Плазмодесмы. Ультраструктура плазмодесм

Содержание

Слайд 2

Что и у кого? Плазмодесмы – микроскопические каналы, пронизывающие клеточную стенку

Что и у кого?

Плазмодесмы – микроскопические каналы, пронизывающие клеточную стенку и

обеспечивающие межклеточную коммуникацию.
У кого есть плазмодесмы?
Высшие растения (land plants or embryophytes) + Водоросли:
Класс: Charophyceae
Порядки: Charales (Харовые), Coleochaetales (Колеохетовые)
Слайд 3

Первичные – формируются между сестринскими клетками, развиваются из канальцев в фрагмопласте

Первичные – формируются между сестринскими клетками, развиваются из канальцев в фрагмопласте

во время цитокинеза.

Вторичные – формируются между соседними клетками, развиваются в результате ферментативной деградации материала клеточной стенки, срединной пластинки, слияния плазмалеммы соседних клеток и развития десмотрубочки в цитоплазматическом канале плазмодесмы.

По происхождению плазмодесмы делятся на:

Слайд 4

Ультраструктура плазмодесм Спицеобразные линкерные белковые структуры (миозин + актин) разделяют цитоплазматическое

Ультраструктура плазмодесм

Спицеобразные линкерные белковые структуры (миозин + актин) разделяют цитоплазматическое

кольцо на микроканалы. По ним идет диффузия ионов, небольших органических метаболитов (АК, сахара), возможно, гормонов.
Слайд 5

Через плазмодесмы возможен межклеточный транспорт растительных и вирусных белков Косвенное подтверждение

Через плазмодесмы возможен межклеточный транспорт растительных и вирусных белков

Косвенное подтверждение

Использование радиоактивной метки –
35S-метионин (при введении в лист, метка была зарегистрирована как в клетках-спутницах так и в безъядерных ситовидных элементах)
На этих данных было сделано предположение, что белки, синтезированные в клетках-спутницах, транспортируются в ситовидные элементы
Слайд 6

Характеристики плазмодесм Плотность (= N плазмодесм / S поверхности КС) Пространственное

Характеристики плазмодесм

Плотность (= N плазмодесм / S поверхности КС)
Пространственное распределение плазмодесм

на поверхности клетки (в ткани / органе) растения
- Показатели наличия и интенсивности транспортных межклеточных потоков, используются во многих физиологических исследованиях (напр.: загрузка/разгрузка ассимилятов в системе дальнего транспорта, поглощение и транспорт по растению элементов минерального питания)
SEL (size exclusion limit, kDa) – максимальная масса молекул, способных проникать через плазмодесму - не является постоянной величиной: 700 -1000 Da ~ 1.5 - 2.0 nm.
Слайд 7

Структура и работа плазмодесм

Структура и работа плазмодесм

Слайд 8

Надклеточная организация тела высших растений («supracellular organisms») Апопласт – непрерывный континуум

Надклеточная организация тела высших растений («supracellular organisms»)

Апопласт – непрерывный континуум

клеточных стенок, межклеточных пластинок и межклетников
Симпласт – общеорганизменная система сообщающихся через плазмодесмы протопластов клеток
Эндопласт – межклеточный континуум эндоплазматических сетей
«Клетка» высших растений представляет собой в большинстве случаев сильно, но не полностью изолированный компартмент тела, включающий участки общеорганизменных систем: апопласта, симпласта (+эндопласта)
В теле растения существуют изолированные клетки/ группы клеток (напр.: замыкающие клетки устьиц )
Слайд 9

Слайд 10

Гамалей Юрий Владимирович Транспортная система сосудистых растений.- СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета,

Гамалей Юрий Владимирович Транспортная система сосудистых растений.- СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета, 2004.

– 424 с.

"Симпласт" этимологически означает континуальность клеточных протопластов растений. Но исходно термин был предложен для обозначения общности только ситовидных трубок - системы транспорта ассимилятов. Содержимое их полостей предполагалось идентичным цитоплазме. Выяснилось, что это ошибка. Оно идентично вакуолярному экссудату

Вакуом паренхимы и ситовидные трубки флоэмы – транспортная сеть для распределения фотосинтатов.
В молодой клетке вакуом представлен системой канальцев и пузырьков, которые по мере роста и дифференцировки клетки увеличиваются и сливаются в одну в одну большую центральную вакуоль.

Слайд 11

2 транспортные сети Апопласт Симпласт Вакуом или Эндопласт Цитозоль не имеет серьёзного транспортного значения

2 транспортные сети

Апопласт

Симпласт

Вакуом
или Эндопласт

Цитозоль
не имеет серьёзного транспортного значения

Слайд 12

Симпластное растение – загружает терминальную флоэму ассимилятами по эндоплазматической сети симпласта.

