с помощью кластерных комплексов пДНК / CTP / CPP с аналогичной эффективностью. Кроме того, наша экспрессия трансгена приводит к хромопластам созревших плодов красного томата, лейкопластам и амилопластам корня томата и клубня картофеля, что показывает, что комплекс CTP / CPP способен трансформировать даже незеленые пластиды, хотя и с меньшей скоростью. Это открытие указывает на то, что временная экспрессия гена в пластиде с использованием носителей на основе пептидов не зависит от топологии пластидных мембран или количества пластид на клетку.Было обнаружено, что общие скорости транскрипции и трансляции пластидных генов, участвующих в фотосинтезе во время перехода хлоропласта в хромопласт или хлоропласта в амилопласт, значительно подавляются в плодах томата и клубнях картофеля.3, 28 Поскольку промотор, используемый для управления экспрессией гена Rluc в наших количественных исследованиях это индуцируемый светом промотор psbA , уровень экспрессии трансгена в незеленых пластидах будет ниже, чем в хлоропластах.29 Вместо этого экспрессия генов, нацеленных на неспелые пластиды, опосредованная кластерными комплексами CTP / CPP, может быть дополнительно улучшена путем использования хромопластов / амилопластов-специфичных промоторов или конститутивного промотора rrn16 , который функционирует в различных типах пластид для регуляции экспрессии генов. .3, 7, 29

Перенос гена в пластиды как у модельных растений ( A. thaliana и N. benthamiana ), так и у видов сельскохозяйственных культур ( Solanum lycopersicum ( S.lycopersicum ) и Solanum tuberosum ) обычными методами технически сложно, в то время как для Nicotiana tabacum ( N. tabacum ) это обычная процедура. Факторы, такие как специализированный состав стенок растительных клеток, прочность ткани, цитотоксичность носителя для растительных клеток, плотность пластид и различная скорость регенерации растений, определяют эффективность трансформации у этих видов. До сих пор трансформация пластид в фотосинтетических и нефотосинтетических тканях была достигнута с помощью бомбардировки микрочастицами, 5-7 PEG-опосредованной трансформации протопластов 8 или точной микроинъекции молекулы ДНК в отдельные хлоропласты в растительной клетке.9 Обычно генетически стабильная транспластомная линия может быть получена через 8–12 месяцев после трансформации с использованием стандартных протоколов трансформации пластид. 5 Однако в экспериментах по временной экспрессии генов одной GFP-положительной пластиды на клетку при одной обработке считалось достаточным для анализ, основанный на трансформации пластид листьев A. thaliana и N. tabacum , ломтиков клубней картофеля, а также лепестков календулы путем бомбардировки частицами и микроинъекции.7, 9 В качестве сравнительного контрольного эксперимента мы выполнили бомбардировку частицами, чтобы выяснить эффективность трансфекции пластид этим методом. Бомбардировка частицами золота, покрытыми p PpsbA :: Rluc , на листья Arabidopsis и две разные стадии ломтиков томатов показала примерно двукратное увеличение активности Rluc по сравнению с образцами растений, трансфицированных только частицами золота (рисунки S18a и S19a, b, вспомогательная информация). Временная экспрессия флуоресцентных белков в различных типах пластид, опосредованная бомбардировкой частицами, также обеспечивала относительно аналогичные закономерности, как при использовании кластерной системы-носителя CTP / CPP (рисунки S18b и S19c, d, вспомогательная информация).Однако трансфекция растительных клеток бомбардировкой частицами может привести к неправильной локализации кассеты экспрессии генов, поскольку частицы золота случайным образом проецируются во все компартменты трансфецированных растительных клеток (рисунок S18c, вспомогательная информация) .30 Использование аналогичных параметров временной экспрессии (включая время инкубации и количество пДНК на обработку), наша система трансфекции пластид на основе смешанных пептидов показала более высокую эффективность и специфичность в отношении доставки ДНК в пластиды.Мы обнаружили, что ≈10−12 хлоропластов в листьях A. thaliana или N. benthamiana и от пяти до шести незеленых пластид в фруктах томата или ломтиках картофеля были положительными по экспрессии флуоресцентного белка через 24 часа после инфильтрации кластерной пДНК / Комплексы CTP / CPP. Более того, активность люциферазы Renilla в различных трансформированных растительных тканях была на уровне, достаточно высоком (3–10-кратном) для количественного анализа через 16–48 ч после трансформации, что свидетельствует о множестве успешных трансформированных пластид на обработку.Эти уровни экспрессии могут существенно изменить функцию пластидного гена, что требует незначительных изменений для повышения его биологической роли в растительной ткани. Этот результат предполагает, что наша смешанная система-носитель пептидов преодолевает существующие ограничения трансформации пластид. Это может быть связано с повышенной способностью сгруппированных комплексов CTP / CPP перемещать и направлять молекулы пДНК в пластиды. Тем не менее, наша текущая доставка генов на основе кластерных пептидов сокращает время эксперимента, необходимое для всестороннего изучения биомолекул в определенном типе пластид.

Наноносители — прекрасные материалы для доставки генов к растительным клеткам, но не обладают активностью, чтобы определять доставку биомолекул к органеллам растения-мишени. Интересно, что есть совсем недавний успешный пример транспортировки кассет экспрессии генов в пластиды с использованием химически модифицированных однослойных углеродных нанотрубок.31 Самая поразительная способность кластерного пептидного носителя CTP / CPP заключается в том, что он специфически нацелен на пассивную доставку Молекулы ДНК в пластиды путем распознавания топологии мембраны с определенной последовательностью CTP.Носитель на основе пептидов также потенциально обеспечивает физический барьер и защищает молекулу ДНК от клеточных нуклеаз, конденсируя ДНК с ядром комплекса ДНК / пептид, не влияя на его функцию. Наша технология транзиторной экспрессии на основе пептидов позволяет использовать передовую технику для быстрых анализов in-planta пластидных генов с неизвестными функциями или летальных генов, кодируемых пластомами. Однако обеспокоенность общественности по поводу использования экзогенных молекул ДНК для модификации генетического фона растений ограничивает платформы модификации пластома на основе ДНК.Пептид-носитель способен транспортировать не только молекулу ДНК, но и биомакромолекулы, такие как короткие РНК, белки и комплексы, для понимания их императивной функции в пластидах. Этот кластерный носитель CTP / CPP обеспечивает доставку множества биомакромолекул в пластиды для эффективной модификации метаболического процесса в этих органеллах. Хотя выбранные CPP и CTP способны перемещать биомолекулы через клеточную и пластидную мембраны, могут существовать другие превосходные последовательности CPP / CTP и комбинации пептидов, которые обеспечивают более высокую эффективность трансфекции.По сути, способность CPP проникать в клетки и способность CTP нацеливаться на пластиды могут быть дополнительно улучшены путем изучения новых комбинаций CTP и CPP на основе известных в настоящее время CPP и CTP. Последовательности BP100 и KH 9 -OEP34 могут быть дополнительно химически модифицированы для повышения эффективности интернализации клеток и транслокации пластид пептидов.32 Более того, биомакромолекулы могут также эффективно транспортироваться к другим органеллам растения, таким как митохондрии и пероксисомы, посредством замена CTP в тройных комплексах на органеллоспецифические транспортирующие пептиды.12

