Katedra experimentální biologie rostlin (katedra fyziologie rostlin)

Kaftan, David Mgr. David Kaftan, Ph.D.
interní přednášející
Katedra experimentální biologie rostlin
Přírodovědecká fakulta JU
Branišovská 1760
CZ-370 05 České Budějovice
tel.:
 387 772 342
e-mail:
 dkaftanprf.jcu.cz

«  O úroveň výše

Molekulární podstata teplotní odolnosti fotosystému 2

Fototrofní organizmy představují jednu z nejstarších forem života na Zemi. Během své evoluce trvající nejméně tři miliardy let fototrofové čelili rozmanitým podmínkám, včetně fyzikálních (teplota, záření nebo tlak) a chemických extrémů (vysychání, vysoká salinita, extrémy pH, koncentrace kyslíku nebo redoxního potenciálu). Vysoká teplota představuje i dnes jeden z hlavních faktorů ovlivňujících růst akvatických mikrobiálních společenství a společně s dostupností vody významně omezuje růst suchozemských rostlin. Existuje však několik exotických výjimek. Především u sinic byla v minulosti popsána řada teplomilných kmenů - Thermosynechococcus elongatus a Thermosynechococcus vulcanus vykazují optimální autotrofní růst při 55 a 57°C. Růst při maximální teplotě 74°C pozorován u sinice Synechococcus cf. lividus je považován za horní mez pro kyslík vyvíjející fotosyntézu. Nejvyšší růstová teplota mezi anoxygenními fototrofy byla nalezena u zelené nesirné fotosyntetické bakterie Chloroflexus aurantiacus, které se daří při teplotách až do 70° C. Dodnes však nebyla uspokojivě vysvětlena molekulární podstata této výjimečné teplotní stability reakčních center fotosyntetických termofilů. Zajímavé je, že mezi fototrofními proteobakteriemi (purpurové fototrofní bakterie) nebyly popsány žádné opravdu teplomilné druhy. Zatím nejvyšší teplota pro optimální růst byla nalezena u purpurové sirné bakterie Thermochromatium tepidum (48–50°C). Jen o něco nižší růstová teplota (40–48°C) byla zjištěna u Porphyrobacter tepidarius. Podobná optimální růstová teplota byla rovněž nalezena u fotoheterotrofické bakterie Rubritepida flocculans, nicméně tento organismus syntetizoval proteiny nezbytné pro sestavení fotosystémů pouze při mnohem nižších teplotách.

Předmětem této studie je zkoumání vzájemných interakcí bílkovin (a lipidů) jež jsou součástí fotosyntetických reakčních center a které se účastní přenosu elektronů a protonů v rámci primárních fotochemických reakcí (štěpení vody na kyslík, přenos elektronů napříč reakčním centrem, redukce mobilních přenašečů protonů a elektronů). Genetickými manipulacemi klíčového proteinu fotosystému 2 u sinice Synechocystis sp. PCC6803 jsme dokázali zvýšit odolnost ke zvýšené teplotě celého organizmu (Shlyk-Kerner et al., Nature 442 (7104): 827-830, 2006; Dinamarca et al., PLoS ONE 6 (12): e28389. 2011; Scherz et al., US patent 8629259, 2014). Nyní jsme také uspěli při začlenění stejné mutace do záložních kopií genů stejné sinice Synechocystis sp. PCC6803  a dále do chloroplastové DNA zelené řasy Chlamydomonas reinhardtii a vyšší rostliny Nicotiana tabacum. Tyto nově vzniklé mutantní linie je třeba důkladně charakterizovat a ověřit, zda zanesená mutace má měřitelný vliv na jejich odolnost vůči zvýšené teplotě, zjistit jakou nejvyšší teplotu tolerují a pokusit se zjištěná data dát do souvislostí se známou molekulární strukturou reakčních center. K objasnění molekulárních mechanismů zodpovědných za termotoleranci fotosyntetických reakčních center používáme kombinaci biofyzikálních, analytických, molekulárně biologických a výpočetních metod.

