Korzenie powietrzne Phalaenopsis mają szczególny talent do wzbudzania niepokoju. Wyrastają z doniczki, pełzną po parapecie, opierają się o szybę, zaczepiają o firankę, a czasami kierują się w stronę sąsiedniej rośliny z miną kogoś, kto właśnie postanowił zmienić miejsce zamieszkania.

Właściciel przygląda się temu przez pewien czas z rosnącą podejrzliwością, po czym pojawia się pytanie nieuchronne jak rachunek za prąd: czy można go obciąć?

Można, rzecz jasna. Można również usunąć z kuchni lodówkę, ponieważ nie pasuje do koloru szafek, ale przed podjęciem decyzji dobrze byłoby sprawdzić, co właściwie zamierzamy usunąć. Bo ten niepozorny zielony czubek, który właśnie usiłuje wejść za doniczkę, prowadzi znacznie bardziej interesujące życie, niż sugeruje jego wygląd. A przynajmniej u jednego szczegółowo zbadanego mieszańca Phalaenopsis zielona końcówka prowadzi jeszcze bardziej interesujące życie, niż moglibyśmy przypuszczać.

W tym artykule
Kliknij, aby rozwinąć ↓
Kliknij, aby zwinąć ↑

1. Gdzie korzeń ma swój początek
2. Alkaloid, czyli słowo z kiepską reputacją
3. Nie wszystkie alkaloidy pirolizydynowe są takie same
4. Jak roślina buduje związek chemiczny
5. Pierwsze stanowisko linii produkcyjnej
6. Gdzie działa ta fabryka?
7. Jak przyłapano korzeń na produkcji
8. Apteka ma również wysyłkę
9. I wtedy odkryto filię
10. Produkcji nie ma, ale towar został
11. Skąd właściwie wzięła się HSS?
12. Dlaczego właśnie tam?
13. Jedna roślina nie jest całym rodzajem
14. Kiedy zielona końcówka znika
15. A zatem: obcinać czy nie?
16. Niepozorny kraniec wielkiego świata

Słowniczek dla tych, którzy przyszli do apteki, a trafili do laboratorium
Kliknij, aby rozwinąć ↓
Kliknij, aby zwinąć ↑

Merystem to obszar zbudowany z młodych komórek zdolnych do intensywnych podziałów. To dzięki nim korzeń tworzy nowe tkanki i może rosnąć dalej.

Welamen to wielowarstwowa osłona starszych części korzeni wielu epifitycznych storczyków. To ona nadaje suchym korzeniom charakterystyczny srebrzysty wygląd.

Alkaloidy to ogromna grupa naturalnych związków organicznych zawierających azot. Należą do niej substancje tak różne jak kofeina, nikotyna, chinina czy morfina. Samo słowo „alkaloid” nie oznacza więc „trucizny”.

PA to alkaloidy pirolizydynowe, jedna z grup alkaloidów. U badanych Phalaenopsis występowały między innymi 1,2-nasycone związki typu phalaenopsine.

Biosynteza to wytwarzanie związku chemicznego przez żywy organizm z innych, prostszych składników.

Szlak biosyntezy to seria kolejnych reakcji chemicznych prowadzących do powstania określonego produktu.

Enzym to biologiczne narzędzie, najczęściej białko, umożliwiające określoną reakcję chemiczną.

HSS to syntaza homospermidyny, pierwszy enzym swoisty dla szlaku prowadzącego do biosyntezy alkaloidów pirolizydynowych.

Prekursor to związek będący materiałem wyjściowym do dalszych przemian chemicznych.

Idioblast to wyspecjalizowana komórka wyraźnie różniąca się od sąsiednich komórek tkanki.

Rafidy to cienkie, igiełkowate kryształy szczawianu wapnia przechowywane w specjalnych idioblastach.

DHS to syntaza deoksyhypuzyny, enzym podstawowego metabolizmu, z którego genu w toku ewolucji wywodzi się HSS.

Gdzie korzeń ma swój początek

Z naszego punktu widzenia zielona końcówka jest końcem korzenia, ale dla rośliny jest dokładnie odwrotnie: to tutaj korzeń się zaczyna.

W pobliżu jego wierzchołka znajduje się merystem, czyli obszar zbudowany z młodych komórek zdolnych do intensywnych podziałów. To właśnie dzięki nim korzeń tworzy kolejne tkanki i może rosnąć dalej. Najprościej wyobrazić sobie merystem jako przesuwający się plac budowy: z przodu powstają nowe komórki, nieco dalej wydłużają się, dojrzewają i podejmują coraz bardziej wyspecjalizowane obowiązki.

