2.4. การพัฒนาระบบกลุ่มเซลล์เฉพาะทางแบบ Kranz Anatomy ในพืชC4

ระบบการสังเคราะห์แสงแบบ C4 เป็นระบบที่ประกอบไปด้วยลักษณะอีกหลายลักษณะที่จำเป็นต้องปรากฏพร้อมกันได้แก่ 1) ลักษณะทางชีวเคมี 2)ลักษณะทางโครงสร้าง และ 3) ลักษณะการควบคุมการแสดงออกของยีน

2.4.1. ลักษณะโครงสร้างภายในใบแบบ Kranz (Kranz anatomy) ของพืช C4:

ในพืช C4 ทั้งใบเลี้ยงเดี่ยวและใบเลี้ยงคู่ ได้มีการจำแนกลักษณะทางกายภาพที่แตกต่างกันออกไปได้ถึง 14 แบบ (Dengler and Nelson, 1999) ทว่าลักษณะที่พืช C4 ส่วนใหญ่จะมีเหมือน ๆ กันคือ ลักษณะทางโครงสร้างของใบที่เรียกว่าโครงสร้างแบบ Kranz (Kranz anatomy) โดยลักษณะดังกล่าวคือการที่มีกลุ่มของเซลล์สองกลุ่มเรียงตัวเป็นวงสองวงล้อมรอบมัดท่อลำเลียง (veins) โดยมีวงในอยู่ชิดติดกับกลุ่มท่อลำเลียง เรียกเซลล์กลุ่มนี้ว่าเซลล์ bundle sheath (BS) ภายในเซลล์ BS จะประกอบไปด้วยคลอโรพลาสต์จำนวนมากและคลอโรพลาสต์เหล่านี้เป็นชนิดที่ไม่มีกรานา (agrana) ถัดออกมาเป็นวงนอกจะมีเซลล์อีกกลุ่มหนี่งคือเซลล์ mesophyll (M) จะล้อมเซลล์ BS เอาไว้ ในเซลล์ M ของพืช C4 จะไม่พบคลอโรพลาสต์หรือพบน้อยมาก (ภาพที่ 5 ด้านล่าง) ลักษณะการเรียงตัวของเซลล์ทั้งสองชนิดดังกล่าวมีข้อดีหลายประการ เช่น เป็นการแบ่งส่วนกันอย่างชัดเจนระหว่างส่วนของการดักจับและตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ (carbon fixation) ซึ่งเกิดขึ้นในส่วนของเซลล์ M และส่วนของการใช้คาร์บอนไดออกไซด์ (carbon assimilation) ไปในกระบวนการสังเคราะห์แสงในเซลล์ BS ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และก๊าซออกซิเจน (O2) จากภายนอกผ่านเข้าทางปากใบไปสู่เซลล์เมโซฟิลล์ซึ่งจะมีเอนไซม์ carbonic anhydrase (CA) คอยจับ CO2 และเปลี่ยนให้อยู่ในรูปของไบคาร์บอเนต (HCO3-) ในเซลล์ M ยังมีเอนไซม์ที่ใช้ในการตรึง CO2 คือ PEPC ที่มีความจำเพาะกับCO2 (ที่อยู่ในรูป HCO3-) เท่านั้น ดังนั้นถึงแม้ว่าจะมี O2 ซึ่งเข้ามาทางปากใบพร้อมกันกับ CO2 ปรากฎอยู่ด้วยก็ตาม ก็ไม่มีผลในการเข้าไปแก่งแย่งทำปฏิกิริยาดังเช่นที่เกิดในส่วนของเซลล์เมโซฟิลล์ในพืช C3 ทำให้พืช C4 สามารถตรึง CO2 ในส่วนนี้ได้อย่างเต็มที่ นอกจากนี้การที่เซลล์ BS ล้อมรอบมัดท่อลำเลียงไว้ ทำให้การขนส่งผลิตภัณท์ที่ได้จากการสังเคราะห์แสงในเซลล์ BS สามารถส่งต่อไปทางท่อลำเลียงได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งผิดกันกับในพืช C3 ที่การสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นในเซลล์ M ซึ่งต้องใช้เวลาในการขนส่งจากเซลล์ต่อเซลล์ไปสู่ท่อลำเลียงได้ช้ากว่า และการที่เซลล์ BS มีผนังหนาอันเนื่องมาจากมีการสะสมของซูเบอริน (suberin) ทำให้สามารถกักขัง CO2 ที่ปลดปล่อยมาจากสารประกอบที่มีคาร์บอน 4 อะตอมเอาไว้ได้มากจึงทำให้เอนไซม์ RubisCO สามารถนำไปใช้ได้อย่างเต็มที่และลดการเกิดการหายใจเชิงแสง

 


ภาพที่ 5 โครงสร้างแบบ Kranz และขบวนการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์แบบ C4

(a) โครงสร้างแบบ Kranz ที่พบโดยทั่วไปในใบพืช C4 ใบเลี้ยงเดี่ยว จะเห็นว่ามีคลอโรพลาสต์จำนวนมากในเซลล์ bundle sheath (BS) เมื่อเทียบกับเซลล์ mesophyll (M)
(b) กระบวนการสังเคราะห์แสงแบบ C4 ชนิด 2 cell อย่างง่าย แสดงถึงการเกิดขบวนการ carboxylation, decarboxylation และ reassimilation reactions ที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ อักษรย่อ: v, vascular centre; bs, bundle sheath cells; mp, mesophyll cells; e, upper or lower leaf epidermal cells.

