Хлорофилл находится в органах растений: Академия занимательных наук. Биология

Содержание

Сибирские генетики: первые шаги к управлению фотосинтезом

Ученые Новосибирского государственного университета и Института цитологии и генетики СО РАН отвечают на вопрос о том, как на генетическом уровне регулируется синтез и распределение хлорофилла в разных органах растений, исследуя геномы обычного ячменя и ячменя частичного альбиноса, у которого нарушена выработка хлорофилла.

Недостаток хлорофилла у растений может приводить к ухудшению процесса фотосинтеза, аномальному развитию растений и их преждевременной смерти. Внешне недостаток хлорофилла проявляется в частичном побелении каких-либо органов, функционально может отражаться и на продуктивности растения, так как хлоропласты, содержащие хлорофилл, являются «энергетическими машинами растения» — они усваивают солнечный свет, трансформируя его в питательные вещества.

В ходе исследования специалисты работали с двумя генетическими линиями ячменя: с обычным ячменем (дикий тип или линия Bowman) и растением-мутантом (линия Albino Lemma).

Подробности изложены в статье сотрудников НГУ и ИЦиГ СО РАН: Николая Шмакова, Геннадия Васильева, Натальи Шацкой, Алексея Дорошкова, Елены Гордеевой, Дмитрия Афонникова, Елены Хлесткиной, опубликованной в BMC Plant Biology.

Происхождение хлоропластов, как и других клеточных органоидов — митохондрий — симбиотическое. Согласно современным представлениям они являются потомками свободноживущих бактерий или прокариот (безъяедерных клеток), имеют свой небольшой геном и размножаются делением внутри клетки растения. Контроль популяции хлоропластов и их деятельности в настоящий момент недостаточно изучен.

Во время предшествующих исследований признака Albino Lemma учеными сектора функциональной генетики злаков Института цитологии и генетики СО РАН при сравнении геномов обычного ячменя и ячменя частичного альбиноса был найден геномный фрагмент, ассоциированный с наблюдаемым альбинизмом. Учёные показали, что данная мутация влияет на массу зерна и продуктивность колоса.

Работа ученых НГУ и ИЦиГ СО РАН продолжает эти исследования и посвящена обнаружению генов–кандидатов и предсказанию регуляторных путей, контролирующих фенотип Albino Lemma.

Говоря упрощенно: ученые разбираются в генетической «кухне» — определяют какие механизмы и процессы приводят к тому, что из определенного набора генов получается растение, именно с теми свойствами и внешними характеристиками, которые мы наблюдаем. В данном случае исследователи пытаются установить какие генетические процессы приводят к побелению некоторых органов ячменя.

Для решения этой задачи специалисты «прочитали» транскриптом — установили совокупность всех активных генов внешней оболочки зерна (перикарпа) ячменя, а также исследовали растение под лазерным сканирующим микроскопом.

Исследовался транскриптом внешней оболочки зерна, так как ее легко отделить и в ней внешне проявлена мутация: оболочка не зеленая, а частично белая, а значит и мутировавший ген находится в клетках оболочки в активном состоянии.

В ходе анализа, ученые выделили несколько десятков генов, изменивших свою активность в результате мутации. Один из них — тот самый ген, мутация которого вызывает появление ячменя — частичного альбиноса. Остальные — «играют с ним в команде», и их «командная» работа приводит к частичному побелению ячменя. Благодаря транскриптомному анализу ученые сузили область поиска гена от десятков тысяч до нескольких десятков генов: исследовав их детально, генетики смогут точно установить последовательность мутировавшего гена, структуру его белка и выдвинуть предположения относительно механизмов его работы.

Добавив к транскриптомному анализу микроскопическое исследование, ученые установили, что интересующий их ген играет значительную роль в развитии растения — изменяет процессы морфогенеза, то есть влияет на возникновение и развитие органов растения. Этот вывод был сделан на основании того, что ген, вызывающий мутацию, меняет структуру ткани растения. Под микроскопом исследователям удалось пронаблюдать, что в местах изменения окраски растения с зеленой на белую, меняется и клеточный узор (паттерн): клетки, содержащие хлоропласты, модифицируют свою форму, размер и взаимное расположение.

Также этот ген работает внутри клетки, как триггер, находящийся в одном из состояний — либо он активирует хлоропласты, либо не активирует. Этот любопытный факт был установлен при микроскопическом исследовании тех частей растения, где проявлен переход от зеленого к белому цвету. В клетках зеленой зоны растения ген, вызывающий мутацию, находится в «выключенном» состоянии, а в клетках белой зоны (где отсутствует хлорофилл) — в «активном». В переходной зоне становится все больше клеток, не содержащих хлоропласты, вплоть до их полного исчезновения. Это означает, что клетки находятся в двух крайних состояниях: когда ген, вызывающий мутацию активен — хлоропласты в клетках не регистрируются, а когда он «выключен» — хлоропласты обнаруживаются в нормальном количестве, промежуточное состояние отсутствует.

