Senescence

Senescence

■ Termín senescence obsahuje latinský kořen sen, který je společný slovům senex – starý a senescere – stárnout. Z těchto slov jsou odvozena také slova senilní, senior a senát (rada starších; pozn. autorky: tedy i moudrých? – stáří je tady a moudrost nikde

Senescence neboli stárnutí je normální vývojová fáze ontogeneze, obvykle končí smrtí. Může se týkat jen části rostliny, např. buňky, pletiva, orgánu, celé nadzemní části, nebo celé rostliny. Senescence jednotlivých částí rostliny, např. listů, kalichu, koruny, prašníků, je přirozenou součástí vývoje organizmu. Během senescence jsou jednotlivé struktury buněk – organely, membrány, makromolekulární komplexy – programově odbourávány na dále použitelné metabolity – sacharidy, aminokyseliny, organické kyseliny, minerální látky, které jsou transportovány do aktivně rostoucích nebo přežívajících částí rostliny, např. meristémů a mladých listů, pupenů, zásobních pletiv a orgánů, semen a plodů.

Přirozená senescence vyplývá z ontogenetického programu druhu rostliny. Je součástí adaptace na sezónní klima – sezónní senescence. Před příchodem nepříznivého období ji u víceletých bylin podléhá celá nadzemní část rostliny a látky jsou ukládány do kořenů a dalších přetrvávajících orgánů (např. hlíz). U dřevin je nadzemní část redukována opadem listů a látky ze senescentních orgánů se ukládají v kořenech, kmenech, větvích a pupenech. U jednoletých rostlin podléhá senescenci celá rostlina a látky se transportují do semen a plodů.

Během aktivního vegetačního období podléhají senescenci nejčastěji nejstarší listy, které se díky tvorbě nových listů nebo výskytu nových jedinců na stanovišti dostávají do nových světelných podmínek, na které už nejsou schopny se plně adaptovat. Tento fenomén se nazývá sekvenční senescence listů.

Senescence má však řadu dalších podob, např. zrání dužnatých i suchých plodů, stárnutí děloh se zásobní funkcí, květních částí (např. koruny, tyčinek, blizny) po opylení a oplození nebo stárnutí specializovaných buněk (např. trichomy, kořenové vlásky, buňky kořenové čepičky). Senescence pletiv, buněk nebo organel (především plastidů) má charakter transdiferenciace (kap.1; též metaplazie, termín se však častěji užívá v souvislosti s živočichy).

Mimo genetický program ontogeneze může být senescence vyvolána také nepříznivými podmínkami vnějšího prostředí, např. nedostatkem vody nebo výraznou změnou světelných podmínek. V těchto případech může být senescence do určitého stadia vývoje revertovatelná.

Senescence buněk je v určitých jevech a procesech podobná programované buněčné smrti (PCD; z angl. programmed cell death), která je také přirozenou součástí normálních vývojových procesů, např. vzniku cévních elementů (kap. 8.2.3.2.2) a degenerace tapeta (kap. 10.1).

Hranice mezi senescencí a programovanou buněčnou smrtí se hledají, jsou předmětem diskusí, konvenčně se ustavují a vytyčují. S tím souvisí i vymezení obsahu celé řady termínů, např. stárnutí (angl. ageing), smrt (angl. death), zrání (angl. ripening), posklizňové zhoršování kvality (angl. post-harvest deterioration), léze (angl. lesions), chloróza (angl. chlorosis), nekróza (angl. necrosis

▼ Některé z podob programované buněčné smrti jsou součástí obranných stresových reakcí. Mezi ně patří tzv. hypersenzitivní reakce, stresová odpověď na napadení patogenem nebo vznik aerenchymu při stresu způsobeném nedostatkem kyslíku při zaplavení (kap. 6.5.3). Tyto reakce nejsou považovány za senescenci.

Senescence navozená různými faktory má určité společné charakteristické rysy. Její průběh

je programován a vyžaduje časově i prostorově řízenou expresi specifických genů. Geny, jejichž exprese je v senescenci aktivována, se obvykle souborně označují jako SAGs (z angl. senescene associated genes), jednotlivé geny u různých rostlin pak mají své vlastní značení. Dosud bylo identifikováno více než 800 genů s charakterem SAG (odhadovaný celkový počet je asi 2500 genů). Geny SAG lze dle funkce rozdělit do dvou skupin – geny, jejichž exprese řídí průběh senescence, a geny, které zajišťují nezbytné vlastní metabolické procesy. Geny první skupiny kódují především transkripční faktory rodin WRKY, NAC (kap. 7.1.3.4.1), bZIP (kap. 3.1.2), EREBP (kap. 6.5.2) a MYB (kap. 6.3.2). Do druhé skupiny patří geny kódující enzymy, které katalyzují degradaci proteinů a lipidů, a geny kódující transportní proteiny.

WRKY je doména tvořená zbytky 60 aminokyselin s konzervovanou sekvencí (tryptofan, arginin, lysin,tyrosin, glycin, glutamin lysin) kombinovaná s motivem zinkového prstu na N-konci. Umožňuje vazbu na sekvence DNA označované jako box W s jádrem TGAC. Je charakteristická pro rostliny.

