Fizjologia roślin: jak było wczoraj, jak jest dziś, a co przyniesie jutro?

• Authors: Zofia Starck

Title variants

EN

Plant physiology: yesterday, today and what will bring tomorrow?

• Languages of publication: PL EN

Abstracts

PL

Rozwój fizjologii roślin przedstawiono w ujęciu historycznym, prezentując najważniejsze, ale subiektywnie wybrane osiągnięcia. Wynikają one głównie z możliwości wykorzystania nowych technik, pozwalających na prowadzenie badań metodami nieinwazyjnymi. Na przełomie XX i XXI wieku w centrum uwagi znajdują się próby wyjaśnienia mechanizmów regulacji i koordynacji procesów życiowych na poszczególnych poziomach organizacji: genetycznym, molekularnym, organizmalnym, dających holistyczny obraz funkcjonowania roślin. Wynika on z integracji badań różnych dyscyplin naukowych, składających się na biologię roślin. Wyjaśniane są zagadnienia przekazywania i odbioru sygnałów. W mechanizmach regulacji procesów życiowych kluczową rolę odgrywają fitohormony z funkcją plejotropową. Współdziałają one z licznymi regulatorami procesów życiowych, w tym z tlenkiem azotu (NO) i reaktywnymi formami tlenu (ROS). Stwierdzono precyzyjnie funkcjonujący system ligaz ubikwitynowo-białkowych, uczestniczący między innymi w degradacji biologicznie zbędnych, w danym okresie, lub zdenaturowanych białek. Ponadto przedyskutowano badania dotyczące perspektyw wzrostu aktywności i produktywności fotosyntezy. Optymalna dystrybucja fotoasymilatów i związków sygnałowych, z udziałem ksylemu i floemu, zapewnia zaopatrzenie akceptorów w związki pokarmowe i utrzymanie prawidłowej homeostazy organizmu. Przedyskutowano integracje powyższych procesów w aspekcie wzrostu plonu rolniczego roślin uprawnych. W zakończeniu przedstawiono konieczność badań zwiększenia produkcji żywności, odporności roślin na stresy i likwidacji globalnych zagrożeń, wynikających z zanieczyszczeń środowiska. Jako nowe dyscypliny zasygnalizowano neurobiologię roślin, biologię systemów i biologię syntetyczną.

EN

In this paper, the history of plant physiology is shortly reviewed with the main emphasis put on a limited number of subjectively chosen developments connected for the most part with the application of new noninvasive experimental methods. Since the turn of XIX and XX centuries, multidisciplinary studies towards understanding of the mechanisms of regulation and coordination of life processes at various level of organization: genetic, molecular and organismal become dominant allowing for more and more holistic description of plant functioning. The coordination of particular processes as a response to internal and external signals is one of the better understood key problems discussed in this review. In these processes important pleiotropic role is played by phytohormones which cross-talk with one another and cooperate with other regulators like nitrogen monoxide and reactive oxygen species (ROS). Next, a central and new area of research in biology, namely the process of proteins ubiquitination, is the matter at issue. Targeting of proteins for degradation with the use of ubiquitin proteasome system underlies the mechanism of degradation of denatured or nonfunctional proteins. Another discussed problem is the necessity of global crop improvement connected with an increase in photosynthetic activity and reduction of photorespiration. Special attention is paid to the function of plant phloem and ksylem systems in translocation and distribution of products of photosynthesis and nutrients, and a great number of signaling substances. The role of phloem is presented as "superhigway of information". Integration of these processes is discussed in connection with possible improvement of crop yield. The necessity of further studies directed towards increase in plant crop, resistance of plants to environmental stress and suppression of global threats linked to environmental pollution is underlined. Finally, emergence of few new disciplines like plant neurobiology, system biology and synthetic biology is noted.

• Journal: Kosmos
• Year: 2014
• Volume: 63
• Issue: 4
• Pages: 569-589

Dates

published

2014

Contributors

author

Zofia Starck

• Katedra Fizjologii Roślin, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, Nowoursynowska 159, 02-779 Warszawa, Polska