Симпластное растение – загружает терминальную флоэму ассимилятами по эндоплазматической сети симпласта.

Определяющими являются транспортные свойства тонопласта
Апопластное растение – растение, флоэма которого загружается из апопласта. Первичная причина альтернативности двух механизмов загрузки флоэмы – вариации барьерных свойств тонопласта.

Гамалей Ю.В. «СИМПЛАСТНЫЕ И АПОПЛАСТНЫЕ ДВУДОЛЬНЫЕ» Ботанический журнал, 2005, т 90, № 10, с. 1473-1485

Апопластные двудольные – эволюционно молодая группа растений (около 20 000 видов),
Становление группы связано с экспансией лугово-степной растительности 5–7 млн. лет назад. У этой группы происходит кардинальное изменение барьерных свойств тонопласта.

Слайд 13

Загрузка и разгрузка флоэмы

Загрузка и разгрузка флоэмы

Слайд 14

Плазмодесмы между клетками-спутницами и ситовидными элементами - точки интенсивного транспорта веществ

Плазмодесмы между клетками-спутницами и ситовидными элементами - точки интенсивного транспорта веществ

Необходим

транспорт белков в безъядерные членики ситовидных трубок для поддержания их функциональной активности
Получение(использование стилетов тлей) и исследование белкового состава флоэмного экссудата
Микроинъекции отдельных белков, полученных при фракционировании флоэмного экссудата (PP1, PP2, Ubiquitin), и белков, полученных в культуре клеток E. coli, вызывают увеличение SEL, и наблюдается транспорт этих белков в соседние клетки.
Слайд 15

Слайд 16

Симпластическая загрузка флоэмы Сосуд ксилемы Промежуточная клетка-спутница (Intermediary Cell) Плазмодесмы, контактирующие

Симпластическая загрузка флоэмы

Сосуд ксилемы

Промежуточная клетка-спутница
(Intermediary Cell)

Плазмодесмы, контактирующие
с мезофиллом

Ситовидный элемент флоэмы

Intermediary

Cells:
Обильные плазмодесменные поля
Толстая клеточная стенка (ровная!)
Развитый единый хондриом
Специфические ферменты синтеза
Разнообразные продукты
транспорта фотоассимилятов (смесь!)
Слайд 17

Сосуд ксилемы Трансферная клетка-спутница (Transfer Cell) Ситовидный элемент флоэмы Апопластическая загрузка

Сосуд ксилемы

Трансферная клетка-спутница
(Transfer Cell)

Ситовидный элемент флоэмы

Апопластическая загрузка флоэмы

Клетка
флоэмной
паренхимы

Плазмодесмы, контактирующие
с

мезофиллом

Transfer Cells:
Единичные плазмодесмы
Толстая клеточная стенка (складки!)
Развитый единый хондриом
Сахарозно-протонный симпортер +
Н+-АТФаза на мембране (рН > 7!)
5. Преимущественный продукт
транспорта – сахароза

Слайд 18

Способы загрузки и разгрузки ксилемы и флоэмы зависит от многих факторов

Способы загрузки и разгрузки ксилемы и флоэмы зависит от многих
факторов

– жизненных форм, условий существования, типа органов

Симпластные растения

Апопластные растения

Слайд 19

Способы загрузки и разгрузки ксилемы и флоэмы зависит от многих факторов

Способы загрузки и разгрузки ксилемы и флоэмы зависит от многих факторов

– жизненных форм, условий существования, типа органов

Температура

Слайд 20

Эксперименты по выяснению пороговой концентрации флоэмных белков, необходимой для межклеточного транспорта

Эксперименты по выяснению пороговой концентрации флоэмных белков, необходимой для межклеточного транспорта

Коинъекция

постоянного количества FITC-декстранов 20kDa [fluorescein isothiocyanate – флуоресцентная метка прикреплена к молекуле полисахарида (декстрана)] и последовательного уменьшаемого количества PP2
Учет разбавления PP2 в клетке и его перемещения в соседние клетки
20-100nM – пороговый уровень PP2 необходимый для взаимодействия с плазмодесмами
Слайд 21

Слайд 22

Rice Phloem Protein 13kDa (RPP13-1) Высококонсервативный белок флоэмного экссудата, принадлежащий к

Rice Phloem Protein 13kDa (RPP13-1)