Миниатюрный носитель CTP / CPP обладает замечательной способностью проникать через прочную клеточную стенку и мембраны растений, специфически доставляя биомолекулы в пластиды. Более того, его можно использовать для переноса множества регуляторных биомолекул для контроля метаболических потоков коммерчески важных растительных соединений, синтезируемых внутри пластид. Платформа доставки биомолекул на основе пептидов поддерживает разработку высокопроизводительных технологий и может обеспечить улучшение качественных характеристик, производство продуктов питания для животных и людей, а также производство биоактивных соединений в интеллектуальном сельском хозяйстве следующего поколения.Однако основная стоимость платформы трансформации органелл на основе пептидов в настоящее время зависит от синтеза пептидов и соответствующих биомакромолекул. Разработка метода изготовления и процесса очистки этих компонентов с использованием гибридно-химического синтеза33 и технологии рекомбинантной ДНК может быть лучшим решением для минимизации производственных затрат на эту выдающуюся технологию.

4 Заключение

Наше текущее исследование представляет идею использования пептида, нацеленного на органеллы, т.е.е. пептид со способностью направлять груз ДНК в конкретный внутриклеточный компартмент для модификации органеллома растения. Кроме того, комбинация CTP и CPP может обеспечить стратегию для транспорта не только ДНК, но и других биомакромолекул (мРНК, протеин и комплексы) и биоактивных соединений в пластиды любого интактного растения. Наши кластерные комплексы CTP / CPP представляют собой новый и простой, но эффективный инструмент для функционального анализа генов и инженерии пластома в различных типах пластид различных интактных тканей растений без необходимости трудоемкой подготовки материала или дорогостоящих инструментов.Эта передовая научная платформа обеспечивает надежную стратегию, которая позволяет манипулировать метаболическими путями внутри пластид и, что более важно, может уменьшить обеспокоенность общественности относительно безопасности использования трансгенных материалов из-за способности платформы нетранспластомно изменять растения.

5 Экспериментальная часть

Растительные материалы и условия культивирования : Семена A. thaliana col-0 проращивали в почве (Promix, Ривьер-дю-Лу, Канада) с добавлением вермикулита в соотношении 2: 1 и инкубировали при 22 ° C. с периодами света / темноты 16/8 часов при фотонах 100 мкм м -2 с -1 в камере для выращивания в течение 4 дней.Затем растения культивировали при 22 ° C с 8/16 часами света / темноты при 80 мкмоль фотонов на m -2 с -1 в камере для выращивания. В опытах использовали полностью распустившиеся листья растений 3-4-недельного возраста.

Семена N. benthamiana и томата ( S. lycopersicum cuv . MicroTom) были посеяны и проращены в почву при 25 ° C с 12/12 часами света / темноты при 80 мкмоль фотонов м −2 с — 1 в камере роста на 7 дней.Затем растения культивировали в почве при 22 ° C с 8/16 часами света / темноты при 80 мкмоль фотонов на m -2 с -1 в камере для выращивания. В опытах использовали только третий-пятый полностью распустившиеся листья 4-5-недельных растений. Зрелые зеленые и созревшие красные плоды томатов трансформировали комплексным раствором. Для трансформации корней томатов проростки проращивали на среде ½ Gamborg’s B5 с добавлением 2% сахарозы и 0,7% агара при 25 ° C с 12/12 часами света / темноты при 80 мкмоль фотонов м -2 с -1 в камера роста перед вакуумной инфильтрацией.

Клубни картофеля закуплены на местном рынке. Клубни промывали проточной водопроводной водой с осторожной очисткой кожуры перед разрезанием их на кубики размером 1 см 3 . Ломтики картофеля готовили с использованием бритвы с размерами 0,5 см × 0,5 см × 2 мм и предварительно замачивали в среде ½ MS (pH 5,7) с добавлением 1% сахарозы перед трансформацией комплексным раствором.

Конструирование плазмидной ДНК : для конструирования вектора экспрессии p PpsbA :: Rluc (рисунок S1a и таблица S2, вспомогательная информация), a N.Фрагмент промотора tabacum psbA ( NtPsbA ) клонировали из ДНК, экстрагированной из листьев N. tabacum , с парой праймеров, описанной в таблице S9 (вспомогательная информация). Ген Rluc был амплифицирован из доступного вектора pDONR- cox2 :: rluc .12 Фрагмент промотора NtPsbA был субклонирован в сайты расщепления ферментом рестрикции Xba I / Bam HI и Rluc Фрагмент гена вставляли в сайты рестрикционного переваривания Bam HI / Eco RI в плазмиде pMDC107 (номер доступа TAIR: 10051).Для создания экспрессионных векторов p Prrn :: GFP (S65T) :: TpsbA и p Prrn :: DsRed :: TpsbA (таблица S2, подтверждающая информация) фрагмент промотора rrn был амплифицирован из генома табака. с промотор-специфическими праймерами, описанными в таблице S9 (вспомогательная информация). Фрагмент PsbA 3′-UTR ( TpsbA ) был клонирован из ДНК, экстрагированной из листьев N. tabacum . Фрагмент промотора rrn и фрагменты GFP (S65T) или DsRed были субклонированы в сайты расщепления ферментом рестрикции Xba I / Bam HI в векторе pUC19 (New England Biolabs, Ипсвич, Массачусетс, США). и фрагмент TpsbA вставляли в сайты рестрикции Bam HI / Eco RI полученных плазмид.Молекулы плазмидной ДНК, использованные в экспериментах по трансформации, экстрагировали из жидкой культуры Escherichia coli с использованием набора QIAGEN Plasmid Giga согласно протоколу производителя (QIAGEN, Hilden, Германия). Очищенную плазмидную ДНК хранили при -20 ° C и концентрации 1,0 мг пДНК / мл -1 .