Проделанная работа позволила учёным установить набор генов, ответственный за появление частичного альбинизма, и выяснить, как он влияет на развитие тканей и органов и внешний вид растения — проследить путь от мутации до фенотипа (внешних проявлений). Последующие исследования будут направлены на точное установление связей между этими генами: как они другу-друга активируют или «замедляют», взаимодействуют между собой и каким образом это приводит к частичному побелению органов растений.

Альбинизм связан с активностью фотосинтеза, а значит с тем количеством энергии, которое усвоено растением и соответственно, с объемом вырабатываемых питательных веществ. Возможно, это исследование — первый шаг к тому, чтобы генетики научились управлять активностью фотосинтеза, а значит и контролировать с его помощью продуктивность растений.

Транскриптом — это совокупность всех РНК клетки органа или всего организма, он отражает профиль активности генов организма в конкретный момент времени, например, в отдельной ткани.

Источник: Официальный сайт НГУ

Mg Магний

Главная \ Полезная информация \ Роль в растении и функции питательных элементов \ Mg Магний

Магний входит в состав хлорофилла и непосредственно участвует в фотосинтезе. В хлорофилле содержится магния около 10 % от общего количества его в зеленых частях растений. С магнием также связано образование в листьях таких пигментов, как ксантофилл и каротин. Магний также входит в состав запасного вещества фитина, содержащегося в семенах растений и пектиновых веществ. Около 70 — 75 % магния в растениях находится в минеральной форме, в основном в виде ионов.

Ионы магния, адсорбционно связаны с коллоидами клеток и наряду с другими катионами поддерживают ионное равновесие в плазме; подобно ионам калия, они способствуют уплотнению плазмы, уменьшению ее набухаемости, а также участвуют как катализаторы в ряде биохимических реакций, происходящих в растении.

Магний активизирует деятельность многих ферментов, участвующих в образовании и превращении углеводов, белков, органических кислот, жиров; влияет на передвижение и превращение фосфорных соединений, плодообразование и качество семян; ускоряет созревание семян зерновых культур; способствует повышению качества урожая, содержания в растениях жира и углеводов, морозоустойчивости цитрусовых, плодовых и озимых культур.

Самой важной формой для питания растений является обменный магний, составляющий в зависимости от вида почвы 5 — 10 % общего содержания этого элемента в почве.

Наибольшее содержание магния в вегетативных органах растений отмечается в период цветения. После цветения в растении резко снижается количество хлорофилла, и происходит отток магния из листьев и стеблей в семена, где образуются фитин и фосфат магния. Следовательно, магний, подобно калию, может перемещаться в растении из одних органов в другие.

При высоких урожаях сельскохозяйственные культуры потребляют магния до 80 кг с 1 га. Наибольшее количество его поглощают картофель, кормовая и сахарная свекла, табак, бобовые травы.

Недостаток магния проявляется, начиная с кончиков старых листьев – они становятся бледно-зелеными с вкраплениями хлорофилла (легко обнаружить, удерживая лист на солнечном свету). Из-за межжилкового хлороза видны полосы. Мелкие яркие крапинки распределены по всему листу. На кончике листа наблюдается начало некроза.

Сильно пострадавшие листья (на фото — слева) имеют красноватые и пурпурные оттенки при межжилковым повреждении. В то время как листья, пострадавшие в средней степени (на фото — в центре и справа) характеризуются только межжилковым хлорозом и полосовыми повреждениями.

Недостаток усугубляется:

На песчаных почвах
На кислых почвах
На почвах, богатых калием
На почвах с большим количеством внесенных калийных удобрений
В периоды холодной сырой погоды

Магний содержится в следующих удобрениях:

KristaMgS (сульфат магния) (MgO 16%, SO3 32%)
Krista MAG (нитрат магния)
Брасситрел
Рексолин АВС
Kristalon Специальный 18-18-18
Yara Mila Комплекс 12-11-18
Kristalon Огуречно-цветочный 14-11-31
Kristalon Красный 12-12-36
Супрефос
Хлористый Калий

Компоненты органелл и основы фотосинтеза

Опубликовано 18. 03.22 автором Sarah Boudreau

Откройте свой холодильник — все вкусные вещи, которые вы там видите, либо основаны на фотосинтезе, либо съели что-то, что основано на фотосинтезе. Во время фотосинтеза фотосинтезирующие организмы синтезируют молекулы сахара из солнечного света, воды и углекислого газа. Фотосинтез происходит в хлоропластах растительных клеток, поэтому они являются причиной того, что растения (и некоторые другие организмы) могут производить пищу самостоятельно

Фотосинтез важен не только для отдельных организмов, он важен для жизни на Земле. Фотосинтез является частью глобального углеродного цикла: проще говоря, фотосинтез превращает углекислый газ в органические молекулы, а дыхание превращает эти молекулы обратно в углекислый газ.