References

• Achard P., Genschik P., 2009. Releasing the brakes of plant growth: how GAs shut down DELLA proteins. J. Exp. Bot. 60, 1085-1092.
• Aliyev J. A., 2012. Photosynthesis, photorespiration and productivity of wheat and soybean genotypes. Physiol. Plant. 145, 369-383.
• Atkinson N. J., Urwin P. E., 2012. The interaction of plant biotic and abiotic stresses: from genes to the field. J. Exp. Bot. 63, 3523-3542.
• Baker N. R., Rosenqvist E., 2004. Applications of chlorophyll fluorescence can improve crop production strategies: an examination of future possibilities. J. Exp. Bot. 55, 1607-1621.
• Bartel B., Citovsky V., 2012. Focus on ubiquitin in plant biology. Plant Physiol. 160, 1.
• Benner S.A., Sismour A.M., 2005. Synthetic biology. Nat. Rev. Genet., 6, 533-543.
• Blingny R., Douce R., 2001. NMR and plant metabolism. Curr. Opin. Plant Biol., 4, 191-196.
• Bloom A. J., Burger M. Rubio Asensio J. S., Cousins A. B., 2010. Carbon Dioxide Enrichment Inhibits Nitrate Assimilation in Wheat and Arabidopsis. Science 328, 899-903.
• Busch F., Sage T. L., Cousins A. B., Sage R. F., 2013. C3 plants enhance rates of photosynthesis by reassimilating photorespired and respired CO2. Plant, Cell Env. 36, 200-212.
• Durbak A., Yao H., McSteen P., 2012. Hormone signaling in plant development. Curr. Opin. Plant Biol., 15, 92-96.
• Filek M., 1997. Zjawiska elektryczne w procesach wzrostu i rozwoju roślin. Rozprawa habilitacyjna. Monografie 6. Wyd. ZFR PAN, Kraków.
• Fonseca S., Chico J. M., Solano R., 2009. The jasmonate pathway: the ligand, the receptor and the core signalling module. Curr. Opin. Plant Biol, 12, 539-547.
• Foyer Ch., Bloom A. J., Queval G., Noctor G., 2009. Photorespiratory metabolism: Genes, mutants, energetics and redox signaling. Ann. Rev. Plant Biol., 60, 455-479.
• Fromm J., Autner S., 2007. Electrical signals and their physiological significance in plants. Plant Cell Env. 30, 249-257.
• Gniazdowska A., 2004. Rola tlenku azotu w metabolizmie komórki roślinnej. Kosmos 53, 343-355.
• Granier C., Tardieu F., 2009. Multi-scale phenothyping of leaf expansion in responce to environmental changes: the whole is more than the sum of parts. Plant Cell Env. 32, 1175-1184.
• Grzegorzewska W., Jaworski K., Szmidt Jaworska A., 2009. Rola tlenku azotu w odpowiedzi roślin na stres abiotyczny. Post. Biol. Komórki, 36, 663-678.
• Grzelakowska-Sztabert B., 2005. Nagroda Nobla z chemii za 2004 - docenienie kontolowanej, zależnej od ubikwityny, proteolitycznej degradacji białek. Post. Biol Komórki 32, 3-12.
• Gutiérrez R., Shasha D. E., Coruzzi G. M., 2005. Systems Biology for the Virtual Plant. Plant Physiol. 138, 550-554.
• Hibberd J. M., Quick W. P., 2002, Characteristics of C4 photosynthesis in stem and petioles of C3 flowering plants. Nature 415, 451-454.
• Jaspers P., Kangasjärvi J., 2010. Reactive oxygen species in abiotic stress signaling. Physiol. Plant. 138, 405-413.
• Joyard J., McCormick S., 2010. Plant Systems Biology. Plant Physiol. 152, 401.
• Kalaji M. H., 2011. Oddziaływanie abiotycznych czynników stresowych na fluorescencje chlorofilu w roślinach wybranych odmian jęczmienia Hordeum vulgare L. Wydawnictwo SGGW.
• Kalaji M. H., łoboda T., 2009. Fluorescencja chlorofilu w badaniach stanu fizjologicznego roślin. Wydawnictwa SGGW, Warszawa.
• Karpiński S., Szechyńska-Hebda M., 2012. Cellular light memory, photo-electrochemical and redox retrograde signaling in plants. Biotechnologia 93, 27-39.
• Karpiński S., Reynolds H., Karpinska B., Wingsle G., Creissen G., Mullineaux P., 1999. Systemic signaling and acclimation in response to excess excitation energy in Arabidopsis. Science 284, 654-657.
• Kelley D. R., Estelle M., 2012. Ubiquitin-mediated control of plant hormone signaling. Plant Physiol. 160, 47-55.
• Knoblauch M., Peters W. S., 2010. Münch, morphology, microfluidics - our structural problem with phloem. Plant Cell Env. 33, 1439-1452.