Проникающие в клетки пептиды и пептиды, нацеленные на хлоропласты : CTP KH 9 -OEP34 и CPP BP100, BP100-KH 9 и KH 9 -BP100 были синтезированы, как описано ранее.11, 12 Их молекулярные массы были подтверждены методом времени пролета лазерной десорбции / ионизации с использованием матрицы. Изократические точки и чистые заряды при pH 7,0 были рассчитаны на основе их последовательностей, как показано в таблице S1 (вспомогательная информация).

Образование и характеристика кластерных комплексов плазмидная ДНК / пептид : Комплексы пДНК / пептид были составлены на основе отношения N / P, отношения молей аминогрупп (NH 3 + ) в CTP и CPP к отрицательно заряженным группам (PO 4 ) в молекулах пДНК.34 Плазмидная ДНК / KH 9 -OEP34 (pDNA / CTP) комплексы были образованы при различных соотношениях N / P путем добавления различных количеств раствора пептида KH 9 -OEP34 (1,0 мг / мл исходного раствора -1 ) к 10 мкг пДНК в воде до конечного объема 100 мкл. Растворы перемешивали встряхиванием и инкубировали при 25 ° C в течение 30 мин без встряхивания. После инкубации к раствору комплекса пДНК / ЦТФ добавляли различные количества проникающего в клетки пептида ВР100 (1,0 мг / мл -1 в воде) для образования комплексов пДНК / ЦТФ / СРР при различных соотношениях N / P.Растворы перемешивали встряхиванием и инкубировали при 25 ° C в течение 30 мин без встряхивания. Растворы комплексов pDNA / KH 9 -OEP34 или pDNA / KH 9 -OEP34 / BP100 затем разбавляли 700 мкл воды. Размер частиц комплексов определяли динамическим светорассеянием, а индекс полидисперсности определяли с помощью Zeta Nanosizer с использованием He-Ne-лазера 633 нм при 25 ° C с углом обнаружения обратного рассеяния 173 °. Поверхностный заряд комплексов измеряли с помощью дзета-потенциометра.Усредненные данные из трех повторов были получены с использованием программного обеспечения Zetasizer версии 6.20 (Malvern Instruments, Ltd., Вустершир, Великобритания). Сдвиги электростатической подвижности и высвобождение молекулы пДНК из комплексов анализировали путем растворения 20 мкл раствора комплекса в 0,8% мас. / Об. Агарозном геле в 1 × буфере трис-ацетат-ЭДТА (ТАЕ) при 100 В в течение 30 мин. Формирование комплексов, содержащих pDNA / CTP и слитые с N или C-концевым катионным доменом производные BP100 (KH 9 -BP100 и BP100-KH 9 ), проводили при соотношении N / P, равном 1.0 (от CPP к пДНК), и характеризацию проводили, как описано выше.

Морфологию комплексов пДНК / пептид исследовали в режиме AFM. Двадцать микролитров комплексного раствора, приготовленного при соотношении N / P 1.0, наносили на свежесколотую поверхность слюды и сушили на воздухе при 25 ° C в течение 3 часов. Затем образцы тщательно промывали водой и сушили на воздухе в эксикаторе (25 ° C, относительная влажность 20%) от 6 часов до ночи. Комплексы наблюдали на воздухе при комнатной температуре с использованием силиконового кантилевера (SI-DF3, Hitachi High-Tech Science Corporation, Токио, Япония) с жесткостью пружины, равной 1.7 Н · м −1 в режиме врезки AFM5300E (Hitachi High-Tech Science Cотрудничество).

Анализ свободных пептидов : Комплексы пДНК / ЦТФ и пДНК / ЦТФ / СРР были образованы при различных соотношениях N / P. Комплексные растворы и растворы, содержащие пептид без молекул пДНК, фильтровали через 0,1 мкм центробежные фильтрующие блоки Ultrafree-MC (Merck KGaA, Дармштадт, Германия) для отделения свободных пептидов от комплексов пДНК / пептид. Общее количество пептидов в растворе определяли с помощью набора для анализа белков BCA (Pierce Biotechnology).

Чистота свободных пептидов, выделенных из комплексов пДНК / ЦТФ и пДНК / ЦТФ / СРР, была подтверждена с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии с обращенной фазой. Система состоит из автоматического пробоотборника (AS-2055, JASCO, Токио, Япония), градиентного насоса (PU2089, JASCO), термостата колонки (CO-4060, JASCO) и колонки C18 (YMC-Triart C18, размер частиц 5 мкм, 150 × 4,6 мм, ВД, YMC, Киото, Япония) с УФ-детектором 210 нм. Градиентный режим подвижной фазы состоял из 10–55% ацетонитрила + 0.1% трифторуксусную кислоту использовали для анализа свободного пептида в течение 30 мин при скорости потока 1,0 мл мин. -1 .

Введение кластерных комплексов в различные ткани растений : Для инфильтрации листьев ≈100 мкл комплексного раствора, содержащего 1,0 мкг плазмидной ДНК, вводили в полностью развернутые листья A. thaliana и N. benthamiana из абаксиальной области. сторону листа с помощью шприца объемом 1 мл без иглы. Инфильтрованные листья растений инкубировали в стандартных условиях культивирования до 48 ч для анализа экспрессии.

Для инфильтрации корней сегменты первичного корня примерно 2 см из проростков томатов вырезали и дважды промывали средой ½ Gamborg’s B5 с добавлением 2% сахарозы без агара, а затем дважды водой. Затем сегменты корня помещали в 500 мкл комплексного раствора, содержащего 1,0 мкг плазмидной ДНК на 100 мкл -1 , и раствор пропитывали под вакуумом в ткани растения при 600 мм рт.ст. в течение 5 мин. После инфильтрации сегменты корня инкубировали в комплексном растворе в течение 30 минут перед тремя промывками средой ½ Gamborg’s B5 с добавлением 2% сахарозы без агара.Трансформированные сегменты корня инкубировали в среде 1/2 Gamborg’s B5 с добавлением 2% сахарозы с 0,7% агаром в темноте при 22 ° C в течение 24 часов.