Dlatego aktywny czubek wygląda inaczej niż starsza część korzenia. Jest gładki, jędrny, zwykle zielony lub zielonkawy i nie ma jeszcze takiego dojrzałego welamenu, czyli wielowarstwowej osłony korzenia, jaki nadaje starszym fragmentom charakterystyczny srebrzysty wygląd.

Można by sądzić, że budowanie nowego korzenia jest dostatecznie odpowiedzialnym zajęciem. Phalaenopsis najwyraźniej jest innego zdania. W tej samej niewielkiej strefie odbywają się również bardzo interesujące przemiany chemiczne.

I właśnie tutaj zaczyna pracę nasza apteka.

Alkaloid, czyli słowo z kiepską reputacją

Zanim zaczniemy wizytować aptekę, poznajmy najpierw oferowane produkty.

Jedną z grup związków wytwarzanych przez rośliny są alkaloidy. Nazwa brzmi nieprzyjaźnie i ma ku temu pewne powody, ponieważ do alkaloidów należą między innymi nikotyna, morfina czy strychnina, ale także kofeina i chinina.

Samo słowo „alkaloid” nie oznacza więc „trucizny”. To ogromna rodzina zawierających azot związków organicznych o bardzo różnych właściwościach. Rośliny wykorzystują je między innymi w kontaktach z roślinożercami, owadami i mikroorganizmami, choć funkcje wielu z nich nadal poznajemy.

Phalaenopsis również potrafi wytwarzać alkaloidy. W interesujących nas badaniach były to alkaloidy pirolizydynowe, w literaturze naukowej oznaczane skrótem PA, od angielskiego pyrrolizidine alkaloids. U badanych mieszańców wykryto między innymi związki określane jako phalaenopsine.

Zatrzymajmy się na chwilę i sprawdźmy, co to właściwie znaczy.

Nie wszystkie alkaloidy pirolizydynowe są takie same

Niektóre PA występujące u innych roślin rzeczywiście są toksyczne. Szczególnie istotna jest obecność w ich cząsteczce określonego wiązania podwójnego, dzięki któremu mogą być przekształcane w organizmie zwierzęcia w bardzo reaktywne związki.

Badane u Phalaenopsis alkaloidy typu phalaenopsine są jednak 1,2-nasycone, a więc chemicznie różnią się od najlepiej poznanych toksycznych 1,2-nienasyconych PA. Czyli nie: stojący na parapecie falenopsis nie zamienia salonu w laboratorium trucizn.

Znacznie ciekawsze pytanie brzmi: po co właściwie roślina te związki wytwarza?

Rozmieszczenie alkaloidów w młodych i szczególnie cennych tkankach sugeruje, że mogą należeć do chemicznego zaplecza ochronnego rośliny. To bardzo sensowna interpretacja ekologiczna, ale nie należy jej zamieniać w fakt, którego doświadczenia bezpośrednio nie wykazały. Nie znamy jeszcze pełnej roli tych związków u Phalaenopsis.

Apteka więc istnieje, ale nie wszystkie recepty umiemy jeszcze odczytać.

Jak roślina buduje związek chemiczny

Alkaloid nie powstaje za jednym machnięciem magicznej różdżki, a sklep pana Ollivandera nie współpracuje z naszą apteką. Roślina musi więc poradzić sobie sama. Zaczyna od prostszych związków i krok po kroku przekształca je w kolejne. Całą serię takich następujących po sobie reakcji nazywamy szlakiem biosyntezy.

Biosynteza brzmi imponująco, ale oznacza tyle, że żywy organizm sam wytwarza określony związek z innych, prostszych składników.

Żeby reakcje zachodziły sprawnie, komórka potrzebuje odpowiednich narzędzi. Są nimi enzymy, czyli białka umożliwiające określone reakcje chemiczne. Jeśli więc szlak biosyntezy przypomina linię produkcyjną, enzymy są jej kolejnymi stanowiskami.

Poznajmy teraz jedno z nich.

Pierwsze stanowisko linii produkcyjnej

Jednym z najważniejszych narzędzi na początku interesującego nas szlaku jest enzym o dość imponującej nazwie: syntaza homospermidyny, w skrócie HSS. Samej nazwy nie trzeba zapamiętywać. Znacznie ciekawsze jest to, dlaczego naukowcy tak bardzo chcieli wiedzieć, gdzie HSS się znajduje.

