Prof. De Frenne Toegepaste Plantkunde 2020-2021 2. De plantencel 1. Algemene beschrijving van de plantencel prokaryoten: Ø geen membraan rond hun celkern à DNA ligt vrij in het cytoplasma. DNA = grote cirkelvormige molecule, ligt in de regio nucleoïde. Ø geen gespecialiseerde membraangebonden structuren (organellen) Eukaryoten: Ø chromosomen omringd door een dubbele membraan (kernmembraan) Ø DNA is lineair gebonden aan speciale eiwitten (histonen). Overzicht verschillen: Cell grootte prokaryoten 1-10 micrometer kernmembraan DNA organellen cytoskelet afwezig Circulair (nucleoïde) afwezig afwezig Eukaryoten 5-100 micrometer vele groter dan 100. Aanwezig Lineair (in kern) aanwezig aanwezig Organellen: soorten prokaryoten die eukaryoten zijn binnengedrongen à evolutie (endosymbiontentheorie). Plantencel = Cytoplasma (inc.Celorganellen) + nucleus(kern) + celwand. Cytoplasma – celorganellen = cytosol Alle levende onderdelen = protoplast Celwand en intercellulairen = apoplast Celwand Midden lamellen Primaire celwand Secundaire celwand Plasmodesmata Protoplast celkern kernmembraan Kernplasma Chromatine Nucleolus cytoplasma Plasmamembraan cytosol Organellen omgeven door 2 membranen: Ø Plastiden (vb choroplast) Ø Mitochondriën Organellen omgeven door 1 membraan: Ø Peroxisomen Ø Vacuoles (membraan = tonoplast) H2: De plantencel 1 Prof. De Frenne Toegepaste Plantkunde 2020-2021 Endomembraan systeem: Ø Endoplasmatisch reticulum Ø Golgi apparaat Ø Vesikel (blaasje) Cytoskelet: Ø Microtubuli Ø Actine filamenten Ribosomen Olie-lichaampjes 2. Plastiden Organellen met diverse functies: omgeven door een dubbel membraan! (enkel terug gevonden in planten en algen). Betrokken bij belangrijke synthese- en metabolische processen. Vetzuren: ontstaan enkel in plastiden. Reductie van nitraat en sulfaat: in plastiden. Semi-autonome organellen met een eigen DNA en ribosomen. à endosymbiontentheorie: plastiden stammen af van bacteriën die op een bepaald moment gedurende de evolutie van planten, de cel zijn binnengedrongen en daar verder leven in symbiose met de plant. Plastiden zijn in staat tubulaire extensies te vormen = stromules à stromules associëren zich via actine-elementen met het microskelet van de cel en met andere organellen zoals mitochondrië en kern. à mogelijk maken van uitwisseling van genetisch materiaal en vlotter maken van bepaalde fysiologische processen waarbij beide organellen intens moeten samenwerken. Alle plastiden ontstaan uit propastiden. Propastiden: Ø Reeds aanwezig in jonge meristematische zones van planten. Ø geen vaste vorm of afmetingen. Ø wel omgeven door een dubbel membraan. à binnenste membraan is zwak ontwikkeld Ø Matrix: homogeen en fijne granulaire structuur. Ø Minder ribosomen dan volwassen plastiden. Ø Beperkt aantal DNA structuren aanwezig. Ø Enkele platte lamellen reeds gevormd. Ø (Soms fytoferrine vastgesteld (= stockageplaats voor ijzer) vaak enkel in proplastiden die later verder evolueren tot stockageorganellen) celdifferentiatie: evolueren van proplastiden naar bepaald plastidentype H2: De plantencel 2 Prof. De Frenne Toegepaste Plantkunde 2020-2021 plastiden zijn flexibel => kunnen makkeklijk differentiëren, dedifferentiëren en redifferentiëren ð verschillende plastidentypes omgezet worden in elkaar. ð Dit gaat gepaard met een wijziging in de interne membraanstructuur. Op basis van kleur onderverdelen van plastiden: 1) Kleurloze leucoplastiden en amyloplasten 2) Pigment bevattende chromoplasten en chloroplasten 2.2.1: CHLOROPLASTEN Betrokken bij de fotosynthese. Meestal