В интактные зрелые зеленые или созревшие красные плоды томатов (1,5-2,0 см в диаметре) вводили 200 мкл комплексного раствора, содержащего 2,0 мкг плазмидной ДНК, с помощью шприца объемом 1 мл с присоединенной иглой 27 размера. Два-три миллиметра кончика иглы осторожно вводили в слой околоплодника плодов томата, и раствор медленно вводили в слой клеток.Только успешно пропитанные плоды, то есть те, которые не лопнули или не имели избыточного количества раствора, выходящего из плодовых чашелистиков (рисунок S7, дополнительная информация), инкубировали в стандартных условиях культивирования в течение 24 часов до оценки экспрессии репортерного гена.

От трех до пяти срезов клубней картофеля предварительно инкубировали в ½ MS + 0,7% агара с добавлением 1% сахарозы при 22 ° C в темноте по крайней мере через 1 час после разрезания. Ломтики картофеля помещали в 500 мкл комплексного раствора (1.0 мкг пДНК 100 мкл -1 ), и раствор пропитывали под вакуумом при 600 мм рт.ст. в течение 5 мин. После инфильтрации ломтики картофеля оставляли в растворе на 30 минут перед промывкой средой 1/2 MS + 1% сахарозы без агара, а затем в 1/2 MS + с добавлением 1% сахарозы и 0,7% агара. Трансформированные эксплантаты инкубировали при 22 ° C в темноте в течение 24 ч перед анализом экспрессии.

Анализ активности люциферазы Renilla : Все анализы активности Rluc в трансформированных растительных тканях проводили в соответствии с протоколом производителя (Promega, Мэдисон, Висконсин, США). A. thaliana листьев, обработанных различными компонентами в растворе, собирали и промывали водой для удаления остатков почвы. Общий белок листа экстрагировали из одного инфильтрованного листа 100 мкл буфера для лизиса 1 × Rluc. В реакции анализа активности Rluc использовали пятьдесят микролитров раствора общего белка. Для анализов активности Rluc в зависимости от времени образцы собирали в разные моменты времени и мгновенно замораживали в жидкости N 2 перед тем, как их хранили при -80 ° C для экстракции белка.Примерно 2 × 2 см. 2 листочка N. benthamiana были вырезаны в инфильтрированной области. Общий белок экстрагировали из листочка с помощью 200 мкл 1 × Renilla буфера для лизиса люциферазы. Двадцать микролитров общего белка добавляли к 100 мкл реагента для анализа люциферазы Renilla . Белки плодов, корней и клубней картофеля экстрагировали с использованием 100 мкл лизирующего буфера для люциферазного анализа 1 × Renilla из ≈100 мг растительного порошка, полученного путем измельчения их в жидкости N 2 .Пятьдесят микролитров раствора белка анализировали с помощью 100 мкл реагента для анализа люциферазы Renilla . Измерения относительных световых единиц (RLU) в анализе Rluc проводили с использованием люминометра GloMax 20/20 (Promega). Общее количество белка в каждом образце определяли с использованием набора BCA Protein Assay Kit (Pierce Biotechnology, Рокфорд, Иллинойс, США). Активности Rluc в образцах выражали как RLU на миллиграмм общего белка (RLU мг -1 белка).

Наблюдение и анализ изображений CLSM : Экспрессия флуоресцентного белка в хлоропластах трансформированного A.thaliana и N. benthamiana наблюдали с помощью конфокального микроскопа Zeiss LSM880 (Carl Zeiss, Оберкохен, Германия) с линзой воздушного объектива (20 ×) или линзой объектива с масляной эмульсией (63 ×). Срезы листа (0,5 × 0,5 см 2 ), пропитанные комплексным раствором, вырезали вокруг области, прикрепленной к шприцу. Срезы листьев дважды промывали водой и деаэрировали в воде перед наблюдением CLSM флуоресценции GFP. Детектирование флуоресценции GFP проводилось при длинах волн возбуждения / эмиссии (Em / Ex) 488 / 500-535 нм, в то время как длина волны эмиссии 640-680 нм использовалась для детекции аутофлуоресценции хлорофилла в растительных клетках.

Для обнаружения экспрессии DsRed в незеленых пластидах наблюдение CLSM проводили с длинами волн возбуждения / испускания 561 / 590-600 нм. Срезы корней томатов дважды промывали водой для удаления остатков агара. Отрезали срезы корня длиной один сантиметр и наблюдали за экспрессией DsRed. Созревшие околоплодники красных плодов томатов разрезали на кусочки 0,5 × 0,5 см 2 толщиной ≈0,5 мм с помощью бритвенного лезвия. Экспрессия DsRed в хромопласте плода томата наблюдалась только в мезокарпических клетках мякоти плода.Автофлуоресценция каротиноидов в хромопластах плодов томата наблюдалась при длинах волн возбуждения / излучения 488 / 500–550 нм. В случае срезов клубней картофеля ткани подвергали воздействию света при 25 ° C с 80 мкмоль фотонов m -2 с -1 в камере для выращивания после трансформации, чтобы вызвать образование хлорофилла4, прежде чем дважды промыть водой. Ткань разрезали до тонкого слоя и наблюдали за совместной локализацией сигнала DsRed (Ex / Em: 561 / 590-600 нм) с аутофлуоресценцией хлорофилла в индуцированных светом амилопластах, продуцирующих хлорофилл (Ex / Em: 488 / 640-680 нм). ).4 Флуоресцентные сигналы GFP и DsRed в трансфицированных клетках были количественно определены с использованием Fiji ImageJ.35. Интенсивность флуоресценции определяли по крайней мере в пяти различных областях, представляющих интерес, в двух независимых экспериментах. Эти интенсивности флуоресценции в пластиде вычитали из сигнала фона в соседних нетрансфицированных клетках и выражали как интенсивность флуоресценции на площадь (а.е. / мкм 2 ).