Высококонсервативный белок флоэмного экссудата, принадлежащий к тиоредоксиновому

семейству
Экспрессируется только в клетках-спутницах (в листе и стебле риса) - показано с помощью метода in situ гибридизации мРНК
Слайд 23

Проводящий пучок стебеля риса, in situ гибридизация мРНК RPP13-1

Проводящий пучок стебеля риса, in situ гибридизация мРНК RPP13-1

Слайд 24

In situ гибридизация мРНК RPP13-1 в проводящем пучке листа риса (СС

In situ гибридизация мРНК RPP13-1 в проводящем пучке листа риса (СС

– companion cell, STM - sieve tube member)
Слайд 25

Мутантный анализ RPP13-1 Выявлено 2 участка, играющих важную роль в эффективном

Мутантный анализ RPP13-1

Выявлено 2 участка, играющих важную роль в эффективном взаимодействии

с плазмодесмами:
5 аминокислотная (1-5) последовательность на N-конце (MT1,2)
и 4х аминокислотная последовательность остатков 101-104 (MT8)
Слайд 26

Транспорт вирусных белков: viral movement protein (MP) MP – неструктурные белки,

Транспорт вирусных белков: viral movement protein (MP)

MP – неструктурные белки, кодируемые

в вирусном геноме, основной функцией которых является – распространение вирусной инфекции в теле растения хозяина; некоторые вирусы имеют несколько различных MP
MP вступают во взаимодействие с плазмодесмами клетки, в результате чего:
происходит увеличение SEL: 1kDa -> более 20kDa (не более 50kDa)
происходит распространение белка в соседнюю клетку
становится возможным межклеточный транспорт инфецирующих транскриптов вируса (РНК)
Одновременная инъекция flu.-labelled-MP и flu.-labelled-РНК – ведет к быстрому переносу протеонуклеинового комплекса в соседние клетки.
=>Предположение о том, что плазмодесмы могут опосредовать избирательный межклеточный транспорт эндогенных белок-РНК комплексов.
Слайд 27

Модели распространения вирусной инфекции

Модели распространения вирусной инфекции

Слайд 28

Модель распространения инфекции клевера white clover mosaic virus - WClMV LC

Модель распространения инфекции клевера white clover mosaic virus - WClMV

LC –

linker complex (кодируется растением)
26 – virus MP 26kDa
13 7 – TGBp – вирусный белок (функции до конца не выяснены)
RNA – одноцепочечная РНК вируса
CP – coat protein
DP – docking protein – предполагаемый белок-рецептор плазмодесм
Non-sequence-specific binding of single-stranded RNA+CP to the anchored 26MP
Слайд 29

Эпидермальные клетки Arabidopsis thaliana экспрессирующие MP17-GFP (зеленый) Propidium iodide (окрашивание пектинов) маркирует клеточные стенки

Эпидермальные клетки Arabidopsis thaliana экспрессирующие MP17-GFP (зеленый)
Propidium iodide (окрашивание пектинов) маркирует

клеточные стенки
Слайд 30

Другой белок - TMV MP30-GFP – тоже зеленый. Видна локализация в плазмодесмах

Другой белок - TMV MP30-GFP – тоже зеленый. Видна локализация в

плазмодесмах
Слайд 31

Транспорт собственных белков: KN1 (KNOTTED1) – фактор транскрипции, индуцирует дифференцировку клеток

Транспорт собственных белков: KN1 (KNOTTED1)

– фактор транскрипции, индуцирует дифференцировку клеток
Микроинъекция KN1

в клетки мезофилла растений кукурузы и табака вызывает эффекты, схожие с инъекцией MP:
Увеличение SEL 1.0kDa->40kDa
Быстрое распространение белка в соседние клетки
Также KN1 выступает посредником в межклеточном транспорте РНК, но в отличии от вирусного MP этот эндогенный фактор транскрипции успешно взаимодействует только с собственными последовательностями РНК (sequence specificity).
Слайд 32

мРНК гена KN1 в апексе кукурузы Листовой примордий 1 Листовой примордий

мРНК гена KN1 в апексе кукурузы

Листовой примордий 1

Листовой примордий 2

Новый листовой

примордий

Темное окрашивание

Слайд 33

Обобщенная модель транспорта больших молекул

Обобщенная модель транспорта больших молекул

Слайд 34

Частичное разворачивание белковой молекулы – необходимо для транслокации через плазмодесму Белки

Частичное разворачивание белковой молекулы – необходимо для транслокации через плазмодесму Белки флоэмного

экссудата различной массы (фракции I-VI) распространяются по плазмодесмам одинаково до 20kDa-40kDa (за SEL следят по транспорту FITC-dextrans)
Слайд 35