Některé geny se aktivují v počátečních fázích senescence (např. geny pro chlorofylázu, Mg-chelatázu, fosfopipázu D, β-galaktosidázu, izocitrátlyázu, malátsyntázu, PEPkarboxykinázu), jiné ve fázích pozdějších (např. geny kódující enzymy pro odbourávání nukleových kyselin).

Zahájení procesů senescence vyžaduje aktivaci katabolických procesů, což se projeví zvýšením transkripce některých genů již exprimovaných a začátkem exprese genů specifických, zvýšenou translací a respirací. Syntetizuje se nejen řada enzymů, katalyzujících degradační procesy, ale i enzymů nezbytných pro biosyntézu ochranných látek, které jsou nutné pro zvládnutí stresových stavů doprovázejících senescenci (stres z vysoké ozářenosti po odbourání chlorofylu, stárnoucí pletivo může být vstupní branou pro patogeny). V plodech a listech se často zvyšuje syntéza pigmentů – karotenoidů a flavonoidů.

Naopak, exprese jiných genů je tlumena až zcela ustává. Geny, jejichž exprese se s nástupem senescence snižuje se souborně označují SDGs (z angl. senescence down-regulated genes). Patří mezi ně především geny kódující proteiny fotosystémů, podjednotky chloroplastových ATPáz a enzymy biosyntézy chlorofylu.

Exprese genů SAG i SDG je regulována na úrovni transkripce i posttranskripčně. Intenzivně jsou hledány regulační cis-elementy. Jednou z nejlépe poznaných podob senescence je senescence listu.

11.1 Senescence listu

Senescence listu se projevuje nejprve snížením rychlosti fotosyntézy a zvýšením respirace. Výrazným vnějším projevem je ztráta chlorofylu a žloutnutí listů. Fotoautotrofní list se mění v heterotrofní orgán, neztrácí však charakter zdroje. Listy obsahují značné množství lipidů, proteinů a minerálních prvků, které představují nejen množství dále využitelných látek ale i zdroj energie nezbytný pro degradační a transportní procesy.

Katabolické procesy senescence začínají v chloroplastech, které se mění v gerontoplasty. Gerontoplast je funkční forma plastidu, která zajišťuje řadu procesů, např. transport určitých látek z plastidu do cytoplazmy. První degradační procesy probíhají v thylakoidech, kde dochází k odbourávání chlorofylu a rozpadu pigmentproteinových komplexů, fotosystémů, později k narušením membrán tylakoidů a štěpení uvolněných lipidů a proteinů.

▲ Chlorofyl je štěpen chlorofylázou na chlorofylid a fytol. Fytol zůstává v membráně thylakoidu a posléze se vyskytuje ve formě esterů v lipidových globulech. Z centra porfyrinového kruhu chlorofylidu Mg-dechelatáza odstraní atom hořčíku – vzniká zelený feoforbid. V dalších reakcích se porfyrinový kruh feoforbidu oxydativně otevírá a v dalších reakcích se mění v bezbarvý lineární tetrapyrol, který je transportován z gerontoplastu do cytoplazmy a z cytoplazmy do vakuoly (oba transporty vyžadují přenašeče na membránách a ATP). Konečné fáze destrukce tetrapyrolu probíhají ve vakuole.

Volný chlorofylid i feoforbid jsou schopné absorbovat energii a bez možnosti ji fotosyntetickým aparátem dále přenášet se mění v nebezpečnou látku, iniciující fotochemické reakce destrukčního charakteru (vznik reaktivních forem kyslíku, hydroxylového radikálu a peroxidu vodíku). Proto na začátku senescence často stoupá obsah karotenoidů (především xantofylů), jejichž funkce je ochranná (zeaxantin vznikající v xantofylovém cyklu disipuje energii ve formě tepla).

Z membránových lipidů (chloroplastové lipidy tvoří více než 70% lipidů mezofylu) se za katalýzy galaktolipázami a fosfolipázami uvolňují mastné kyseliny, které jsou transportovány z gerontoplastu do cytoplazmy. Listové peroxizomy se mění v glyoxyzomy, které v glyoxylátovém cyklu odbourávají mastné kyseliny na glyoxylát a sukcinát (jantaran). V navazujících metabolických procesech, probíhajících v mitochondriích, je jantaran měněn na malát. Malát je v cytosolu dále metabolizován především na transportovatelné sacharidy (hlavně sacharózu; v podstatě stejné procesy probíhají při odbourávání zásobních lipidů během klíčení (kap. 7.1.2). Část sacharidů je využita také jako zdroj energie. Stejným způsobem jako lipidy thylakoidů se později odbourávají i lipidy jiných membránových struktur buňky.