Иммунопреципитация и вестерн-блоттинг : для подтверждения экспрессии GFP в пластидах выполняли выделение белка хлоропласта с последующей иммунопреципитацией и вестерн-блоттингом.Хлоропласты выделяли из листьев A. thaliana и N. benthamiana , трансформированных комплексным раствором после 24 ч инкубации с использованием 40% градиента Перколла.36 Осадки хлоропластов ресуспендировали в 1 × фосфатном буферном солевом растворе (1 × PBS, pH 7,0). ) плюс 1,0% Triton-X100, мгновенно замороженный в жидкости N 2 , а затем размороженный при 37 ° C в течение 15 мин. Белки хлоропластов экстрагировали из осадка центрифугированием при 15 000 об / мин в течение 30 мин при 4 ° C. Двадцать пять микролитров магнитных шариков, связанных с белком SureBeads, G (Bio-Rad Laboratory, Геркулес, Калифорния, США) предварительно трижды промывали 1 × PBS, pH 7.0 + 0,05% Твин-20 (промывочный раствор). После предварительной промывки 1,0 мкг кроличьего поликлонального антитела против GFP (NB600-308) (Novus Biologicals, Литтлтон, Колорадо, США) добавляли к 400 мкл промывочного раствора, содержащего магнитные шарики. Раствор антитела в шариках инкубировали при 4 ° C в течение 4 часов с роторным встряхиванием для облегчения взаимодействия между антителом и белком G. Магнитные шарики промывали три раза и затем ресуспендировали в 200 мкл промывочного раствора. Пятьсот микрограммов белка хлоропластов разводили в 300 мкл промывочного раствора и добавляли к раствору магнитных шариков.Раствор инкубировали при 4 ° C в течение 16 часов для облегчения аффинного взаимодействия молекул GFP с антителом против GFP, захваченным белком G на магнитных шариках. После инкубации магнитные шарики промывали пять раз промывочным буфером и к магнитным шарикам добавляли 50 мкл 1 × буфера Лэммли с добавлением 200 × 10 -3 м дитиотреитола (DTT). Раствор денатурировали при 100 ° C в течение 5 минут, а затем намагничивали перед сбором раствора денатурированного белка в новую пробирку.

Для вестерн-блоттинга 25 мкл раствора белка растворяли в 8% -16% -ных протеиновых гелях Mini-PROTEAN Precast (Bio-Rad Laboratory) при 80 В в течение 2 часов. Белок наносили на мембрану из поливинилидендифторида (PVDF) с помощью полусухой переносной ячейки Trans-Blot SD (Bio-Rad Laboratory) при 10 В в течение 1 часа. Мембрану инкубировали с блокирующим раствором, содержащим 5% обезжиренного молока в 1 × PBS, pH 7,0 + 0,05% Tween-20 при комнатной температуре в течение 1 часа. После блокирования мембрану переносили в раствор первичных антител, содержащий 1: 1000 кроличьих поликлональных антител против GFP (NB600-308) (Novus Biologicals), а затем во вторичный раствор антител, содержащий 1:20 000 конъюгированных с пероксидазой хрена (HRP). козье поликлональное антитело против кроличьего IgG (ab6721) (Abcam, Tokyo, Japan).После инкубации мембрану пять раз промывали 1 × PBS, pH 7,0 + 0,05% Tween-20. Сигнал активности HRP на мембране детектировали путем добавления 1 мл хемилюминесцентного субстрата SuperSignal West Pico PLUS (Thermo Scientific, Уолтем, Массачусетс, США) на мембрану и затем визуализировали с помощью системы визуализации LAS3000 (Fujifilm, Токио, Япония).

Интернализация и нацеленная на пластиды доставка молекул пДНК, опосредованных комплексами CTP / CTP : ДНК плазмиды p PpsbA :: Rluc метили флуоресцентным красителем Cy3 с использованием набора для маркировки нуклеиновых кислот Label IT (Mirus Bio, Madison, WI, США) согласно протоколу производителя.Раствор комплексов пДНК / CTP / CPP, меченных Cy3, вводили в полностью распространившиеся листья N. benthamiana (возраст 6 недель) с помощью безыгольного шприца. Локализация Cy3-меченой pDNA в хлоропласте и совместная локализация Cy3-меченых pDNA / CTP / CPP комплексов с FM4-64 наблюдались через 2 часа инкубации с помощью визуализации CLSM с 555 / 560-580 нм (Ex / Em). длина волны для обнаружения Cy3, длина волны 488 / 640–680 нм (Ex / Em) для автофлуоресценции хлорофилла и длина волны 514 / 680–700 нм (Ex / Em) для обнаружения FM4-64.

Бомбардировка частицами : Тридцать пять миллиграммов частиц золота размером 0,6 мкм (лаборатория Bio-Rad) были покрыты 10 мкг p PpsbA :: Rluc или p Prrn :: GFP (S65T) : : TpsbA с 50 мкл 2,5 м CaCl 2 и 20 мкл 0,1 м спермидина. Четырехнедельные листья Arabidopsis (20-25 листьев), выращенные на почве, промывали пять раз водой, а затем помещали абаксиальной стороной вверх на ½ агар MS с добавлением 1.0% сахарозы. Ломтики томатов отделяли от плодов бритвенным лезвием до размеров ≈0,5 мм × 1,0 см × 1,0 см и помещали на агар MS + 3,0% сахарозный агар. Покрытые ДНК частицы золота бомбардировали листья Arabidopsis и ломтики плодов томатов с использованием системы доставки частиц Biolistic PDS-1000 / He с разрывным диском 1100 фунтов на квадратный дюйм (Bio-Rad Laboratory). Трансформированные ткани растений инкубировали в стандартных условиях культивирования в камере для выращивания для дальнейших анализов экспрессии с помощью анализов Rluc и наблюдения CLSM.Золотые частицы, покрытые p P35S :: DsRed :: TNos , бомбардировали листья Arabidopsis в качестве конститутивного контроля цитоплазматической экспрессии.

Статистический анализ : Значимые различия всех данных сравнивали с использованием дисперсионного анализа (ANOVA) и теста достоверной значимой разницы Тьюки (HSD) со значением p , равным 0,05, или сравнительного t-критерия Стьюдента , выполненного StatPlus: статистическое программное обеспечение для Mac (AnalystSoft, Walnut, CA, USA).Если не указано иное, данные представлены как среднее значение трех отдельных экспериментов.