ellipsvormig (hogere planten) Wieren: grote verscheidenheid aan vormen. Enkel in de groene plantendelen. Aantal chloroplasten verschilt van celtype tot celtype. Licht: basisvoorwaarde voor het volledig tot ontwikkeling komen van de inwendige structuur van een chloroplast. Ontwikkeling onderbroken door gebrek aan licht à ontstaan van etioplasten. => bezitten geen chlorofyl maar zijn wel rijk aan geel pigment(= protochlorofylliden) Etioplasten: stockeren van membraanlipiden en membraaneiwitten. Licht => verdere ontwikkeling van chlorofyl uit protochlorofylliden à opgeslagen membraanlipiden ontwikkelen zich tot actieve thylacoïde membraansystemen. Licht: nodig voor het functioneren van chloroplasten ð Lang donker: chloroplasten ontwikkelen zich weer om tot protochlorofylliden. H2: De plantencel 3 Prof. De Frenne Toegepaste Plantkunde 2020-2021 Chloroplasten kunnen zich ook omvormen tot chromoplasten (vb. In bladeren van loofbomen in de herfst (herfstkleuren), fruit op vruchtbomen rijpt) ð Ook het omgekeerde is mogelijk ‘chromoplasten à chloroplasten’ vb. Sommige wortels: amyloplasten omgezet in chloropasten als ze in aanraking komen met licht. Buitenste membraan chloroplast: • Vlak • Niet-specifieke pore-eiwitten à transport van watermoleculen, ionen en metabolieten naar intermembraanruimte. Binennste membraan chloroplast: > vlak na volledige ontwikkeling van thylacoïdestructuur • Onder invloed van licht: vormen van complexe structuur à thylacoïde membraanstructuur à bevat instrumentarium om lichtreacties uit te voeren en dus om het geadapteerde zonne-energie vast te leggen in ATP en NADPH. • Tijdens de ontwikkeling van de chloroplast: binnenste membraan vormt in de matrix (stroma) een aantal volgens-de-lenterichting-liggende lamellen: primaire thylacoïden. à door afsnoeren van membraanblaasjes. > Hogere Primaire vorm van Granum = planten:tijdens ontwikkeling: thylacoïden vormen tongachtige uitstulpingen onder de schijfjes (secundaire thylacoïden = grana) een secundaire thylacoïde = stapel thylakoïden à thylacoïde netwerk: > interne ruimte: thylacoïde lumen à beschouwen als 1 contonuüm à secundaire th. = uitstulping van primaire th. (grana). Niet-gestapelde primaire th.: verbinden de granazones met elkaar H2: De plantencel 4 Prof. De Frenne Toegepaste Plantkunde 2020-2021 > Jongere planten: granastructuur is afwezig. Aantal thylacoïden: - Hangt af van plantensoort - Uitwendige condities - Hoeveelheid licht: schaduwbladeren vormen meer (dikkere) grana dan lichtbladeren Er bestaan eiwitverbindingen tussen binnenste - en buitenste membraan. ð Eiwitten uit cytosol (gecodeerd in de kern) tot in stroma. Lichtreacties van de fotosynthese: Ter hoogte van de thylacoïdemembranen 2 fotosystemen: PSI en PSII fotosystemen: elektronentransportketen + fotosynthetische eenheden. Fotosynthetische eenheden: chlorofyl-antennemoleculen + fotochemisch actief reactiecentrum. Ø Chlorofyl-antennemoleculen = cluster van 200-300 chlorofylmoleculen Ø Reactiecentrum: gespecialiseerd chlorofyl a molecule Werking: 1) Antenne-moleculen absorberen het zonlicht en geven het door aan het reactiecentrum. (Oriëntatie van antennemoleculen is zo dat 95-99% van de geabsorbeerde fotonen terecht komen in het reactiecentrum.) 