Rośliny a stresowe czynniki środowiskowe 1400-235RaSCS

Przedmiot przedstawia mechanizmy odpowiedzi roślin na stresowe czynniki środowiskowe. Mechanizmy odpowiedzi charakteryzowane są na poziomie całej rośliny, organu, budowy i fizjologii komórki roślinnej oraz na poziomie molekularnym. Przedmiotem cyklu wykładów będą następujące zagadnienia:
1. Stres i czynniki stresowe. Pojęcie stresu, podziały. Fazy odpowiedzi. Stresy pierwotne i wtórne. Czynniki stresowe biotyczne i abiotyczne. Adaptacja i aklimatyzacja. Natężenie stresu. Rodzaje uszkodzeń. Strategie dostosowawcze roślin. Receptory oraz transdukcja sygnału w komórkach roślinnych. Udział hormonów roślinnych w odpowiedzi na stres. Programowana śmierć komórek w odpowiedzi na działanie czynnika stresowego.
2/3. Stres oksydacyjny – wspólne podłoże wielu stresów środowiskowych? Miejsca wytwarzania reaktywnych form tlenu (ROS) w komórkach niefotosyntetyzujących i fotosyntetyzujacych. Przyczyny i skutki zaburzenia homeostazy redoks w komórkach. Systemy antyoksydacyjne w komórkach roślinnych. Regulacja enzymatycznego i nieenzymatycznego systemu antyoksydacyjnego. Uszkodzenia struktur komórkowych przez ROS i systemy naprawcze w komórkach roślinnych. Oksydaza alternatywna (AOX) i białka rozprzęgające jako systemy przeciwdziałające wytwarzaniu ROS. Zaangażowanie ROS w przekazywanie sygnału. Udział białek utlenionych w ścieżkach sygnałowych. Metabolizm mutantów i roślin transgenicznych ze zmodyfikowaną pojemnością systemu antyoksydacyjnego.
4. Deficyt wody. Gospodarka wodna roślin. Bilans wody między rośliną a środowiskiem – continuum gleba-roślina-atmosfera. Rośliny poikilo- i homoiohydryczne. Zaburzenia funkcjonalne i strukturalne w komórkach roślinnych podczas stresu: utata turgoru, zmiany funkcjonowania i struktury błon, zaburzenia procesu fotosyntezy. Stresy wtórne. Indukcja odporności – percepcja sygnału, drogi zależne i niezależne od ABA. Przystosowania anatomiczne i metaboliczne decydujące o odporności roślin na stres wodny. Rola hormonów. Adaptacja osmotyczna komórek, synteza osmoregulatorów. Osmoprotekcja. Białka LEA (late embryogenesis abundant), osmotyny i akwaporyny. Konsekwencje przejściowego i stałego deficytu wody (susza rolnicza, stepowienie) dla gospodarki człowieka.
5. Anaerobioza – hipoksja i anoksja. Występowanie anaerobiozy w komórkach roślinnych jako następstwo zalania lub przykrycia pokrywą śnieżną. Mechanizmy adaptacyjne pozwalajace unikać niedotlenienia komórek roślinnych. Skutki metaboliczne anaerobiozy – aktywacja fermentacji. Białka ASP (anaerobic stress proteins). Akumulacja kwasów organicznych i aminokwasów w warunkach hipoksji. Udział aktywności szlaku cytochromowego, dehydrogenaz typu II oraz AOX alternatywnego w mitochondrialnym łańcuchu oddechowym (mtETC) w warunkach hipoksji. Rola tzw. oddychania azotowego. Udział niesymbiotycznych hemoglobin w regulacji stężenia NO podczas anaerobiozy. Model opisujący działanie sensora tlenowego u roślin. Występowanie stresu oksydacyjnego w warunkach post-hipoksji lub post-anoksji.
6/7. Temperatura: chłód, mróz, przegrzanie. Recepcja bodźca temperatury, przekazywanie sygnału. Chłód: etapy aklimatyzacji - zmiany strukturalne i metaboliczne, dostosowania osmotyczne. Mróz: proces zamarzania wody i jego konsekwencje dla komórek roślinnych. Dehydratacja mrozowa. Nabywanie mrozoodporności - rośliny zimozielone i wchodzące w stan spoczynku. Dostosowania strukturalne i metaboliczne. Ściana komórkowa jako system biernej i aktywnej ochrony. Białka regulujące proces zamarzania wody i strukturę kryształów lodu. Deaklimatyzacja. Wysoka temperatura: konsekwencje. Współwystępujące stresy wtórne. Mechanizmy ochronne w stresie wysokiej temperatury. Białka HSP (heat stress proteins).