Благодарности

Авторы благодарят Такеши Йошизуми за предоставленный вектор экспрессии pPpsbA :: Rluc . Эта работа была поддержана Японским агентством по науке и технологиям по исследованию передовых технологий (JST ERATO; грант № JPMJER1602), Япония.

    Конфликт интересов

    Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

    Очерк пластидов: типы и функции

    В этом эссе мы обсудим: — 1. Значение пластидов 2. Типы пластидов 3. Форма 4. Размер 5. Химический состав 6. Структура 7. Функции 8. Автономность.

    В комплекте:

    1. Очерк о значении пластидов
    2. Очерк о типах пластидов
    3. Очерк формы пластидов
    4. Очерк размеров пластидов
    5. Очерк химического состава пластидов
    6. Очерк строения пластидов
    7. Очерк о функциях пластидов
    8. Очерк автономности пластидов

    Очерк №1.Значение пластидов:

    Термин пластида был введен Э. Геккелем в 1866 году. Пластиды — это полуавтономные органеллы, имеющие ДНК и двойную мембранную оболочку, которые хранят или синтезируют различные типы органических соединений.

    За исключением некоторых простейших (например, Euglena, dinophyceae, диатомовые водоросли) пластиды ограничены только растениями. Пластиды развиваются из бесцветных предшественников, называемых пропластидами. Пропластиды обладают способностью делиться и дифференцироваться на различные типы пластид.


    Очерк №2. Типы пластидов:

    В зависимости от цвета пластиды бывают трех основных типов: лейкопласты, хромопласты и хлоропласты.

    (i) Лейкопласты (греч. Leucos — белые, пластические формы).

    Это бесцветные пластиды, которые обычно встречаются возле ядра в незеленых клетках и имеют внутренние ламели. Грана и фотосинтетические пигменты отсутствуют. Лейкопласты имеют переменный размер и форму, например.г., округлые, овальные, цилиндрические, нитевидные и др.

    Есть три типа специальных лейкопластов:

    (а) Амилопласты:

    Это крахмал, содержащий лейкопласты. Амилопласт в несколько раз больше исходного размера лейкопласта. Он содержит простое или сложное крахмальное зерно, покрытое специальной белковой оболочкой, например, клубень картофеля, рис, пшеница,

    (b) Элайопласты (липидопласты, олеопласты):

    Бесцветные пластиды накапливают жир, e.г., Tube Rose,

    (c) Алеуропласты, протеопласты или протеинопласты:

    Пластиды содержат белок в аморфном, кристаллоидном или кристаллоглобоидном состоянии (например, алейроновые клетки зерна кукурузы, клетки эндосперма Кастора).

    (ii) Хромопласты (греч. Chroma-color, пластические формы):

    Пластиды желтого или красноватого цвета из-за присутствия каротиноидных пигментов. Хлорофиллы отсутствуют. Хромопласты образуются либо из лейкопластов, либо из хлоропластов.Пластинки частично или полностью дегенерируют при образовании хромопластов. Изменение цвета с зеленого на красноватый во время созревания помидоров и чили связано с преобразованием хлоропластов в хромопласты.

    Оранжевый цвет корней моркови обусловлен хромопластами. Пигменты часто находятся в кристаллизованном состоянии, поэтому форма пластид может быть похожей на иглы, веретена или неправильной формы,

    (i) Хромопласты придают окраску многим цветам для привлечения насекомых-опылителей.

    (ii) Они придают фруктам ярко-красный или оранжевый цвет для привлечения животных для распространения.

    (iii) Они также являются местом синтеза мембранных липидов.

    (iii) Хлоропласты (греч. Chlorosgrass green, формованные из пластика).

    Это зеленоватые пластиды, которые обладают фотосинтетическими пигментами, хлорофиллами и каротиноидами и участвуют в синтезе пищи из неорганического сырья в присутствии энергии излучения. Хлоропласты других водорослей, кроме зеленых, называются хроматофорами (напр.грамм. родопласты красных водорослей, феопласты бурых водорослей).

    Номер:

    Количество хлоропластов на клетку водорослей обычно фиксировано для вида. Минимальное количество хлоропластов на клетку встречается у зеленой водоросли Ulothrix и нескольких видов Chlamydomonas.

    Однако разные виды одного рода могут иметь разное количество хлоропластов, например, 1 у Spirogyra indica и 16 у S. rectospora. В фотосинтетической клетке хлоренхимы листа имеется 20-40 хлоропластов.Межузловая клетка Chara (водоросли) насчитывает несколько сотен хлоропластов.


    Очерк №3. Форма пластидов:

    У водорослей хлоропласты имеют различную форму. Они могут быть пластинчатыми (например, Ulothrix), чашеобразными (например, Chlamydomonas), лентовидными (например, Spirogyra), многоугольными или звездчатыми (например, Zygnema) и сетчатыми (например, Oedogonium). Хлоропласты высших растений обычно имеют дискообразную форму с овальным или круглым контуром. Редко они могут быть линзовидными, округлыми или булавовидными.


    Очерк №4. Размер пластидов:

    Как и форма, размер хлоропластов у разных видов различен. Дискоидные хлоропласты высших растений имеют длину 4-10 мкм и ширину 2-4 мкм.

    Обычно размер полиплоидных клеток больше, чем у диплоидных и гаплоидных клеток. Обычно он намного меньше, чем у клетки. Однако у многих водорослей хлоропласт может занимать почти всю длину клетки, т.е.г., спирогира. Хлоропласт спирогиры может достигать длины 1 мм.


    Очерк № 5. Химический состав пластидов:

    Белок- 50-60%. Липиды — 25-30%. Хлорофилл — 5-10%. Каротиноиды (каротины и ксантофиллы) — 1-2%. ДНК — до 0,5%. РНК — 2-3%. Витамины К и Е, хиноны, Mg, Fe, Co, Mn, P и др. — в следовых количествах.


    Эссе №6. Структура пластидов:

    Хлоропласт состоит из трех частей — оболочки, матрицы и тилакоидов.Пиреноид и стигма — две дополнительные структуры, присутствующие в хлоропластах некоторых водорослей.

    Конверт хлоропласта:

    Хлоропласт покрыт оболочкой, состоящей из двух гладких мембран. Каждая мембрана имеет толщину около 90—100 А. Имеет трехламинарную липопротеидную структуру. Две мембраны разделены межмембранным пространством шириной 100-200 А.