Cross-linking experiments (препятствие разворачиванию белковой молекулы) и использование с наночастиц золота

Cross-linking experiments (препятствие разворачиванию белковой молекулы) и использование с наночастиц золота

различных размеров: 1.4, 6, 15 nm (увеличивают общий размер молекулы) для выяснения механизма транслокации белков через плазмодесмы

Cross-linking KN1 – не вызывает увеличения SEL и не распространяется в соседние клетки
Конъюгаты: KN1-1.4nm gold – распространяется через плазмодесмы, но с меньшей эффективностью; KN1-6nm gold и KN1-15nm gold не распространяются и являются ингибиторами при транспорте KN1 wild type
Микроинъекции проведенные с MP CMV (cucumber mosaic virus) дают такие же результаты

Слайд 36

Слайд 37

Плазмодесмы как ворота для инфекции Плазмодесмы используются инфекционными агентами для распространения

Плазмодесмы как ворота для инфекции

Плазмодесмы используются инфекционными агентами для распространения по

организму растения (транспорт вирусных РНК, целых вирионов). В связи с этим у растений имеются механизмы врожденного иммунитета обеспечивающие ограничением симпластного транспорта по плазмодесмам при биотическом стрессе.
Слайд 38

Биотический стресс → ↑ салицилаты → ↑транскрипция PDL5 (plasmodesmata-located protein 5)

Биотический стресс → ↑ салицилаты → ↑транскрипция PDL5 (plasmodesmata-located protein 5)

→ накопление PDL5 в области плазмодесм → интенсификация отложения каллозы → ограничение транспорта по симпласту (ограничение очага инфекции)
FLS2 (FLAGELLIN SENSING 2) и LYM2 (LYSIN MOTIF DOMAINCONTAINING GLYCOSYLPHOSPHATIDYLINOSITOL-ANCHORED PROTEIN 2) – мембранные рецепторы бактериальной инфекции локализованы в области плазмодесм и обеспечивают ограничение симпластного транспорта в случае инфекции
Слайд 39

Вероятно плазмалемма выстилающая плазмодесму и мембрана ЭПР десмотрубочки отличаются по своим

Вероятно плазмалемма выстилающая плазмодесму и мембрана ЭПР десмотрубочки отличаются по своим

физико-химическим параметрам по сравнению с плазмалеммой подстилающей клеточную стенку и мембраны кортикального ЭПР, соответственно. На этом основании вводятся термины:
PDom (outer membrane) – участок плазмалеммы, выстилающей плазмодесму;
PDim (inner membrane) – участок мембраны ЭПР десмотрубочки (сжатый ЭПР = appressed ER)
Слайд 40

Каллоза (β 1-3 глюкан) откладывается в области шейки. Содержание каллозы непостоянно

Каллоза (β 1-3 глюкан) откладывается в области шейки. Содержание каллозы непостоянно

и находится в обратной корреляции с пропускной способностью плазмодесм.
Слайд 41

Белки ассоциированные с плазмодесмами С центральной полостью ассоциированы: TMV MP (обеспечивает

Белки ассоциированные с плазмодесмами

С центральной полостью ассоциированы: TMV MP (обеспечивает транспорт

РНК ВТМ в виде нуклеопротеинового комплекса), At PDL5 (негативный регулятор транспорта). При этом TMV MP и At PDL5 конкурируют за центральную область плазмодесм.
At PDLP1 (негативный регулятор транспорта), Zm CRINKLY4 (функции неизвестны) – ассоциированы с PDom.
At PDCB1 (PD-callose binding protein 1, увеличивает накопление каллозы и ограничивает пропускную способность плазмодесм), PdBG2 (β 1-3 glucanase, обеспечивает деградацию каллозы и увеличивает пропускную способность плазмодесм) - ассоциированы с шейкой плазмодесм.
Слайд 42

Недавно было показано, что целый ряд неклеточно-автономных сигнальных молекул, включая ARABIDOPSIS

Недавно было показано, что целый ряд неклеточно-автономных сигнальных молекул, включая ARABIDOPSIS

CRINKLY4 (ACR4), CLAVATA1 (CLV1), STRUBBELIG (SUB)/ SCRAMBLED (SCM), и QUIRKY (QKY), ассоциированы с плазмодесмами.

CLAVATA 1 – RLK (receptor-like kinase) c LRR (leucine rich reapeat) во внеклеточном домене, рецептирует CLE40 (CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION40), играет ключевую роль в поддержании меристем корня и побега.
ACR4 – RLK без LRR во внеклеточном домене, играет важную роль в пролиферации и дифференциации клеток корня.