V lipidové dvouvrstvě thylakoidů se hromadí degradační produkty membránových lipidů a jiných membránových komponent, dochází k porušení permeability membrán a úniku iontů z lumenu thylakoidů. Membrány gerontoplastu se nakonec rozpadají v plastoglobuly a lipidoproteinová tělíska. Plastoglobuly obsahují thylakoidní lipidy a jejich degradační produkty, degradační produkty fytolu, plastochinon, mastné kyseliny a karotenoidy. Plastoglobuly a lipidoproteinová tělíska jsou struktury velice si podobné, na rozdíl od plastoglobulů lipidoproteinová tělíska obsahují také proteiny, např. proteiny cytochromů. Obě struktury mají na povrchu protein, značený PAP (z angl. phagocytosis activation protein), blízký oleosinům.

Proteiny jsou během senescence odbourávány aktivně syntetizovanými proteázami. Odbourávání proteinů ubikvitinovou cestou na proteazomu S26 (kap. 3.4), závislé na dodání ATP, se uplatňuje omezeně a týká se především regulačních proteinů. Plastidové proteiny (představují více než 50% proteinů mezofylu) jsou nejprve částečně hydrolyzovány na kratší peptidy v plastidech (aktivní jsou serinové a aspartátové endoproteázy), dále degradace probíhá ve vakuolách, stejně jako u proteinů cytoplazmatických. Cysteinové proteázy se na začátku senescence hromadí ve vakuolách v neaktivní formě a postupně se aktivují.

Zvýšená aktivita glutaminsyntetázy v cytosolu zajišťuje efektivní transport organicky vázaného dusíku a aktivní detoxikaci NH₄⁺. Vzniklé aminokyseliny a amidy jsou transportovány floémem do aktuálních sinků. Organicky vázaná síra je transportována ve formě glutathionu.

Jádra zůstávají funkční do pozdějších fází senescence, dokud je třeba transkribovat geny zajišťující průběh senescence. Pak nastává desintegrace jádra a odbourávání DNA.

Celkové množství RNA, které na počátku senescence stoupá, se v dalších fázích senescence  snižuje. Nukleové kyseliny jsou odbourávány bifunkčními nukleázami a kyselými fosfatázami. Obsahují velké množství fosforu, který je po uvolnění z nukleových kyselin transportován do sinku jako anorganický fosfát. Konečné fáze odbourávání bází nukleových kyselin probíhá ve vakuolách.

Minerální látky jsou transportovány floémem jako ionty nebo soli organických kyselin. Z z makroelementů je nejméně mobilní vápník, který zůstává vázán v buněčných stěnách, z mikroelementů železo, kterého je nejvíce v choroplastech. Železo zůstává ve strukturách zvaných fytoferritin. Fytoferritin je tvořen jádrem a proteinovým obalem. Jádro fytoferritinu obsahuje vysoký počet atomů Fe³⁺ (5 až 6 tisíc) ve formě oxidů a fosfátů.

Integrita subcelulárních membrán zajišťující kompartmentaci biochemických cest v cytoplazmě zůstává zachována do pozdních fází senescence. Do velmi pozdních fází zůstávají funkční mitochondrie, které zajišťují energii do posledních fází života buňky nezbytnou. V mitochondriích se aktivuje alternativní oxidáza (AOX), která redukcí O₂ na vodu snižuje pravděpodobnost vzniku reaktivních forem kyslíku a podílí se tak na stabilizaci membrán mitochondrií.

Významným procesem v průběhu pozdních fází senescence je rozpad tonoplastu. Buňky zůstávají živé, dokud většina využitelných a transportovatelných látek není translokována do přežívajících částí rostliny. Ztráta turgoru a vadnutí se dostavuje až v nejposlednějších fázích senescence. V senescentní buňce zůstává nejdéle funkční plazmalema.

Průběh senescence je řízen regulačními cestami, které jsou v mnoha bodech vzájemně propojené a odpovídají na různé signály a regulační faktory. Významnou regulační úlohu hrají fytohormony. Stimulující efekt mají především etylén (kap. 5.5), kyselina abscisová (ABA; kap. 5.4) a kyselina jasmonová (JA; z angl. jasmonic acid; především stresem navozená senescence). Zejména efekty etylénu na senescenci plodů s klimakterickým dýcháním a na senescenci koruny jsou nejen předmětem zájmu výzkumníků, ale i praktického využívání. V atmosféře etylénu dozrávájí banány, transportované v nezralém stavu, inhibitory syntézy etylénu se využívají k prodloužení tržní kvality u některých řezaných květin, např. z čel. Convolvulaceae, Orchidaceae, Caryophyllaceae (neúčinné v čel. Amarillidaceae, Liliaceae, Iridaceae, Asteraceae; v čel. Amarillidaceae je senescence koruny řízena kyselinou abscisovou).

Cytokininy naopak senescenci oddalují, zejména prodlužují fotosyntetickou aktivitu chloroplastů. Také gibereliny (kap. 6.3) a brassinosteroidy (kap. 6.6) mohou senescenci zpomalovat. V přirozených podmínkách však cytokininy, gibereliny ani brassinosteroidy programovanou senescenci neodvrátí, mohou opozdit její nástup nebo průběh zpomalit.