Η επίδραση της πενίας άνθρακα στους κρυστάλλους οξαλικού ασβεστίου και στο μεταβολικό πρότυπο του Amaranthus sp. (κ.ν. βλήτο)
Authors: Τοουλάκου Γεωργία 
Published: August 2021

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάσαμε στην μελέτη των κρυστάλλων οξαλικού ασβεστίου που σχηματίζονται στο βλήτο (Amaranthus sp.) σε εξειδικευμένα κύτταρα τα οποία καλούνται ιδιοβλάστες. Δεδομένου ότι στη βιβλιογραφία δεν υπάρχουν επαρκή δεδομένα για το ρόλο των κρυστάλλων διατυπώθηκε υπόθεση εργασίας σύμφωνα με την οποία οι κρύσταλλοι πιθανόν να διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη διαχείριση του άνθρακα των φωτοσυνθετικών ιστών. H ίδια υπόθεση εργασίας είχε διατυπωθεί και για την εκπόνηση της μεταπτυχιακής μου διατριβής, η οποία επαληθεύτηκε εν μέρει: Οι κρύσταλλοι είναι δυναμικές δομές, ενώ ο άνθρακας ο οποίος λαμβάνει μέρος στο σχηματισμό των κρυστάλλων δεν προέρχεται από την ατμόσφαιρα αλλά από διαφορετικές πηγές. Λόγω αντικειμενικών δυσκολιών προσέγγισης του θέματος με κλασσικές μεθόδους Φυσιολογίας, επιλέχθηκε μια υψηλής απόδοσης μέθοδος, η μεταβολομική, που δίδει τη δυνατότητα για ακριβή και ταυτόχρονη μελέτη μεγάλου αριθμού μορίων, και της in vivo φυσιολογίας ενός βιολογικού συστήματος. Λαμβάνοντας υπόψη τα προηγούμενα αποτελέσματα πραγματοποιήθηκε πείραμα σε σύστημα υδροπονίας με δύο βασικούς χειρισμούς. 1) Φυτά-μάρτυρες (D1) στα οποία χορηγήθηκε αέρας μηδενικής συγκέντρωσης CO2 στη ρίζα και κανονικής συγκέντρωσης στο υπέργειο μέρος και 2) φυτά (D2) στα οποία χορηγήθηκε αέρας μηδενικής συγκέντρωσης CO2 στην ρίζα και στο υπέργειο μέρος με στόχο να αποκλειστεί πλήρως η τροφοδοσία CO2 προς τα φωτοσυνθετικά κύτταρα. Επισημαίνεται επίσης ότι σε παράλληλες αναλύσεις μεταβολομικής ανιχνεύθηκε οξαλικό οξύ και στον ανιόντα χυμό του βλαστού των πειραματόφυτων. Στο πείραμα που προαναφέρθηκε υπήρξε σαφής διαχωρισμός του μεταβολικού προφίλ των δύο χειρισμών, ενώ η πολυπαραγοντική στατιστική ανάλυση έδειξε ότι τα D2 φυτά καταπονούνται ισχυρά από την έλλειψη CO2 (πενία άνθρακα). Ολοι οι μεταβολίτες παρουσιάζουν σημαντική μείωση της συγκέντρωσής τους, με εξαίρεση ορισμένους μεταβολίτες κλειδιά οι οποίοι αποτελούν πρόδρομα μόρια μεταβολικών οδών του δευτερογενούς μεταβολισμού. Παράλληλα παρατηρήθηκε εμφανής μείωση του μεγέθους των κρυστάλλων. Συνθήκες “πενίας” άνθρακα, δημιουργούνται in planta όταν τα στομάτια παραμένουν κλειστά στη διάρκεια της ημέρας λόγω αντίξοων περιβαλλοντικών συνθηκών, συνεπώς η διάσπαση του οξαλικού ασβεστίου θα μπορούσε δυνητικά να προμηθεύσει το απαραίτητο CO2 για την απρόσκοπτη λειτουργία του κύκλου του Calvin, χωρίς να παραστεί ανάγκη ανοίγματος των στοματίων και συνεπώς να υπάρξει απώλεια νερού. Εάν αρθούν οι δυσμενείς συνθήκες, ή κατά τη διάρκεια της νύκτας όπου πλέον η φωτοσύνθεση δεν λειτουργεί, ξεκινά και η διαδικασία επαναδημιουργίας των κρυστάλλων. Δεδομένου ότι το κλείσιμο των στοματίων επάγεται από τη φυτορμόνη ΑΒΑ (που αποτελεί και ένα διασυστηματικό σήμα κινδύνου), έγινε εφαρμογή ΑΒΑ ώστε να διαπιστωθεί εάν στις συνθήκες αυτές η διάσπαση των κρυστάλλων θα μπορούσε να τροφοδοτήσει με CO2 το φωτοσυνθετικό μεταβολισμό. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η εφαρμογή ΑΒΑ σε αποκομένα φύλλα προκαλεί αποδόμηση των κρυστάλλων, ενώ δεν ανιχνεύεται οξαλικό οξύ στα δείγματα, ισχυρή ένδειξη το μόριο αυτό διασπάται. Επίσης δεν παρατηρούνται δραματικές μεταβολικές αλλαγές. Παράλληλες μετρήσεις φθορισμού χλωροφύλλης έδειξαν ότι η φωτοσυνθετική δραστηριότητα διατηρείται σε ανεκτά επίπεδα, παρά το κλείσιμο των στοματίων. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την υπόθεση εργασίας για τη λειτουργία των κρυστάλλων οξαλικού ασβεστίου ως αποθεμάτων φωτοσυνθετικού άνθρακα. Η λειτουργία αυτή θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως «φωτοσύνθεση κινδύνου» η οποία επάγεται από το ΑΒΑ 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 δίδει 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. Αξίζει να σημειωθεί ότι το παρόν διδακτορικό αποτελεί πρώτη εμπεριστατωμένη προσπάθεια συσχέτισης του φυσιολογικού ρόλου κρυστάλλων οξαλικού ασβεστίου με την φωτοσυνθετική λειτουργία.