    Наружная мембрана может прикрепляться к эндоплазматической сети. Местами внутренняя мембрана связана с тилакоидами.Как и в митохондриях, внешняя мембрана более проницаема, чем внутренняя. Внутренняя мембрана содержит больше белков, включая белки-носители.

    Матрица:

    Основное вещество хлоропласта известно как матрица или строма. Это полужидкий коллоидный комплекс, на 50% состоящий из растворимых белков. Остальное — это ДНК, РНК, рибосомы, пластоглобулы и ферменты. Хлоропластная или цпт-ДНК голая, круглая или иногда линейная.

    Хлоропласт может иметь несколько его копий.ДНК делает хлоропласт генетически автономным, поскольку он может как реплицироваться, так и транскрибироваться с образованием РНК. Рибосомы хлоропластов имеют размер 70 S. Они напоминают рибосомы прокариот.

    С помощью рибосом хлоропласт способен синтезировать большинство необходимых ему ферментов. Важными ферментами, присутствующими в хлоропласте, являются те, которые участвуют в синтезе фотосинтетических пигментов, фотолизе воды, фотофосфорилировании, темновой ассимиляции CO 2 , синтезе и разложении крахмала, синтезе липидов и т. Д.

    Пластоглобулы представляют собой липидные капли диаметром 10-500 нм. Они могут содержать некоторые ферменты, витамин К и хиноны.

    Хлоропластная матрица высших растений может временно накапливать крахмал в виде крахмальных зерен. Он известен как ассимиляционный крахмал. У зеленых водорослей (например, Spirogyra, Ulothrix) хлоропласты обладают особыми структурами хранения крахмала, называемыми пиреноидами.

    Тилакоидов (Менке, 1961):

    Это уплощенные мешочки, выстланные мембраной, которые проходят через строму или матрикс хлоропласта.Поскольку они принимают участие в фотосинтезе, их также называют фотосинтетическими тилакоидами. Таким образом, тилакоиды являются структурными элементами хлоропласта. Обычно они идут параллельно, но могут иметь взаимосвязи. Тилакоиды также могут быть прикреплены к внутренней мембране оболочки хлоропласта.

    В хлоропластах высших растений тилакоиды укладываются в места, образуя граны. В хлоропласте может находиться 40-60 грана. В каждой грануле от 2 до 100 тилакоидов, грана отсутствуют в оболочке пучка и хлоропластах водорослей.Следовательно, последние являются агранальными.

    Из-за наличия граны тилакоиды подразделяются на два — гранные тилакоиды и строму или межрегнальные тилакоиды. Гранум прикреплен только к нескольким стромам или негранальным тилакоидам, хотя он состоит из до 100 тилакоидов. Поэтому считается, что тилакоиды складываются и раздваиваются в области граны.

    Тилакоидные мембраны обладают фотосинтетическими пигментами и факторами связывания. Факторы связывания участвуют в синтезе АТФ.Фотосинтетические пигменты включают хлорофилл а, хлорофилл b, каротины и ксантофиллы.

    Они встречаются в определенных группах, называемых фотосистемами (ранее квантами). Есть две фотосистемы, I и II. Фотосистема II встречается в прижатых частях тилакоидов граналя, тогда как фотосистема I обнаруживается в стромальных тилакоидах и непрессованных частях тилакоидов граналя.


    Очерк 7. Функции пластидов:

    1. Фотосинтез:

    Хлоропласты — центры фотосинтеза или образования органических соединений из неорганического сырья.Синтезированные таким образом органические вещества обеспечивают строительный материал не только самим автотрофным растениям, но и всем гетеротрофным растениям, а также животным.

    2. Преобразование энергии:

    Хлоропласты способны улавливать солнечную энергию и превращать ее в химическую энергию. Химическая энергия используется всеми живыми организмами для выполнения своей жизненной деятельности.

    3. Потребление двуокиси углерода:

    Хлоропласты поглощают углекислый газ и используют его в фотосинтезе.Это поддерживает баланс этого газа в атмосфере, поскольку углекислый газ постоянно добавляется к нему в результате сгорания и дыхания.

    4. Освобождение кислорода:

    Хлоропласты выделяют кислород, который попадает в атмосферу. Это поддерживает постоянный баланс кислорода в атмосфере, поскольку кислород расходуется на дыхание и сгорание.

    5. Хранение крахмала:

    Они хранят крахмал временно (у высших растений) или постоянно (у некоторых водорослей).

    6. Фоточувствительность:

    Хлоропласты некоторых водорослей обладают светочувствительностью из-за наличия стигмы или глазного пятна.

    7. Редукционная сила:

    Восстанавливающая способность, производимая во время световой реакции (НАДФН), используется для восстановления нитратов и синтеза аминокислот.

    8. Синтез жирных кислот:

    Мерфи и Пиявка (1978) сообщили о синтезе жирных кислот в хлоропластах шпината.

    9. Хранение липидов:

    Хлоропласты хранят жир в форме пластоглобул.

    10. Формирование хромопластов:

    Их можно превратить в хромопласты, чтобы придать цвет многим цветам и фруктам для привлечения животных.


    Очерк №8. Автономность пластидов:

    Хотя хлоропласты находятся под общим контролем ядра клетки, они обладают значительной степенью функциональной автономии:

    (i) Хлоропласт имеет собственную ДНК.ДНК обнажена. Он может показывать как репликацию, так и транскрипцию (или продуцировать РНК).

    (ii) Пластида производит некоторые из своих собственных белков, ферментов и других биохимических веществ из-за присутствия 70 S-рибосом, которые могут помочь транслировать закодированную информацию, содержащуюся в мРНК, транскрибируемых поверх ДНК хлоропласта.

    (iii) Новые хлоропласты возникают либо в результате деления уже существующих, либо в результате деления их предшественников, известных как пропластиды.

    Сферосомы или олеосомы:

    Сферосомы (= сферосомы) — это маленькие клеточные органеллы, ограниченные единой мембраной, которые участвуют в хранении и синтезе липидов.Они были открыты Пемером в 1953 году. Сферосомы представляют собой небольшие сферические и рефрактильные пузырьки размером 0,5-1,0 мкм в диаметре.