2) Reactiecentrum accumuleert de geabsorbeerde energie en geeft ze door aan de electronentransportketen. In thylacoïde-membranen komen 4 grote eiwitcomplexen voor: PSI, PSII, ATP-asen(enzymen die APT produceren) en cytochroom b6f(verbinding tussen PSI en PSII). Ø PSI en ATP-asen: overwegend op primaire thylacoïden en de ovegang van de grana naar de primaire thylacoïden. Ø PSII: vooral in de stapelzones van de grana. H2: De plantencel 5 Prof. De Frenne Toegepaste Plantkunde 2020-2021 Actieve fotosynthetische pigmenten: • Chlorofyl a en b à hoofdpigmenten. o Absorberen vooral blauwe licht en rode licht. à chlorofyl reflecteerd dus groen licht (wij zien bladeren als groen.) § Chlorofyl a: 75% van de totale chlorofylhoeveelheid in bladeren van de meeste groene planten § Chlorofyl b: 25% chlorofylhoeveelheid. Heefst slechts een licht afwijkend absorptiespectrum t.o.v. a. à b niet direct betrokken bij de fotosynthese, geeft slechts zijn energie door aan a. è uitbreiden van bruikbare golflengten voor de fotosynthese. ð Er kunnen in planten verschillende vormen van chlorofyl voorkomen, als uitbreiding van het lichtabsorptiespectrum. • Carotenoïden (en xanthofyllen, vorm van carotenoïden) à nevenpigmenten o Absorbeert enkel blauw licht. (zie chromoplasten) Chloroplasten verplaatsen zich voordurend in de cel m.b.h. actinefilamenten. Ø Veel licht op plant: chloroplasten liggen aan celwanden die loodrecht staan op bladoppervlak. Ø Weinig licht op plant: chloroplasten liggen aan celwanden die parrallel liggen met bladoppervlak. H2: De plantencel 6 Prof. De Frenne Toegepaste Plantkunde 2020-2021 Chlorofyl absorbeerd mee rood licht. è licht dat bij de vegetatie onder de planten komt is anders in samenstelling. Rood licht wordt opgenomen, diep rood licht word niet zoveel geabsorbeerd à komt door bladerdek heen ð Bepaald mee de kieming, kiemrust en groei van planten. H2: De plantencel 7 Prof. De Frenne Toegepaste Plantkunde 2020-2021 2.2.2 CHROMOPLASTEN = plastiden die een te hoge concentratie aan carotenoïden bevatten (i.p.v. chlorofyl).: - Zorgen voor kleur in de meeste vruchten, bloemen en wortels: cartenoïden hebben een gele tot rode kleur. Kunnen direct ontstaan uit proplastiden en chloroplasten Binnen chromoplasten: membraansysteem zonder grana structuur ð Pigmenten zijn membraangebonden maar kunnen ook voorkomen onder de vorm van druppels (plastoglobuli) of kristallen. Rijpen van vruchten: chloroplasten vormt grote hoeveelheid pigment. à activeren van caroteen-producerende enzymen + wijziging van de thylacoïde structuur à chloroplasten evolueren naar chromoplast. 2.2.3 AMYLOPASTEN & LEUCOPLASTEN (kleurloze plastiden) leucoplasten: plastiden gevuld met ongekleurde substanties. - Eenvoudig binnenste membraan - Klein aantal ribosomen - Kleine plastoglubuli (vetdruppeltjes in het stroma) è Kunnen oliën produceren Belangrijkste leucoplast = amylopast. Amyloplasten: plastiden vol zetmeel - Kleurloos - Bouw ongeveer hetzelfde als proplastiden - Functie: stockageorgaan à amyloplasten typerend voor voorraadweefsel van de plant. - Bezit enzymen die polymerisatie van glucose-moleculen tot zetmeel mogelijk maken. Zetmeel stockagge > zetmeelkorrels > korrels vullen gehele ruimte van amyloplast. Amyloplasten kunnen differentiëren naar chloroplasten à chloroplasten naar amyloplasten (na afbraak van thylacoïde structuur). H2: De plantencel 8 Prof. De Frenne Toegepaste Plantkunde 2020-2021 3. VACUOLE Einde embyonale fase: wateropname à vormen van meerdere kleine vacuolen. Kleine verspreide vacuolen in meristematische cellen: versmelten tot 1 grote centrale vacuole in volwassen cellen. Vacuole neemt 80-90% van het celvolume in. à evolutief is de vacuole belangrijk: ze lieten de planten toe een relatief grote celeenheden te produceren zonder de cytoplasmatische kost te hoog te laten op lopen. Vecuole is omgeven door het vacuolemembraan = tonoplast. Tonoplast: semi-permeabel è vacuole is actieve osmotische eenheid. ð Hoge osmotische waarde van vacuoolvocht is nodig voor voldoende water aan te trekken, om: 1) Kruidachtigen via turgordruk typerend fenotype geven. 