Projekt je řešen ve spolupráci s Mikrobiologickým ústavem v Třeboni a Weizmannovým ústavem v Rehovotu, Izrael

Vhodné pro: Bc, Mgr. i PhD studenty

 

Fotosyntéza sněžných řas

Fotosyntetizující organismy se musí nevyhnutelně aklimatizovat na velmi pomalé sezónní, pomalejší cirkadiální, stejně tak jako na rychlé aperiodické změny v okolních podmínkách. Náhlé i pomalejší teplotní výkyvy nepříznivě ovlivňují funkci jednotlivých komponent účastnících se fotosyntetických reakcí a při delším působení supra nebo super optimálních teploty způsobují vratné nebo trvalé změny v syntéze a degradaci primárních a sekundárních metabolitů. Dlouhodobý teplotní stres snižuje životaschopnost organismu nebo dokonce vede k jeho smrti. Fenomén závislosti fotosyntézy na teplotě přilákal v posledních desetiletích pozornost také kvůli obavám o stabilitu ekosystémů díky očekávaným globálním klimatickým změnám.

Sněžné řasy tvoří ekologicky unikátní skupinu fotosyntetických mikroorganismů. Většina známých druhů popsaných z polárních a horských oblastí po celém světě patří do rodů Chloromonas a Chlamydomonas (Chlorophyta). Jejich přirozené prostředí je charakterizováno epizodickými cykly tání a mrznutí, sluneční ozáření je vysoké a proměnlivé. Jejich fyziologické a biochemické procesy musí být tedy optimalizovány a schopny reagovat na tyto extrémy životního prostředí. Dostupné a bohužel zatím jen kusé údaje o teplotní závislost fotosyntézy a růstu jsou ale často kontroverzní, což naznačuje širší škálu ekofyziologických strategií sněžných řas, než se očekávalo. Některé naše studie odhalily možnost souvislosti výskytu specifických lipidů a změn ve struktuře proteinů fotosyntetického reakčního centra a schopnosti odolávat stresu nízkou teplotou (Kaftan et al., patent CZ 2001-705, 2011; Lukeš et al., FEMS Microbiology Ecology, doi: 10.1111/1574-6941.12299., 2014).

Předmětem této studie je zkoumání růstu a fotosyntézy sněžných řas poskytující cenný vhled do rozmanitosti různých mechanismů adaptace a aklimatizace mikroorganismů ale i vyšších rostlin. Řasy pěstujeme za přesně definovaných podmínek teploty a osvětlení v chlazených inkubátorech a ke zjišťování jejich fyziologického stavu používáme širokou paletu metod od měření fotosyntetického vývoje kyslíku po měření indukované chlorofylové fluorescence. Odolnost sněžných řas vůči stresu vysokou ozářeností a zvýšenou teplotou monitorujeme pomocí stability fotosyntetických reakčních center.

Projekt je řešen ve spolupráci s Mikrobiologickým ústavem v Třeboni a Přírodovědeckou fakultou Univerzity Karlovy v Praze

Vhodné pro: Bc, Mgr. i PhD studenty

 

Optimalizace růstu vyšších rostlin zastíněných organickými fotovoltaickými články (OPV)

V současně době je značná část zemědělské produkce realizována prostřednictvím hydroponicky pěstovaných rostlin ve sklenících. Naši partneři v ZAE Bayern vyvíjejí organické fotovoltaické články, které propouštějí fotosynteticky aktivní záření a umožňují tak současnou produkci elektrické energie i růst rostlin pod nimi. Tato studie si klade za cíl testovat vliv prototypů OPV na růst komerčně zajímavých plodin a spolupodílet se tak na návrhu parametrů funkčních OPV pro průmyslové využití.

Projekt je řešen ve spolupráci se ZAE Bayern, Bavarian Center for Applied Energy Research, Norimberk, Erlangen, Německo

Vhodné pro: Bc, Mgr. studenty

«  O úroveň výše

Design by Strita.Design (2006)