ที่มา: James O Berry และ Minesh Patel, 2008

เนื่องด้วยประสิทธิภาพในการตรึง CO2 ที่สูงกว่าและกระบวนการหายใจเชิงแสง (photorespiration) ที่ถูกยับยั้ง จึงทำให้พืชในกลุ่ม C4 มีการสูญเสีย CO2 น้อยกว่าในพืชกลุ่ม C3 ซึ่งหมายความว่าการตรึง CO2 ในระบบปิดนั้นพืชในกลุ่ม C4 สามารถรักษาอัตราการดูดซึมCO2 เมื่อความเข้มข้นของ CO2ในอากาศลดลงอย่างมีนัยสำคัญ และยังพบว่าพืชในกลุ่ม C4 มีจุดอิ่มตัวของ CO2 ที่ต่ำกว่าพืชกลุ่ม C3 แต่ในสภาวะที่มี O2 ต่ำประสิทธิภาพของการสังเคราะห์แสงในพืชกลุ่ม C4 ลดลงเมื่อเทียบกับพืชในกลุ่ม C3 (Hatch, 1987; Kani and Edwards, 1999; Von Caemmerer and Furbank, 2003; Sage, 2004)

2.4.2. ชีววิทยาด้านการพัฒนาของเซลล์และความจำเพาะต่อเนื้อเยื่อของยีนและเอนไซม์

ในพืชใบเลี้ยงเดี่ยวการพัฒนาของโครงสร้าง Kranz แปรผันไปตามระยะการเจริญเติบโตของใบพืช โดยบริเวณที่แก่ที่สุดของใบซึ่งจะอยู่ตรงส่วนปลายของใบ (tip) จะมีการพัฒนาโครงสร้างแบบ Kranz แล้วอย่างสมบูรณ์ ในขณะที่บริเวณส่วนที่อ่อนกว่าของใบซึ่งอยู่ใกล้กับส่วนฐาน (base) จะยังไม่มีการพัฒนาโครงสร้าง Kranz หรือกำลังอยู่ในช่วงของการพัฒนาโดยระดับของการพัฒนาจะลดหลั่นกันไปตามระยะการพัฒนาของใบ ในขณะที่พืชใบเลี้ยงคู่พบว่าการพัฒนาโครงสร้างแบบ Kranz ในใบไม่มีความแตกต่างกันมากนัก (Nelson and Langdale, 1992; Berry et al., 1997; Dengler and Nelson, 1999; Patel and Berry, 2008)

 การพัฒนาประสิทธิภาพของการสังเคราะห์แสงแบบ C4 ของทั้งพืชใบเลี้ยงเดี่ยวและใบเลี้ยงคู่นั้นมีความสัมพันธ์สอดคล้องกับการพัฒนาของโครงสร้างแบบ Kranz ต้นกำเนิดของเซลล์ mesophyll (M) ในพืช C4 มีความคล้ายคลึงกับในเซลล์ chlorenchyma ของพืช C3 ในขณะที่เซลล์ bundle sheath (BS) มีการพัฒนามาจากทั้งเนื้อเยื่อ meristem และเซลล์ procambium (ขึ้นอยู่กับชนิดของพืช) ที่อยู่ใกล้กับบริเวณที่มีการพัฒนาระบบท่อลำเลียงของใบ (leaf vein) ระบบท่อลำเลียงของใบพัฒนามาจาก procambium ก่อนการเกิดของเซลล์ BS และเป็นบริเวณที่มีการพัฒนาของเซลล์ BS การผลิตของเอนไซม์ที่จำเพาะกับพืช C4 (เช่นเอนไซม์ PEPC ที่พบในเฉพาะเนื้อเยื่อ M) จะเริ่มมีการผลิตก็ต่อเมื่อมีการเริ่มพัฒนาเนื้อเยื่อชั้น BS และ M และเอนไซม์อื่น ๆ ในระบบพืช C4 ส่วนมากจะมีความสัมพันธ์กับความสมบูรณ์ของการพัฒนาเซลล์ที่ใช้ในกระบวนการสังเคราะห์แสง