• Knoblauch M., Oparka K., 2012. The structure of the phloem - still more questions than answers. Plant J. 70, 147-156.
• Knoblauch M., Stubenrauch M., Van Bel A. J. E., Peters W., 2012. Forisome performance in artificial sieve tubes. Plant Cell Env. 35, 1419-1427.
• Kramer P. J., 1973. Some reflections after 40 years in plant physiology. Ann. Rev. Plant Physiol. 24, 1-24.
• Kursanow A. L., 1984. Assimilate transport in plants. Elsevier. Amsterdam.
• Ledakowicz S., 2011. Inżynieria biochemiczna. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa.
• Legocki A. B., 2008. Aplikacyjne perspektywy biologii ery postgenomowej. Biotechnologia 1, 80, 9-14.
• Levitt J., 1990. Stress interactions - back to the future. HortScience 25, 1363-2365.
• Lewak St., 2012. Regulacja procesów fizjologicznych przez czynniki endogenne. [W:] Fizjologia roślin. Kopcewicz J., Lewak St. (red.). PWN, 143-175.
• Lichtenthaler H. K., 1997. Fluorescence imaging as a diagnostic tool for plant stress. Trends Plant Sci. 2, 316-320.
• Long S. P., Zhu X. G., Shawna L., Naidu S. L., Ort D. R., 2006. Can improvement in photosynthesis increase crop yields? Plant, Cell Env. 29, 315-330.
• López-Ráez J. A., Kohlen W., Charnikhova T., Mulder P., Undas A. K., Sergeant M. J., Verstappen F., Bugg T. D. H., Thompson A, J., Ruyter-Spira C., Bouwmeester H., 2010. Does abscisic acid affect strigolactone biosynthesis? New Phytol. 187, 343-354.
• Marciniak K., Turowski T., Wilmowicz E., Frankowski K., Kęsy J., Kopcewicz J., 2010. Ligazy ubikwitynowo-białkowe w szlakach sygnałowych auksyn, jasmonianów i giberelin. Post. Biol. Kom. 37, 409-432.
• Marciniak K., Kesy J., Tretyn A., Kopcewicz J., 2012a. Gibereliny - struktura, biosynteza i dezaktywacja u roślin. Post. Bioch. 58, 14-25.
• Marciniak K., Świeżawska B., Kesy J., Tretyn A., Kopcewicz J., 2012b. Gibereliny - percepcja i transdukcja sygnału u roślin. Post. Biol. Kom. 39, 25-48.
• Marre E., 1991. Short story of plant physiologist and variations on the theme. Annu. Rev. Plant Physiol. Mol. Biol. 42, 1-20.
• Marzec M., Muszyńska A., 2012. Strigolaktony - nowi kandydaci na hormony roślinne. Post. Biol. Kom. 39, 63-86.
• Maurino V. G., Weber A. P. M., 2013. Engineering photosynthesis in plants and synthetic microorganisms. J. Exp. Bot. 64, 743-751.
• Münch E., 1930. Stoffbewengungen in der pflanze. Verlag von Gustav Fisher, Jena.
• Nalborczyk E., Sowa A., 2001. Physiology of rye. [W:] Ray: production, chemistry, and technology. Wyd. 2. Bushuk W. (red.). Amer. Assoc. Cereals Chemists (AACC). Inc. St. Paul Minnesota USA, 53-68.
• Nandi D., Tahiliani P., Kumar A., Chandu D., 2006. The ubiquitin-proteosome system. J. Biosci. 31, 137-155.
• Oparka K. J., Duckett C. M., Prior D. A. M., Fisher D. B., 1994. Real time imaging of phloem unloading in the root tip of Arabidopsis. Plant J. 6, 759-766.
• Ostrowski M., Jakubowska A., 2010. Geny wczesnych odpowiedzi na auksynę. Post. Biol. Kom. 37, 449-470.
• Parry M. A. J., Andrałojc P. J., Scales J. C., Salvucci M. E., Carmo-Silva A. E., Alonso H., Whitney S. M., 2013. Rubisco activity and regulation as targets for crop improvement. J. Exp. Bot. 64, 717-730.
• Perilli S., Moubayidin L., Sabatini S., 2010. The molecular basis of cytokinin function Review Article. Cur. Opin. Plant Biol. 13, 21-26.
• Peterhansen C., Maurino V. G., 2011. Photorespiration redesigned. Plant Physiol. 155, 49-55.
• Peuke A.D., Rokitta M., Zimmermann U., Screiber L., Haase A., 2001. Simultaneous measurement of water flow velocity and solute transport in xylem and phloem of adult plants of Ricinus communis over a daily time source by nuclear magnetic resonance spectrometry. Plant, Cell Env. 24, 491-503.
• Pietkiewicz St., Pala J., 2002. Teoria i praktyka plonowania roślin uprawnych. [W:] Fizjologia plonownia roślin. Górecki R., Grzesiuk St. (red). Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, 523-570.