HSS jest pierwszym enzymem swoistym dla szlaku prowadzącego do powstawania alkaloidów pirolizydynowych (PA). Określenie „swoisty” oznacza tutaj, że pojawienie się enzymu wiąże się już z tą konkretną linią produkcyjną, a nie tylko z ogólną pracą komórki.

Możemy więc potraktować HSS jak charakterystyczne stanowisko na początku fabrycznej taśmy. Sam enzym nie wykonuje całego produktu, ponieważ po nim potrzebne są jeszcze kolejne reakcje, ale jego obecność zdradza, że w tym miejscu uruchomiono szlak prowadzący do PA.

I właśnie dlatego tak interesujące stało się pytanie: gdzie właściwie znajduje się HSS?

Gdzie działa ta fabryka?

Naukowcy wykorzystali do jej odnalezienia przeciwciała, czyli cząsteczki zdolne bardzo precyzyjnie rozpoznawać określone białka. Przygotowano przeciwciała rozpoznające HSS i za ich pomocą sprawdzono różne tkanki Phalaenopsis. Tam, gdzie pojawiał się charakterystyczny sygnał, można było stwierdzić obecność enzymu.

I wtedy okazało się, że storczyk ulokował tę część swojej chemicznej fabryki w miejscu naprawdę osobliwym: na samym krańcu korzenia.

HSS wykryto w młodych, intensywnie dzielących się komórkach aktywnych końcówek korzeni powietrznych. Wraz z przechodzeniem komórek od intensywnych podziałów do dalszych etapów rozwoju ekspresja HSS zanikała.

Nasza chemiczna fabryka zajmuje więc bardzo szczególne miejsce: najmłodszą, aktywną część rosnącego korzenia. Co więcej, nawet tutaj obowiązuje podział pracy. HSS nie wykrywano na przykład w idioblastach zawierających rafidy. Idioblast to wyspecjalizowana komórka różniąca się od otaczających ją komórek, a rafidy są zgromadzonymi w niej cienkimi, igiełkowatymi kryształami szczawianu wapnia.

Jedne komórki się dzielą, inne przechowują kryształy, w jeszcze innych działa interesujący nas enzym, a wszystko to dzieje się na samym krańcu korzenia, w strefie, na którą zwykle nawet nie zwracamy szczególnej uwagi.

Jak przyłapano korzeń na produkcji

Znalezienie HSS było bardzo mocną wskazówką, ale naukowcy mieli jeszcze jeden sposób, żeby sprawdzić, czy korzenie rzeczywiście są miejscem biosyntezy alkaloidów. Wykorzystali znakowane prekursory.

Prekursor to związek będący materiałem wyjściowym do dalszych przemian. „Znakowany” oznacza natomiast, że został przygotowany w taki sposób, aby później można było śledzić jego los.

Wyobraźmy sobie worek mąki, którego każde ziarenko da się wykryć specjalnym urządzeniem. Sam fakt znalezienia mąki w piekarni jeszcze nie dowodzi, że piecze się z niej chleb. Jeśli jednak później ten sam znacznik odnajdziemy w bochenku, sytuacja robi się znacznie ciekawsza.

W doświadczeniach ze znakowanymi prekursorami wykazano, że korzenie powietrzne Phalaenopsis są miejscem biosyntezy alkaloidów. Późniejsze badania lokalizacji HSS wskazały natomiast, że pierwszy swoisty etap tego szlaku zachodzi w mitotycznie aktywnych komórkach ich wierzchołków.

Fabryki nie zdradziła więc wyłącznie obecność jednego enzymu, ponieważ przyłapano ją również podczas pracy.

Apteka ma również wysyłkę

Alkaloidy znajdowano także w innych częściach rośliny, chociaż nie wykazywano tam takiej samej miejscowej produkcji. Badania wykazały również, że alkaloidy wytwarzane w korzeniach są transportowane do innych części rośliny, gdzie mogą się gromadzić.

Nie obserwowano oczywiście pojedynczych cząsteczek maszerujących przez storczyk z walizkami. Badacze mogli jednak śledzić los znakowanych związków i dzięki temu ustalić, że produkty naszej apteki nie pozostają wyłącznie w miejscu produkcji.

Apteka na krańcu korzenia ma więc również wysyłkę.

I wtedy odkryto filię

Na tym historia mogłaby się spokojnie skończyć: korzeń produkuje związki, wysyła je dalej, a wszyscy rozchodzą się do domu. Tyle że Phalaenopsis miał jeszcze jedną niespodziankę.