2) Celstrekking toe te laten bij jonge cellen. (enkel uitgerust met rekbare primaire celwand). Tonoplast is een complexe membraanstructuur => de fysiologische en morfologische rol van vacuolen in plantencellen. Turgordruk hooghouden a.d.h.v. import van osmotisch actieve componenten(K+,Na+,..), organische zuren en suikers. Deze import wordt geregeld door een elektrochemische gradiënt (gecreëerd door protonenpompen). Tonoplast bezit aquaporines (eiwitten doorheen tonoplast die selectief water doorheen het membraan leiden). Vacuole-inhoud: kleurloos en waterachtig. Kunnen diversiteit aan verbindingen stockeren. Binnen celvocht kunnen kristallen voorkomen. Vacuole = multifunctioneel 1) Stockage: verzamelplaats voor verbindingen. Deze kunnen teruggepompt worden in het cytoplasma en gebruikt in metabolische processen. In zaden: veel reserve-eiwitten in vacuolen (protein bodies). Tijdens kiemen: eiwitten > aminozuren à cytosol In cytosol à vormen van eiwitten nodig voor groei. In fruit: vaculen bezitten geur- en smaakstoffen. 2) Afbraak en recyclage: enzymen breken versleten celstructuren af tot elementaire verbindingen die terug in het celmetabolisme terecht kunnen komen. 3) pH en ionische homeostasis: reservoir van protonen en ionen à pH en ionen concentratie in cytosol optimaal houden voor metabolische processen. 4) Verdediging: stockage van toxische secundaire metabolieten. Tegen herbivoren en micro-organismen. 5) Stockage fytotoxische componenten: toxische componenten (slecht voor de plant) worden opgeslagen en geneutraliseerd. 6) Pigmentatie: pigmenten opslaan vb. Kleuren van kroonblaadjes. H2: De plantencel 9 Prof. De Frenne Toegepaste Plantkunde 2020-2021 4. DE CELWAND Plantencellen: omgeven door een stevige, stijve celwand. ð Vorm en grootte van de cel worden sterk bepaald door de celwand. ð Snelheid en richting van celgroei bepaald door celwand; à beïnvloeding van de ontwikkeling en morfologie van planten. ð Bijdragen tot functionele specialisatie: o Maximale ruimte voor gasuitwisseling (minimaal contact tussen de cellen). o Lichtreflecties, attractie van insecten. o Goed watertransport mogelijk. o Vertakken van trichomen (haartjes) > bewapening tegen uitdroging en herbivoren = bescherming Celwand = dynamisch d.w.z. gedurende de ontwikkeling van de cel veranderd de vorm, dikte en samenstelling. (Ook tijdens de afrijping van vruchten.) Primair à secundair Primaire celwand: Ø Ontstaat op het einde van de celdeling (cytokinese) à neemt snel toe in oppervlakte (snelle groei van de cel). Ø Wordt aangemaakt door de protoplast Ø Middenlamel: binding primaire celwanden van 2 buurcellen è plantencellen kunnen niet migreren Als cel volgroeit is: tijdens differentiatie bij de meeste celtypes –> aanleg van een secundaire celwand. Economisch belang: hout, vezels, voedsel, humus, … Opbouw: polymeren van suikers (voornaamste bestanddeel). ð 11 soorten monosachariden als bouwsteen in de suikerpolymeren. In een polymeer: - glucose à glucaan - xylose à xylaan - (glucose)n + xylose à xyloglucaan H2: De plantencel 10 Prof. De Frenne Toegepaste Plantkunde 2020-2021 2.4.1 MACROMOLECULEN VAN DE CELWAND 1. CELLULOSE > Belangrijkste component van celwanden een meest voorkomende bipolymeer op aarde. > Drooggewicht: 30% massa primaire celwand ; 