Využití stabilních izotopů ke studiu látkových přenosů u mykorhizních symbióz

Bc. Jan Butula

Bachelor's thesis

Study of nutrient exchange in mycorrhizal symbioses using stable isotopes

Abstract:

Metody využívající rozličných vlastností stabilních izotopů jsou využívány v mnoha oborech, a to i v biologii. Mezi takto nejčastěji využívané izotopy patří 13C, 15N, 2H a 18O. V biologii rostlin se izotopy využívají např. k identifikaci metabolických typů a cest, ale i ke sledování a kvantifikaci látkových přenosů v mykorhizních symbiózách. Mykorhizní symbióza je zjednodušeně vztahem kořenů rostlin s mykorhizní houbou, kdy houba rostlině poskytuje hlavně fosfor, ale i dusík nebo vodu. Rostlina obvykle výměnou poskytuje houbě asimiláty ve formě jednoduchých sacharidů. Díky přirozené abundanci izotopů se na základě izotopového podpisu dají rozlišit C3, C4 a CAM rostliny. Relativní izotopový poměr δ 13C je nejnižší u C3 rostlin (δ 13C = -27 ‰), kde je vysoká diskriminace 13CO2 při jeho fixaci enzymem Rubisco, naopak nejvyšší relativní izotopový poměr δ 13C nalezneme u C4 rostlin (δ 13C = -13 ‰), které vyžívají málo diskriminující fixační enzym PEP-karboxylázu. Rostliny fotosyntetického cyklu CAM, jež využívají obě fixační cesty, jsou z hlediska abundance 13C přibližně intermediální (δ 13C = -20 ‰) . Značení 13CO2 se využívá ke sledování látkových přenosů mezi mykorhizní houbou a rostlinou. Pozornost je věnovaná rovněž přenosu dusíku z mykorhizních hub do rostlin. Díky přírodní abundanci 13C a 15N lze také rozlišovat saprotrofní a mykorhizní výživovou strategii hub, protože mykorhizní houby se obohacují tvorbou ochuzených aminokyselin, které následně transportují do rostlin. Saprotrofní houby mají izotopový podpis podobný substrátu. Pomocí značeného 15NH4 15NO3 byla také pozorována látková výměna před strávením pelotonů u orchideoidní mykorhizy. Ke konci práce jsem se zaměřil na izotopy 2H a 18O, protože δ 2H i δ 18O jsou využívány v dalších metodách jako jsou měření evapotranspirace nebo identifikace vodních zdrojů. Na základě δ 2H lze kupříkladu odhadnout, v jakých světelných podmínkách rostlina rostla. Rostliny při tvorbě celulózy využívají asimiláty vznikající při fotosyntéze, kde se diskriminuje 2H během výměny iontů vodíku. Zároveň je izotopový podpis vody důležitý pro pochopení izotopové výměny uvnitř rostlinného těla. Objevily se snahy využít izotopů 18O ke sledování fosforu ve sloučeninách, ovšem tento způsob se ukázal být chybný, protože značené fosfáty vyměňují hydroxylové skupiny s vodou, takže izotopový podpis 18O se tímto procesem ztrácí.

Abstract:

There are many scientific disciplines including biology, which are using methods based on different features of stable isotopes. Among the most commonly used isotopes belong 13C, 15N, 2H, and 18O. In the biology of plants, stable isotopes are used for identification of metabolic pathways, but also for quantification of nutrients exchange in mycorrhizal symbioses. We can simplify mycorrhizal symbiosis as a relationship between plant roots and mycorrhizal fungus. Mycorrhizal fungus provides mainly phosphorus, but also nitrogen or water to the plant. Plant usually transports assimilates in the opposite direction to the fungus. Thanks to the natural abundance of carbon isotopes, isotopic signature can be used to distinguish C3, C4, and CAM plants. C3 plants have the lowest values (δ 13C = -27 ‰), due to the fixation by the enzyme rubisco, that greatly discriminates 13CO2. C4 plants have the highest values (δ 13C = -13 ‰), due to the properties of the enzyme PEP-carboxylase, that discriminates 13CO2 only little. In between there are CAM plants (δ 13C = -20 ‰), because they use both of the fixation enzymes. Labelled 13CO2 can be used for observing the nutrients exchange between mycorrhizal fungi and orchids. We can also find differences between saprotrophic and mycorrhizal fungi, due to the different natural abundance of 13C and 15N. Fungi with mycorrhizal life strategy make themselves enriched by production of depleted amino acids. Fungus transports these depleted amino acids to the plant, which leads to its own enrichment. Saprotrophic fungi have similar isotopic signature as their substrate. Labelled 15NH4 15NO3 enabled observation of nutrients exchange between fungal pelotons and orchid continuously before pelotons had been digested. In the end of my thesis, I focused on isotopes 2H and 18O, because δ2H and δ18O are used for measurements of evapotranspiration or identification of water sources. It is also possible to estimate irradiation of plant, using measurement of δ 2H in cellulose. Cellulose is made from assimilates produced by photosynthesis, where 2H is highly discriminated during the exchange of H+ with water. There have been efforts to observe the cycling of phosphorus by using 18O labelled phosphates. But it doesn´t work, because phosphates change hydroxyl groups with water and isotopic signature of 18O is diminishes

Keywords

Izotopy, diskriminace, hmotnostní spektrometrie, mykorhiza, fotosyntéza

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 5. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 20. 6. 2019
• Supervisor: RNDr. Milan Baláž, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Experimental Biology / Special Biology