    Они возникают из эндоплазматического ретикулума и окружены единственной, но половинной мембраной с фосфолипидным монослоем, имеющим полярные головки по направлению к цитозолю и гидорфобные хвосты по направлению к внутренней стороне. Мембрана стабилизируется белками, называемыми олеозинами (Buchanan et al, 2000). 98% сферосомы составляют липиды. Белки составляют оставшиеся 2%.

    Некоторые белки, вероятно, являются ферментными и участвуют в синтезе липидов.Из-за наличия липидов сферосомы можно увидеть под световым микроскопом после окрашивания клеток судановыми красителями и тетраоксидом осмия.

    Сферосомы в большом количестве встречаются в клетках эндосперма масличных семян. Сферосомы некоторых тканей (например, эндосперма табака, кончика корня кукурузы) содержат гидролитические ферменты. Поэтому считается, что они обладают лизосомной активностью.


    Прогнозирование последовательной локализации органелл при дисбалансе с использованием сбалансированной глубокой сети U-Net

    Улучшение данных

    Здесь мы предложили автоматический подход с использованием Unet-подобной архитектуры глубокой CNN для локализации структуры пяти различных классов органелл для мониторинга клеток (рис. .2). Однако прямое обучение исходного изображения ячейки вместе с его областями, не являющимися ячейками, в глубокой сети не подходит для точной локализации областей ячейки. Следовательно, мы улучшили обучающий набор с помощью простых шагов предварительной обработки. Изображение ячейки обрезается, чтобы удалить области, не являющиеся ячейками. Обрезанное изображение затем преобразуется в изображение в оттенках серого с последующим изменением размера до 256 × 256 пикселей с использованием билинейной интерполяции.

    Рисунок 2

    Предлагаемая глубоко сбалансированная сетевая архитектура с использованием регуляризованной взвешенной потери составных кубиков для локализации клеточных органелл во время митоза.

    Архитектурный дизайн для локализации клеточных органелл

    Особенности неполного изображения при обучении на основе патчей не подходят для сегментации несбалансированного набора данных с несколькими метками. Чтобы уменьшить вариации в структурах обучаемых ячеек, мы загружаем все изображение в качестве входных данных в сеть сегментации. Предлагаемая глубокая Unet-подобная архитектура CNN (рис. 2) состоит из кодировщика и декодера. Он имеет один канал ввода и пять каналов вывода. Для пути кодировщика мы использовали CNN, которая включает восемь сверточных слоев, за каждым уровнем следует дырявый ReLU.Как показано в таблице 1, пути кодера уменьшают карту характеристик на 2. Каждый сверточный слой имеет ядра 3 × 3 или 4 × 4 с операцией пакетной нормализации, начиная со второй свертки. Количество каналов начинается с 64 и удваивается, пока не достигнет 512. Количество каналов в следующих слоях не меняется. Выходные каналы для восьми путей кодировщика включают 64, 128, 256, 512, 512, 512, 512 и 512 соответственно. Для пути декодера мы использовали семь уровней деконволюции с повышающей дискретизацией, за каждым из которых следует ReLU.Деконволюции, все из которых используют пакетную нормализацию, уменьшают количество каналов вдвое, кроме первого. Выходные данные деконволюции с повышающей дискретизацией объединяются с выходными данными соответствующей части кодера. Выходные каналы для восьми деконволюций повышающей дискретизации декодера включают 512, 512, 512, 512, 512, 256, 128 и 64 соответственно. Последняя часть декодера — это двумерная свертка. Окончательный результат 5 каналов указывает на пять классов органелл. Общее количество параметров достигает почти 54 М.{2} $$

    (1)

    где \ ({\ hat {p}} _ {nk} \) — это прогнозируемая вероятность, которая присваивает значение вероятности или активации каждому классу k для каждого пикселя n и \ ({s} _ { {n} _ {k}} \) — метка истины. Индекс k выполняет итерацию по количеству органов, а n — по количеству пикселей входного изображения. Параметры K представляют количество классов, а N — количество пикселей изображения.Следовательно, на выходе получается среднее значение нескольких двоичных значений MSE. Однако по-прежнему трудно уменьшить количество ложноположительных прогнозов для небольших объектов с несбалансированным количеством классов. Поэтому, чтобы улучшить обучение на недостаточно сегментированных классах, мы предложили две новые функции потерь; составные кости (CD) и регуляризованные взвешенные составные кубики (RWCD).

    Составная потеря игральных костей

    Классический коэффициент подобия игральных костей (DSC) — это индекс перекрытия, который широко используется для оценки отображения сегментации 23 .{J} \, {p} _ {ij} + m} $$

    (2)

    , где s ij и p ij представляют основную истину и предсказание в каждом пикселе со строкой i и столбцом j соответственно. {K} \, {L} _ { C {D} _ {k}} $$

    (4)

    , где k указывает канал выходного класса для каждого класса.Параметр K представляет общее количество классов.

    Регуляризованный взвешенный убыток

    Различия в распределении классов заставляют модель в значительной степени фокусироваться на чрезмерно представленных классах. В качестве альтернативы требуется дополнительный механизм взвешивания для увеличения экземпляров недостаточно представленных классов. Традиционная взвешенная функция потерь основана на взвешивании среднеквадратичной ошибки для каждого класса на основе наличия пикселей целевого класса 25 . Однако при сегментации объединенных объектов с несколькими метками наборы данных не состоят из всех вхождений классов, плохо влияет на активацию в следующих слоях и иногда приводит к нулевым обновлениям градиента в процессе обратного распространения.Следовательно, если пиксели переднего или заднего плана равны нулю, то веса w становятся равными нулю. Чтобы повысить скорость обнаружения TP при сегментации объединенных объектов с несколькими метками, мы предложили очень точную многоклассовую регуляризованную взвешенную функцию потерь (RWL), которая вычисляет веса пикселей изображения. Он определяется как суммирование весов каждого класса путем аппроксимации количества пикселей переднего плана от общего количества пикселей целевого класса, которое обратно пропорционально частоте меток.Он принимает вид

    $$ {w} _ {k} = 1- \ frac {{N} _ {fk}} {{N} _ {fk} + {N} _ {bk}} $$

    (5)

    , где w k означает вес по классу k . Параметры N fk и N bk представляют количество пикселей переднего и заднего плана каждого класса k соответственно. Кроме того, мы оценили комбинированную регуляризованную взвешенную функцию потери составных кубиков (RWCDL) для сегментации клеточных структур органелл.

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *