Η δομή και η λειτουργία των ιδιοβλαστών που σχηματίζουν εναποθέσεις οξαλικού και ανθρακικού ασβεστίου και ο ρόλος τους στη φωτοσύνθεση κινδύνου
Authors: Γιαννόπουλος Ανδρέας 
Published: August 2021

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή έγινε η προσπάθεια να διασαφηνιστεί η δομή και ο ρόλος των ιδιοβλαστών που σχηματίζουν κυτταρικά έγκλειστα οξαλικού και ανθρακικού ασβεστίου στα φυτά Vitis vinifera (ευρωπαϊκή άμπελοςι), Amaranthus hybridus (βλήτο) και Parietaria judaica (περδικάκι) και η πιθανή συμβολή τους στη φωτοσύνθεση. Στη διεθνή βιβλιογραφία δεν υπάρχουν επαρκή πειραματικά δεδομένα σχετικά με το ρόλο των εγκλείστων αυτών. Η αποθήκευση και η ρύθμιση του Ca, η φυτοπροστασία και η αποτοξίνωση βαρέων μετάλλων είναι μερικοί από τους ρόλους που έχουν προταθεί. Ωστόσο, πειραματικά δεδομένα της ερευνητικής μας ομάδας έχουν δείξει ότι τα κυτταρικά έγκλειστα αποτελούν δυναμικές δομές και όχι τελικά προϊόντα του μεταβολισμού. Ως εκ τούτου διατυπώθηκε η υπόθεση εργασίας σύμφωνα με την οποία τα κυτταρικά έγκλειστα διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη διαχείριση του άνθρακα των φωτοσυνθετικών ιστών και στη απόδοση CO2 για την πραγματοποίηση της φωτοσύνθεσης σε συνθήκες πενίας άνθρακα («φωτοσύνθεση κινδύνου»). Επίσης διατυπώθηκε η υπόθεση ότι τα έγκλειστα σχηματίζονται κατά τα πρώτα στάδια ανάπτυξης των φύλλων, όταν τα στομάτια δεν είναι πλήρως λειτουργικά. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω πραγματοποιήθηκε πείραμα κατά το οποίο συλλέχθηκαν, και από τα τρία πειραματόφυτα, φύλλα διαφορετικής ηλικίας, εκφραζόμενης από την επιφάνειά τους, και στη συνέχεια μετρήθηκαν και συσχετίστηκαν οι παράμετροι: ρυθμός φωτοσύνθεσης, ρυθμός διαπνόης, υποστοματική συγκέντρωση CO2, στοματική αγωγιμότητα, πυκνότητα κυτταρικών εγκλείστων και συνολικός αριθμός κυτταρικών εγκλείστων ανά φύλλο. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως τα κυτταρικά έγκλειστα σχηματίζονται από τα πρώτα κιόλας στάδια έκτπυξης των φύλλων. Η πυκνότητά τους είναι αρχικά υψηλή και στη συνέχεια μειώνεται και σταθεροποιείται. Αντίθετη πορεία ακολουθεί ο συνολικός αριθμός τους ο οποίος αυξάνεται αλλά φτάνει σύντομα σε μέγιστη τιμή όπου και σταθεροποιείται. Παράλληλα, τα φύλλα φωτοσυνθέτουν σε μικρό βαθμό από τα πρώτα κιόλας στάδια της έκπτυξης τους χωρίς ωστόσο να έχουν τη δυνατότητα ανταλλαγής αερίων.Σε επόμενο πείραμα ελέγχθηκε η μεταβολή του όγκου των κυτταρικών εγκλείστων στο βλήτο και το περδικάκι σε συνθήκες πενίας άνθρακα. Συνθήκες πενίας άνθρακα επικρατούν in planta όταν τα στομάτια κλείνουν είτε λόγω υδατικής καταπόνησης είτε λόγω επικράτησης δυσμενών καιρικών συνθηκών. Ένας αριθμός φύλλων κατηγοριοποιήθηκε σε δύο ομάδες χειρισμών: φύλλα control και φύλλα που αναπτύχθηκαν σε συνθήκες πενίας άνθρακα (υδατική καταπόνηση, εφαρμογή ΑΒΑ ή/και παραμονή στο σημείο αντιστάθμησης για το CO¬¬2). Μετά από παραμονή του κάθε χειρισμού κάτω από συνθήκες συνεχούς φωτισμού για 24 και 48 ώρες μετρήθηκε ο όγκος των κυτταρικών εγκλείστων. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως τα φύλλα στα οποία εφαρμόστηκε πενία άνθρακα εμφάνισαν σημαντικά μικρότερο όγκο κυτταρικών εγκλειστων (40-50 %) σε σχέση με τα φύλλα control. Στο περδικάκι, η προσθήκη ανθρακικών στο θρεπτικό διάλυμα των φύλλων της πενίας άνθρακα αντέστρεψε το φαινόμενο και οι κυστόλιθοι επανέκτησαν τις αρχικές τιμές του όγκου τους σε μικρό χρονικό διάστημα.Το ανθρακικό ασβέστιο διαλύεται ελεύθερα στο υδατικό περιβάλλον, ενώ το οξαλικό οξύ εικάζεται πως οξειδώνεται ενζυμικά προς CO2 και Η2Ο2 με τη δράση του ενζύμου οξαλική οξειδάση. Για την επιβεβαίωση της λειτουργίας του μηχανισμού αυτού πραγματοποιήθηκε πείραμα ιστοχημικού εντοπισμού της οξαλικής οξειδάσης αλλά και της καταλάσης σε φύλλα control και φύλλα στα οποία εφαρμόστηκε πενία άνθρακα. Η οξαλική οξειδάση εντοπίστηκε στα κύτταρα του σπογγώδους παρεγχύματος των φύλλων και κυρίως στις κυτταρικές μεμβράνες ή τα κυτταρικά τοιχώματα. Μάλιστα σε κάθε χειρισμό δεν εμφανίστηκε χρώση στα κύτταρα του κολεού της δέσμης. Παρόμοια ήταν και τα αποτελέσματα σχετικά με την θέση της καταλάσης στους ιστούς των φύλλων. Ο βαθμός κατά τον οποίο αυξήθηκε η δραστικότητα της οξαλικής οξειδάσης ελέγθηκε με ενζυμική δοκιμή. Τα αποτελέσματα, αφενός επιβεβαίωσαν τον ιστοχημικό εντοπισμό αφού δραστικότητα εμφανίστηκε μόνο στο κλάσμα των μεμβρανών-κυτταρικών τοιχωμάτων, αφετέρου έδειξαν πως η δραστικότητα του ενζύμου στα φύλλα της πενίας άνθρακα ήταν 2 με 3 φορές υψηλότερη από ό,τι στα φύλλα control.Στους ίδιους χειρισμούς πραγματοποιήθηκε ιστοχημικός εντοπισμός των ελέυθερων κατίοντων ασβεστίου. Το ασβέστιο, τόσο στο περδικάκι όσο και στο βλήτο, εντοπίστηκε στους ιδιοβλάστες και στα γειτονικά τους κύτταρα. Στο περδικάκι χρώση εμφανίστηκε και στους δύο χειρισμούς, ενώ αντιθέτως στο βλήτο μόνο στα φυτά της πενίας άνθρακα.Συνοψίζοντας, το μέγεθος των κυτταρικών εγκλείστων μεταβάλλεται σε συνθήκες πενίας άνθρακα. Για τον έλεγχο του βαθμού στον οποίο συμβάλλουν στη φωτοσύνθεση πραγματοποιήθηκε, και στα τρία φυτικά είδη, μέτρηση των παραμέτρων της φωτοσύνθεσης με τη χρήση φθορισμομετρίας της χλωροφύλλης σε μεταβαλλόμενες συνθήκες φωτισμού και σύστασης της ατμόσφαιρας, τόσο σε φύλλα control όσο και σε φύλλα πενίας άνθρακα. Από τα αποτελέσματα προέκυψε πως αφενός τα φύλλα της πενίας άνθρακα διατηρούν έναν ικανοποιητικό φωτοσυνθετικό ρυθμό ακόμα και στις συνθήκες αυτές, αφετέρου, όταν παύσουν οι συνθήκες που προκαλούν την πενία άνθρακα, είναι σε θέση να αποκτήσουν υψηλό ρυθμό φωτοσυνθετικής δραστηριότητας πολύ συντομότερα από ότι τα control φύλλα.Υπάρχουν συνεπώς σαφείς ενδείξεις πως τα κυτταρικά έγκλειστα συμβάλλουν στη φωτοσυνθετική διαδικασία. Εκτιμάται πως στην περίπτωση του P. judaica οι κυστόλιθοι έχουν τη δυνατότητα να υποστηρίξουν ρυθμό φωτοσύνθεσης 14,27 μmol CO2 m-2 s-1 για 30 min περίπου, και στο A. hybridus ρυθμό φωτοσύνθεσης 13,01 μmol CO2 m-2 s-1 για 70 min.Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την υπόθεση εργασίας για τη λειτουργία των κυτταρικών εγκλείστων ως αποθεμάτων φωτοσυνθετικού άνθρακα. Η λειτουργία αυτή θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως «φωτοσύνθεση κινδύνου» η οποία επάγεται από την πενία άνθρακα και είναι ζωτικής σημασίας για την επιβίωση σε συνθήκες έλλειψης νερού. Εκτός αυτού, η φωτοσύνθεση κινδύνου δίδει τη δυνατότητα ανάκτησης του CO2 το οποίο απελευθερώνεται μέσω της νυκτερινής αναπνοής (του υπέργειου, αλλά και του υπόγειου τμήματος του φυτού) και επομένως εξοικονομούνται σκελετοί άνθρακα. Αποτρέπει την άνοδο της συγκέντρωσης του CO2 σε τοξικά επίπεδα στα κύτταρα, τουλάχιστον στη διάρκεια της νύκτας, όταν τα στόματα παραμένουν κλειστά και δεν υπάρχει δυνατότητα φωτοσυνθετικής αφομοίωσης του εκλυόμενου αναπνευστικού CO2. Επίσης δίνει τη δυνατότητα τροφοδοσίας των φύλλων με ανόργανο άνθρακα από το υπόγειο τμήμα του φυτού ή από το έδαφος, με ενδιάμεσο σταθμό ελέγχου της διάθεσής του τα κύτταρα που σχηματίζουν τους κρυστάλλους.