• Pin P. A., Nilsson O., 2012. The multifaceted roles of FLOWERING LOCUS T in plant development. Plant Cell Env. 35, 1742-1755.
• Price G. D., Pengelly J. J. L., Forster B., Du J., Whitney S. M., von Caemmerer S., 2013. The cyanobacterial CCM as a source of genes for improving photosynthetic CO2 fixation in crop species .J. Exp. Bot. 64, 753-768.
• Quint M., Gray W. M., 2006. Auxin signaling. Curr. Opin. Plant Biol. 9, 448-453.
• Regalado A., 2010. Wynaleźć liść. Świat Nauki 11, 72-75.
• Reynolds M., Foulkes M. J., Slafer G. A., Berry P., Parry M. A. J., Snape J. W., Angus W. J., 2009. Raising yield potential in wheat. J. Exp. Bot. 60, 1899-1918.
• Roberts J. K. M., 2000. NMR adventures in the metabolic labyrinth within plants. Trends Plant Sci., 5, 30-34.
• Rosales E. P., Iannone M. F., Groppa M. D., Benavides M. P., 2011. Nitric oxide inhibits nitrate reductase activity in wheat leaves. Plant Physiol. Biochem. 49, 124-130.
• Seto Y., Kameoka H., Yamaguchi S., Kyozuka J., 2012. Recent advances in strigolactone research: chemical and biological aspects. Plant Cell Physiol. 53, 1843-1853.
• Starck Z., 2003. Transport i dystrybucja asymilatów w roślinach. Wydawnictwo SGGW, Warszawa.
• Starck Z., 2008. Funkcja tkanek przewodzących: zaopatrzenie w substancje pokarmowe i udział w koordynacji procesów w roślinach. Kosmos 57, 67-83.
• Starck Z., 2009. Dystrybucja fotoasymilatów kluczowym procesem determinującym plon. Post. Nauk Roln. 51-59.
• Starck Z., 2011. Roślina in vivo - kunszt funkcjonalności. Wiad. Bot. 55, 9-25.
• Starck Z., 2012. Fizjologiczne podstawy produktywności roślin. [W:] Fizjologia Roślin. Kopcewicz J., Lewak St. (red.). PWN, 729-761.
• Steward F. C., 1971. Plant Physiol.: The changing problems, the continuing quest. Ann. Rev. Pl. Physiol. 22, 1-23.
• Stryer L., 1999. Biochemia. PWN.
• Strzałka K., 2012. Przemiany związków organicznych I energii u roślin. [W:] Fizjologia roślin, Kopcewicz J., Lewak St. (red.) PWN, 274-391.
• Sun J., Yang L., Wang Y., Ort D. R., 2009. FACE-ing the global change: opportunities for improvement in photosynthetic radiation use efficiency and crop yield. Plant Sci. 177, 511-522.
• Szechyńska-Hebda M., 2010. Evidence for light wavelength-specific photoelectrophysiological signaling and memory of excess light episodes in Arabidopsis. Plant Cell 22, 2201-2218.
• Tae-Wuk K., Zhi-Yong W., 2010. Brassinosteroid signal transduction from receptor kinases to transcription factors. Ann. Rev. Plant Biol. 61, 681-704.
• Trewavas A. J., 2002. Mindless mastery. Nature 415, 841.
• Trewavas A. J., 2005. Green plants as intelligent organisms. Trends Plant Sci. 10, 413-419.
• Trewavas A. J., 2006. The green plant as an intelligent organism. [W:] Communications in Plants: Neuronal Aspects of Plant Life. Baluška F., Mancuso S., Volkmann D. (red.). Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 1-18.
• Turgeon R., Oparka K. 2010. The secret phloem of pumpkins. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 13201-13202.
• Van Bel A. J. E., Ehlers K., Knoblauch M., 2002. Sieve elements caught in the act. Trends Plant Sci. 7, 126-132.
• Wilmowicz E., Frankowski K., Sidłowska M., Kućko A., Kesy J., Gąsiorowski A., Głazińska P., Kopcewicz J., 2012. Jasmonate biosynthesis - the latest discoveries. Post. Bioch. 58, 26-33.
• Yoo S. D., Cho Y. H., Sheen J., 2005. Emerging connections in the ethylene-signaling network. Trends Plant Sci. 14, 270-279.
• Zhu X. G., Fortis J. R. A., Long S. P., 2004. Would transformation of C3 crop plants with foreign Rubisco increase productivity? A computational analysis extrapolating from kinetic properties to canopy photosynthesis. Plant Cell Env. 27, 155-165.
• Zhu X. G., Long S. P., Ort D. R., 2008. What is the maximum effciency with which photosynthesis can convert solar energy into biomass? Curr. Opin. Biotech. 19, 153-159.
• Zhu X. G., Long S. P., Ort D. R., 2010. Improving photosynthetic efficiency for greater yield. Ann. Rev. Plant Biol. 61, 235-261.