8. Żywienie mineralne: deficyt i nadmiar jonów, zakwaszenie gleb. Makro i mikro-elementy potrzebne roślinom. Pobieranie jonów przez rośliny. Homeostaza jonowa w komórkach roślinnych. Zmiany w metabolizmie roślinnym spowodowane przez deficyt azotu i fosforu w podłożu; np. gromadzenie cukrów, zmiany aktywności szlaku glikolitycznego i mtETC. Proces autofagii w komórkach roślinnych. Reasymilacja i redystrybucja jonów w warunkach niedoboru. Starzenie się organów. Nadmiar i niedobór siarki w komórkach roślinnych. Udział pierwiastków śladowych w prawidłowym rozwoju roślin. Żywienia azotanowe i amonowe – wpływ na homeostazę redoks. Przyczyny występowania syndromu amonowego.
9/10. Zasolenie podłoża oraz działanie jonów metali ciężkich. Czynniki powodujące nadmierne zasolenie podłoża. Susza fizjologiczna. Strategie usuwania nadmiaru soli. Tolerowanie dużego stężenia soli w komórce. Synteza proliny, betain oraz polioli w warunkach stresu solnego. Regulacja systemów transportujących jony w warunkach zasolenia. Rośliny słonolubne. Jony metali ciężkich niezbędne do prawidłowego rozwoju roślin lub pierwiastki balastowe. Objawy fenotypowe nadmiernego, wewnątrzkomórkowego stężenia jonów metali ciężkich. Homeostaza jonów metali ciężkich – regulacja pobierania. Kompleksowanie i kompartmentacja jonów metali ciężkich. Transport krótko- i długo- dystansowy jonów metali ciężkich. Negatywny wpływ jonów metali ciężkich na metabolizm roślin. Wykorzystanie roślin transgenicznych w fitoremediacji.
11. Promieniowanie: światło fotosyntetycznie aktywne: nadmiar i brak. Promieniowanie UV i jonizujące. Proces fotoinhibicji powodowany przez nadmiar światła fotosyntetycznie aktywnego. Mechanizmy przeciwdziałające fotoinhibicji działające na poziomie organu oraz komórek. Rola szybkości odnowy białka D1. Wytwarzanie ROS w chloroplastach w warunkach nadmiernego nasłonecznienia i ich rola m. in. w mechanizmie zamykania aparatów szparkowych. Wzrost aktywności szlaku fotooddechowego podczas nadmiernej radiacji. Negatywny wpływ promieniowania UV oraz światła jonizującego na struktury komórkowe i makromolekuły. Wzrost syntezy związków fenolowych (kwasy fenolowe, flawonoidy) w odpowiedzi na działanie światła UV lub jonizującego.
12. Stresory antropogeniczne: ksenobiotyki, gazy przemysłowe (np. SO2 i NO2, chlorowcopochodne, zanieczyszczenia organiczne). Zmiany klimatu spowodowane działalnością człowieka. Emisja zanieczyszczeń w Polsce na tle innych krajów. Drogi wnikania zanieczyszczeń antropogenicznych do komórek roślinnych. Zmiany w morfologii i zaburzenia metabolizmu roślin pod wpływem zanieczyszczeń antropogenicznych. Kwaśne deszcze.
13. Oddziaływania z innymi roślinami – rośliny symbiotyczne i pasożytnicze, allelopatia, stosunki sąsiedzkie (np. zacienienie). Symbioza roślin z bakteriami brodawkowymi w warunkach niedoboru azotu, etapy kolonizacji ryzosfery roślin motylkowych. Przykłady roślin bezzieleniowych oraz pasożytów częściowych. Substancje allelopatycznie aktywne; m. in. kwasy organiczne, falwonoidy i pochodne terpenu. Lotne substancje allelopatycznie czynne oraz eksudacja związków allelopatycznych przez system korzeniowy. Rola allelopatii.
14. Stresy biotyczne - wpływ zwierząt i mikroorganizmów: mikroorganizmy patogenne. Roślinożercy. Synteza związków cyjanogennych jako przykład mechanizmu obronnego roślin przed roślinożercami. Lokalna lub systemiczna odporność na działanie patogenów. Rekcja nadwrażliwości (HR, hypersensitive response) ograniczająca rozprzestrzenianie się patogenów. Udział kwasu salicylowego, jasmonowego, nadtlenku wodoru i etylenu w odporności systemicznej indukowanej lub nabytej. Hipotezy „gen-gen” oraz „nonhost”. Przekazywanie sygnału w nabywaniu odpowiedzi systemicznej.