Спасибо хлоропластам за то, что они сделали так много! В сегодняшней статье давайте рассмотрим хлоропласт и процесс фотосинтеза.

Что такое хлоропласт?

Хлоропласт представляет собой разновидность пластиды; пластиды — органеллы с двойными мембранами, участвующие в синтезе и хранении пищи. Другие пластиды включают хромопласты (которые содержат пигменты, отличные от зеленого) и лейкопласты (которые не содержат пигментов).

Хлоропласты наполнены хлорофиллом, великолепным зеленым пигментом, который окрашивает колени ваших джинсов, если вы споткнетесь и упадете на газон. Большинство водорослей и группа простейших под названием Euglena также имеют хлоропласты, а некоторые бактерии (например, цианобактерии) имеют хлорофилл, но он не находится в органеллах.

Хлорофилл растений поглощает синий и красный свет и отражает зеленый. Двумя наиболее распространенными типами хлорофилла являются a и b. Хлорофилл а есть во всех хлоропластах, а количество других типов хлорофилла различается в зависимости от вида растения.

Изображение с сайта Visible Biology.

Интересно, что хлоропласты имеют собственную ДНК. Вероятно, это связано с тем, что, как и митохондрии, когда-то они существовали отдельно от клетки. Хлоропласты, скорее всего, были прокариотическими клетками, которые были окружены более крупными эукариотическими клетками и превратились в органеллы. Не случайно ДНК хлоропластов маленькая и круглая, как ДНК бактерий.

В цитоплазме фотосинтезирующих клеток имеется множество хлоропластов: эти клетки могут иметь от одного до ста хлоропластов, которые делятся, чтобы воспроизвести себя.

Части хлоропласта

Хлоропласт имеет три мембранные системы: наружную мембрану, внутреннюю мембрану и тилакоидную систему.

Тилакоиды имеют форму диска и собирают фотоны от источника света (обычно солнца). Они состоят из тилакоидной мембраны, окружающей люмен . Просвет — это место, где во время фотосинтеза происходят такие процессы, как выделение кислорода, опосредованный пластоцианином перенос электронов и фотозащита. Белки в просвете участвуют во многих других процессах, включая оборот фотосинтетических белковых комплексов. Тилакоиды расположены стопками, называемыми гранами (единственная грана).

Просвет (выделен синим цветом). Изображение из Visible Biology.

Между внутренней оболочкой и граной лежит строма , густая, богатая белком жидкость. Именно здесь происходят светонезависимые реакции фотосинтеза, но об этом мы скоро услышим!

Основы фотосинтеза

Вкратце, для фотосинтеза требуются углекислый газ, вода и солнечный свет, при этом производится глюкоза и кислород.

Узнайте больше о том, что входит и что получается в результате фотосинтеза, с помощью этого кусочка видимой биологии.

В процессе фотосинтеза протекают два основных вида реакций: светозависимые и светонезависимые. Светозависимые реакции преобразуют свет в накопленную энергию, а светонезависимые реакции используют эту энергию для сборки глюкозы.

Мы расскажем вам об обеих этих категориях.

Светозависимые реакции

Светозависимые реакции протекают в тилакоидной мембране. В этих реакциях организм поглощает солнечный свет, расщепляет молекулы воды, объединяет молекулы АТФ и НАДФН для хранения энергии и выделяет кислород.

Солнечный свет попадает на хлорофилл в мембране тилакоидов, вызывая возбуждение электрона, который покидает молекулу хлорофилла. Когда электрон уходит, он создает вакуум на своем пути. Затем фотосистема II расщепляет молекулу воды, чтобы восстановить электрон. Фотосистемы представляют собой комплексы белков и пигментов — мы скоро услышим о фотосистеме I.

Фотосистема II (выделена синим цветом), молекулы воды расщепляются, а электроны движутся к фотосистеме I. Изображение из Visible Biology.

Когда молекула воды расщепляется, она участвует в создании АТФ: ее ионы водорода помогают ферменту АТФ-синтазе добавлять фосфатную группу к АДФ. Оставшийся атом кислорода соединяется с другим атомом кислорода, образуя O₂, и газообразный кислород высвобождается через отверстия в листьях.

Помните тот электрон, который покинул молекулу хлорофилла? Он движется вдоль мембраны тилакоидов, пока не достигнет фотосистемы I. Он соединяется с другим возбужденным электроном, и фермент добавляет его вместе с атомом водорода к НАДФ, создавая НАДФН, молекулу, запасающую энергию.