HSS znaleziono również w najmłodszych pąkach kwiatowych. Sama obecność enzymu nie wystarczała jednak, by uznać pąk za miejsce aktywnej biosyntezy, przeprowadzono więc kolejne doświadczenia ze znakowanymi prekursorami. I tym razem również wykazano produkcję alkaloidów.

Apteka miała filię, tyle że tymczasową.

Najmłodsze pąki wykazywały największą zdolność biosyntezy. W miarę ich wzrostu zdolność ta malała, a następnie zanikała jeszcze przed otwarciem kwiatu. Kiedy więc zachwycamy się rozwiniętym kwiatem, jego lokalna linia produkcyjna już nie pracuje.

Nie oznacza to jednak, że magazyn jest pusty.

Produkcji nie ma, ale towar został

W najmłodszych pąkach stężenie alkaloidów dochodziło do około 6,3 mg na gram świeżej masy. Wraz z powiększaniem się pąka stężenie malało, lecz w otwartym kwiecie nadal znajdowano około 1 mg na gram świeżej masy. Szczególnie dużo alkaloidów wykrywano w strukturach bezpośrednio związanych z rozmnażaniem, czyli prętosłupie i pyłkowinach.

To bardzo dobrze pokazuje różnicę pomiędzy stwierdzeniem, że w danym miejscu związek jest produkowany, a informacją, że związek się tam znajduje. Produkcja mogła zakończyć się wcześniej, podczas gdy jej produkty pozostały w tkankach.

Fabryka została zamknięta, ale magazyn nadal był zaopatrzony.

Skąd właściwie wzięła się HSS?
Kliknij, aby rozwinąć ↓
Kliknij, aby zwinąć ↑

To już historia dla bardziej dociekliwych, ale naprawdę warto do niej zajrzeć.

HSS wyewoluowała z genu kodującego inny enzym, syntazę deoksyhypuzyny (DHS), pełniącą w komórkach podstawową, zupełnie inną funkcję.

Ewolucyjne powstanie HSS wiąże się z duplikacją genu DHS: jedna kopia zachowała pierwotną funkcję, podczas gdy druga mogła stopniowo się zmieniać i zostać zrekrutowana do nowego zadania, jakim był udział w biosyntezie alkaloidów pirolizydynowych.

To jeden z piękniejszych mechanizmów ewolucji, ponieważ nie trzeba tworzyć rozwiązania od początku: można skopiować coś, co już działa, a następnie stopniowo przystosować kopię do zupełnie innego zadania.

Co jeszcze ciekawsze, podobna historia wydarzyła się niezależnie w kilku liniach ewolucyjnych roślin okrytonasiennych. HSS nie została więc odziedziczona przez wszystkie te rośliny po jednym przodku, który już ją posiadał, lecz ewolucja kilkakrotnie doszła do podobnego rozwiązania, wykorzystując ten sam punkt wyjścia, czyli DHS.

Dlaczego właśnie tam?

Pozostaje jeszcze jedno pytanie: dlaczego część tej chemicznej pracy odbywa się właśnie w wierzchołku korzenia?

Nie znamy jednej pewnej odpowiedzi. Aktywny wierzchołek jest miejscem intensywnych podziałów komórkowych i bardzo żywego metabolizmu, a jednocześnie strukturą delikatną, ponieważ uszkodzenie merystemu może zatrzymać dalszy wzrost tego korzenia.

U epifitu właśnie końcówka jako pierwsza wchodzi też na nowy teren. Dotyka kory, mchu i porostów, trafia na wilgoć i przeszkody, kontaktuje się z mikroorganizmami i drobnymi zwierzętami. Jest więc jednocześnie placem budowy i oddziałem zwiadowczym. Umieszczenie tam części chemicznego zaplecza wydaje się biologicznie sensowne.

Podkreślmy jednak, że to interpretacja. Badania pokazały, gdzie zachodzi biosynteza, ale nie przeprowadzono przesłuchania korzenia w sprawie motywów wyboru lokalu.

Jedna roślina nie jest całym rodzajem

I tu musimy raz jeszcze zaciągnąć naukowy hamulec bezpieczeństwa.

Wiemy natomiast, że zjawisko nie jest literacką fantazją wymyśloną po obejrzeniu zielonego czubka korzenia, lecz zostało wykazane eksperymentalnie.

Po prostu nie należy z jednego dobrze zbadanego przypadku robić konstytucji obowiązującej cały rodzaj.

Kiedy zielona końcówka znika

Wróćmy teraz do naszego parapetu.