90% massa secundaire celwand. > Cellulose komt voor in de vorm van microfibrillen. > Microfibril: opgebouwd uit meerdere cellulose-strengen = (1 à 4) 𝛽 - D – glucaan > Iedere cellulose-streng kan opgebouwd zijn uit duizenden glucosemoleculen. > H- bruggen tussen OH-groepen in de glucose-moleculen => binding tussen cellulose-strengen => microfibrillen > synthese van cellulose: in plasmamembranen door tussenkomst van cellulose synthetase 2. CALLOSE > Opgebouwd uit (1à3) 𝛽 - D – glucaan > aangemaakt door specifieke celtypes vb. Pollekiembuis, celplaten (bij delende cellen), zeefplaten floëemvaten. 3. HEMICELLULOSEN > heterogene groep van polysachariden met vertakte structuur (ó cellulose is lineair) > voornamelijk uit (1 à 4) 𝛽 - D – glucose > dominante hemicellulose in plantencelwand: xyloglucaan > primaire celwand: xyloglucaan (XyGs) en glucuronoarabinoxylaan (GAXs) XyGs vooral primaire celwand (dicotylen) GAXs vooral primaire celwand (commeliniden) > secundaire celwand (dicotylen): voornamelijk xylaan & glucomannaan > secundaire celwand (gymnospermen): voornamelijk glucomannaan > grassen (monocotylen): GAXs + gemengde (1à3),(1à4) 𝛽 - D – glucaan-ketens. 4. PECTINEN > belangrijkste component in primaire celwanden > heterogene, vertakt en sterk gehydrateerde polysachariden; rijk aan galacturonzuur. > waterige gels > gelachtige fase waarin netwerk van cellulose en hemicellulose ligt; gel dient als vulstof zodat het netwerk niet ineenklapt. > multifunctioneel: > graad van porositeit van celwand > pH en ionenbalans in celwand > adhesie tussen 2 buurcellen via middenlamella > signaalfunctie: waarschuwen van planten voor symbiotische en pathogene organismen. > bindingsplaats voor enzymen H2: De plantencel 11 Prof. De Frenne Toegepaste Plantkunde 2020-2021 5. EIWITTEN 6. AROMATISCHE VERBINDINGEN > primaire celwand (aromatische binding komt niet vaak voor): wel vb coumarine in grassen > secundaire celwand: lignine lignine: complexe, erg vertakte aromatische (fenolische) verbinding. o Hout angiospermen: 25-35% lignine o Coniferen: 30% § Lignine in grassen: tot 30% p-coumarylalcoholen § Lignine dicotylen: coniferyl-, sinapyl-, p-coumarylalcoholen (beuk: 100:70:7) o Beschermende functie: lignine is onverteerbaar; door hun binding op celluloise en eiwitten in celwanden zijn deze ook minder verteerbaar. è als ligine gehalte stijgt à verteerbaarheid daalt è oudere weefsels hebben hoger lignine gehalte à minder verteerbaar. H2: De plantencel 12 Prof. De Frenne Toegepaste Plantkunde 2020-2021 2.4.2. ARCHITECTUUR VAN DE CELWAND 1.PRIMAIRE CELWAND à komt voor bij groeiende (jonge) cellen: opbouw: 3 verschillende lagen: 1) Cellulose (25%) en hemicellulose (25%)(basisnetwerk) 2) Pectineachtige (35%) polysachariden 3) Structurele eiwitten (1-8%) (met aromatische verbindingen) è grote verschillen mogelijk: grascoleoptielen: 25% cellulose en 60-70% hemicellulose met maar 10% pectinen. Endospermweefsel granen: 80-85% hemicellulose = reservestof voor het embryo Matrix van primaire celwand voornamelijk uit water: o Bijzondere rol: polymeren in juiste configuratie, passage van ionen en signaalmoleculen è watergehalte van de celwand bepaald in belangrijke mate de flexibiliteit van de wand. Minder water = stijf en minder rekbaar o Suberine (kurkstof) kan afgezet worden in de P. Celwand. Dit maakt de cel ondoorlaatbaar. Suberine is de belangrijkste component in de celwanden van kurkcellen: à deze cellen vormen de buitenste laag (het felleem) van de periderm op de stengels en wortels van houtige planten Suikers = belangrijkste bestanddeel van de primaire celwand Oriëntatie: cellulose-microfibrillen bepalen de richting van de celexpantie. Nieuw gevormde cellen in meristemen: bolvormig Echter: de meeste celllen zijn cilindervormig: het afzetten van de nieuwe cellulosevezels gebeurt in 1 richting. Cellulosefibrillen liggen boven elkaar gestapeld, evenwijdig. => horizontale expansie moeilijk; verticaal gaat wel (nog kris kras door elkaar) => cilindervormige cellen. H2: De plantencel 13 Prof. De Frenne Toegepaste Plantkunde 2020-2021 2.SECUNDAIRE CELWAND > niet meer groeiende cellen, gespecialiseerde cellen. > dikker dan de primaire celwand: secundaire celwand heeft tot 100-en lagen microfibrillen. Deze microfibrillen lopen parallel. > secundaire celwand wordt laaggewijs afgezet: S1, S2 en S3. à afzetting aan de binnenzijde van de primaire celwand. à afzetting gebeurt pas als de cel zijn definitieve volume heeft aangekomen (stoppen van de groei) > hoger cellulose gehalte en ze bevatten lignine; lignine sterk gebonden aan cellulose: secundaire celwand in sterker H2: De plantencel 14 Prof. De Frenne Toegepaste Plantkunde 2020-2021 > niet alle celwandverdikkingen zijn secundair: soms extra lagen primaire celwand (vb. Sluitcellen huidmondjes, epidermale cellen, floeëmvaten) (ó xyleemvaten hebben dikke secundaire celwanden) > Cellen met uitgebreide secundaire celwand: sterven af en krijgen transport- of steunfunctie 2.4.3 VORMING VAN DE CELWAND VORMING MIDDENLAMEL Thelofase (= laatste fase) van de celdeling: vorming van de middenlamel. In het scheidingsvlak ontstaat de fragmoplast. Bevat microtubuli, ER- en membraanblaasjes. ð De middenlamel houdt de 2 naburige cellen bij elkaar. VORMING PRIMAIRE CELWAND OP DE MIDDENLAMEL Syntheseplaats cellulose (en vorming van de microfibrillen): plasmamembraan, ter hoogte van rozetten (=eiwitten volledig doorheen het plasmamebraan); deze bevatten cellulose synthase, eiwitten die cellulose synthetiseren. Rozetten kunnen vrij kriskras doorheen het plasmamebraan bewegen en zetten zo de eerste laag cellulose af. ð Wordt afgezet aan de buitenzijde van het plasmamembraan. Andere celwandbestanden worden afgezet door het golgi-apparaat (koolhydraten of suikerfabiek van de cel): Aangemaakte stoffen komen via blaasjes aan de buitenkant van het plasmamembraan terecht Afzetten van de primaire celwand gebeurt tegen de middenlamel op door de protoplasten. VORMING VAN DE SECUNDAIRE CELWAND Door overgangslamel wordt secundaire wand gebonden op de primaire wand. Afzetten van veel cellulose en lignine. H2: De plantencel 15 Prof. De Frenne Toegepaste Plantkunde 2020-2021 2.4.4 STIPPELS stippels = plaats waar geen celwand is afgezet. 2 soorten: -stippels (recht kanaal) -hofstippels (niet overal even breed) met af en toe een Torus (gymnospermen) Doorheen de stippels lopen plasmodesmata = uitlopers van het ER. In plasmodesmata: dun buisje van ER (desmotubulus). è cytoplasma’s van naburige cellen met elkaar in verbinding. è Symplast: cytoplasma vormt een continuüm over de cellen heen. (à symplastisch transport) ó apoplast: continuüm van celwanden en intercellulaire ruimten (à apoplastisch transport) Doorheen stippel loopt een semi-permeabel membraan = margo. Gymnospermen: margo is verdikt, men spreekt van de torus à verdikkeing van stippel verstoppen/afdekken waardoor transport door de stippel niet mogelijk is. Afzetten van secundaire celwand op de primaire celwand: stippelkanaaltje. Stippels: kanaaltje is recht Hofstippel: kanaaltje niet overal recht, stippelholte. H2: De plantencel 16