Да да! Светозависимые реакции превращают энергию солнечного света в химическую энергию.

Светонезависимые реакции (также известные как цикл Кальвина)

Светонезависимые реакции, с другой стороны, не нуждаются в свете напрямую. Светонезависимые реакции, также называемые циклом Кальвина, используют запасенную энергию светозависимых реакций для превращения углерода из двуокиси углерода, чтобы его можно было использовать для создания углеводов, таких как глюкоза. Эти реакции происходят в строме.

Строма выделена синим цветом. Изображение из «Видимой биологии».

Во время светонезависимых реакций фермент объединяет молекулу углекислого газа с молекулой, называемой рибулозобифосфатом (РБФ). Образовавшаяся 6-углеродная молекула распадается на две 3-углеродные молекулы. Затем каждой из этих 3-углеродных молекул (называемых 3-фосфоглицератом или 3-PGA) придается атом водорода, создавая глицеральдегид-3-фосфат, также известный как G3P.

G3P можно использовать для создания сахаров — объедините две молекулы G3P, и что вы получите? Глюкоза!

Цикл Кальвина производит двенадцать молекул G3P: две из них используются для получения глюкозы, а остальные десять перерабатываются в RuBP. Затем цикл может продолжаться, создавая все больше и больше глюкозы.

Растения используют глюкозу по-разному. Прежде всего, это источник энергии. Он также используется для производства целлюлозы, основного строительного материала растений. Глюкоза также может присоединяться к белкам и липидам, делая их более растворимыми.

Заключение

Хлоропласт представляет собой пластиду, состоящую из внешней мембраны, внутренней мембраны, граны и стромы. Именно в хлоропластах в растениях происходит фотосинтез, превращающий солнечный свет и углекислый газ в сахар и кислород. Хлоропласт и содержащийся в нем хлорофилл являются причиной того, что растения могут производить свою собственную энергию без необходимости потреблять другие организмы.

Если вы ищете способ научить фотосинтезу, ознакомьтесь с этим бесплатным планом урока фотосинтеза.

Если вам интересно узнать больше о фотосинтезе и его отличиях от клеточного дыхания, прочтите этот пост в блоге!

Обязательно подпишитесь на Visible Body Блог, чтобы узнать больше об анатомии!

Вы инструктор? У нас есть отмеченные наградами 3D-продукты и ресурсы для вашего курса анатомии и физиологии! Узнайте больше здесь.

Темы

Биология

Biology4Kids.

com: Растения: Фотосинтез

Не весь свет Солнца доходит до поверхности Земли. Даже свет, попадающий сюда, отражается и рассеивается. Небольшого света, который попадает сюда, достаточно, чтобы растения мира выжили и прошли через процесс фотосинтеза . Свет на самом деле является энергией, а точнее электромагнитной энергией. Когда эта энергия попадает в зеленое растение, могут происходить всевозможные реакции для сохранения энергии в виде молекул сахара.

Помните, мы говорили, что не вся энергия Солнца поступает в растения? Даже когда свет попадает на растение, растение не использует его полностью. На самом деле он использует только определенные цвета для осуществления фотосинтеза. Растения в основном поглощают красных и синих длин волн. Когда вы видите цвет, на самом деле это цвет, который объект НЕ поглощает. Что касается зеленых растений, то они не поглощают свет из зеленой гаммы.

Мы уже говорили о структуре хлоропласты в учебниках по клеткам. Мы хотим подтвердить, что фотосинтез происходит в хлоропластах. Внутри этой клетки органеллой является хлорофилл, который улавливает солнечный свет. Мы поговорим об этом чуть позже, но хлоропласты работают день и ночь на разных работах. Молекулы перемещаются и преобразуются в области, называемой стромой .

Хлорофилл — это волшебное соединение, которое может захватить этот солнечный свет и запустить весь процесс. Хлорофилл на самом деле довольно разнообразное соединение. Существует четыре (4) типа: a, b, c и d. Хлорофилл также можно найти во многих микроорганизмах и даже в некоторых прокариотических клетках. Однако, что касается растений, хлорофилл находится в хлоропластах. Другими большими молекулами являются вода (H ₂ O), диоксид углерода (CO ₂), кислород (O ₂) и глюкоза (C ₆ H ₁₂ O ₆). Углекислый газ и вода в сочетании со светом образуют кислород и глюкозу. Эта глюкоза используется в различных формах каждым существом на планете. Клетки животных нуждаются в кислороде, чтобы выжить. Клетки животных нуждаются в аэробной среде (с кислородом).

Весь процесс не происходит одновременно. Процесс фотосинтеза делится на две основные части. Первая часть называется светозависимая реакция . Эта реакция происходит, когда световая энергия улавливается и направляется в химическое вещество, называемое АТФ.