Jeszcze wczoraj korzeń miał piękną, błyszczącą końcówkę i wyraźnie rósł, a dzisiaj czubek jest matowy, ciemniejszy albo sprawia wrażenie, jakby został zamknięty. Nie musi to od razu oznaczać choroby.

Aktywność wzrostowa korzenia może się zmieniać wraz ze stanem rośliny i warunkami. Wzrost może zwolnić lub się zatrzymać, a po pewnym czasie zostać podjęty przez nowe odgałęzienie.

Inaczej wygląda sytuacja, gdy wierzchołek został mechanicznie uszkodzony, ponieważ aktywna końcówka jest delikatna i łatwo ją zgnieść, złamać albo otrzeć podczas przesuwania doniczki czy próby przekonania korzenia, że jednak powinien grzecznie wrócić do osłonki.

Świadomość tego, ile dzieje się w tej niewielkiej strefie, każe patrzeć na nią trochę inaczej.

A zatem: obcinać czy nie?

Wróciliśmy do pytania z początku: zdrowego korzenia powietrznego nie należy usuwać wyłącznie dlatego, że popsuł symetrię rośliny, wyszedł z doniczki albo objął stojącą obok ceramiczną żabę.

Nie twierdzimy przy tym, że odcięcie jednego korzenia „rozbraja” storczyk chemicznie, ponieważ badania czegoś takiego nie wykazały. Argument jest znacznie prostszy: to żywy i sprawny organ.

Pobiera wodę, uczestniczy w gospodarce mineralnej i gazowej, może prowadzić fotosyntezę, reaguje na otoczenie, a jego aktywna końcówka jest miejscem wzrostu i niezwykle interesującej aktywności metabolicznej.

Korzenie naprawdę martwe, puste lub gnijące można usunąć, jeżeli jest to potrzebne. Zdrowe zostawiamy w spokoju, nawet jeżeli ich plan zagospodarowania przestrzennego wyraźnie nie zgadza się z naszym.

Niepozorny kraniec wielkiego świata

Kwiaty Phalaenopsis zabierają całą uwagę, a korzenie zwykle interesują nas dopiero wtedy, kiedy coś zaczyna wyglądać podejrzanie. Tymczasem srebrzysta plątanina wychodząca z doniczki nie jest instalacją techniczną, którą należałoby możliwie dyskretnie ukryć.

Korzeń pobiera wodę i składniki mineralne, uczestniczy w wymianie gazowej, może prowadzić fotosyntezę i reaguje na środowisko. Jego aktywna końcówka buduje kolejne fragmenty organu, wkracza na nowe powierzchnie, a przynajmniej u dobrze zbadanego mieszańca prowadzi również wyspecjalizowaną pracę chemiczną.

Zielony czubek, który właśnie oparł się o szybę i wygląda, jakby zabrakło mu lepszego pomysłu, jest więc jednocześnie placem budowy, zwiadowcą i niewielkim laboratorium. Każde z tych zajęć byłoby wystarczająco odpowiedzialne, ale korzeń najwyraźniej nie widzi powodu, żeby ograniczać się do jednego.

Kiedy więc następnym razem przejdzie przez pół parapetu i zatrzyma się dokładnie tam, gdzie najbardziej przeszkadza, można odłożyć nożyczki i spojrzeć na zielony koniec jeszcze raz.

Niesie własną aptekę.

Bibliografia i źródła naukowe
Kliknij, aby rozwinąć ↓
Kliknij, aby zwinąć ↑

1. Frölich C., Hartmann T., Ober D. (2006). Tissue distribution and biosynthesis of 1,2-saturated pyrrolizidine alkaloids in Phalaenopsis hybrids (Orchidaceae). Phytochemistry 67(14): 1493–1502. DOI: 10.1016/j.phytochem.2006.05.031
2. Anke S., Gondé D., Kaltenegger E., Hänsch R., Theuring C., Ober D. (2008). Pyrrolizidine Alkaloid Biosynthesis in Phalaenopsis Orchids: Developmental Expression of Alkaloid-Specific Homospermidine Synthase in Root Tips and Young Flower Buds. Plant Physiology 148(2): 751–760. DOI: 10.1104/pp.108.124859
3. Nurhayati N., Gondé D., Ober D. (2009). Evolution of pyrrolizidine alkaloids in Phalaenopsis orchids and other monocotyledons: Identification of deoxyhypusine synthase, homospermidine synthase and related pseudogenes. Phytochemistry 70(4): 508–516. DOI: 10.1016/j.phytochem.2009.01.019

Copyright Marzenna Kielan, wszystkie prawa zastrzeżone