 บางกรณีการพัฒนาของใบพืชกลุ่ม C4 สัมพันธ์กับการแสดงออกของยีน RubisCO การผลิตและการเคลื่อนย้ายของเอนไซม์ RubisCO สู่เซลล์ BS จะมีขึ้นเมื่อมีการพัฒนาโครงสร้าง Kranz อย่างสมบูรณ์แล้ว Patel and Berry (2008) พบว่าในตอนเริ่มต้นของการพัฒนาในขณะที่พืช C4 ใบเลี้ยงเดี่ยว (ข้าวโพด) และพืช C4 ใบเลี้ยงคู่ (amaranth) ยังมีรูปแบบของเซลล์คล้ายกับ C3 (C3-like) เอนไซม์ RubisCO สามารถตรวจพบได้ทั้งในเซลล์ BS และเซลล์ M หลังจากนั้นในการพัฒนาขั้นต่อมาจะเป็นการพัฒนาของการเกิดเป็นลักษณะ C4 (C4-type) ซึ่งในตอนนี้จะสามารถตรวจพบเอนไซม์ RubisCO ได้ในเซลล์ BS เท่านั้น ซึ่งเหตุการณ์จะเกิดขึ้นสัมพันธ์กับขั้นตอนการพัฒนาของโครงสร้างของใบอย่างจำเพาะ และสามารถใช้เป็นการอ้างอิงถึงการเปลี่ยนจากสถานะ C3ไปเป็น C4 ในแง่ของการแสดงออกของยีน RubisCO เมื่อทดสอบข้าวโพดในสภาพไร้แสง สามารถพบเอนไซม์ RubisCO ได้ทั้งในเซลล์ BS และเซลล์ M แต่จะพบอย่างจำเพาะในเซลล์ BS เมื่อพืชได้รับแสง ส่วนในพืชใบเลี้ยงคู่ amaranth ความจำเพาะของเอนไซม์ RubisCO ต่อเซลล์ BS ไม่ได้ขึ้นอยู่กับแสงแต่กลับมีความสัมพันธ์กับการส่งถ่ายคาร์บอนจากแหล่งกำเนิดซึ่งเป็นกระบวนการพัฒนาที่พืชใบเลี้ยงคู่เปลี่ยนคาร์บอนที่รับเข้ามาสุทธิเป็นคาร์บอนที่ส่งออกด้วยขบวนการตรึงคาร์บอนด้วยแสง ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามีตัวควบคุมกลไกที่แตกต่างกันออกไปที่มาควบคุมการแสดงออกของยีน RubisCO ที่ทำงานจำเพาะกับเซลล์ในระหว่างพืชกลุ่ม C4 ใบเลี้ยงเดี่ยวและใบเลี้ยงคู่ แต่อย่างไรก็ตาม ก็ยังมีความเป็นไปได้ว่าอาจจะมีกลไกเดียวกันที่ควบคุมการเปลี่ยนสถานะจาก C3 ไปเป็น C4 ในพืชทั้งสองชนิดนี้ การเปลี่ยนแปลงของสถานะของเซลล์จากเซลล์แหล่งรับ (sink) เป็นเซลล์แหล่งผลิต (source) ใน amaranth หรือการเริ่มของกระบวนการสังเคราะห์แสงภายใต้สภาพมีแสงในข้าวโพด สามารถส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของตัวส่งสัญญาณที่คล้ายคลึงกัน ซึ่งอาจส่งผลทั้งทางตรงหรือทางอ้อมต่อรูปแบบของการแสดงออกของยีน rbcL และRbcS ซึ่งเป็นยีนที่ผลิตองค์ประกอบของเอนไซม์ RubisCO ในใบของพืชกลุ่ม C4 เพื่อสนับสนุนสมมุติฐานนี้ ได้มีการศึกษาพบว่าในพืชหลายชนิดการแสดงออกของยีน RibisCO ถูกควบคุมด้วยกระบวนการในการสังเคราะห์แสง (Patel and Berry, 2008)

 

2.4.2.1. วิถีทางชีวเคมีของ C4 กับ Kranz Anatomy

วิถีทางชีวเคมีแบบ C4 (C4 pathway) ถูกค้นพบครั้งแรกเมื่อปี ค.ศ. 1966 โดย Dr.Marshall Davidson Hatch and C. R. Slack ในประเทศออสเตรเลีย ในช่วงนั้น pathway นี้จะถูกเรียกว่า Hatch-Slack pathway (Slack and Hatch, 1967) ปฏิกิริยาในขั้นตอนแรกของ pathway คือการเปลี่ยนสาร pyruvate ไปเป็นสาร phosphoenolpyruvate (PEP) โดยเอนไซม์ pyruvate orthophosphate dikinase (PPDK) ปฏิกิริยาในขั้นตอนนี้ต้องใช้ inorganic phosphate (Pi) และสารพลังงานสูง ATP รวมทั้ง pyruvate ในการผลิต PEP และจะได้ adenosine monophosphate (AMP) กับ pyrophosphate (PPi) เกิดขึ้นมาจากปฏิกิริยา ขั้นตอนต่อไปคือการตรึง CO2 เข้าสู่ PEP ด้วยเอนไซม์ PEP carboxylase (PEPC) ขั้นตอนทั้งสองเกิดขึ้นในเซลล์ mesophyll  (M) ทั้งนี้เอนไซม์ PEPC มีค่า Km สำหรับ CO2 ต่ำกว่า RuBisCO ดังนั้นจึงทำให้เกิดปฏิกิริยาได้ง่ายกว่า นอกจากนี้ O2 เป็นสารตั้งต้นที่เลวสำหรับหรับเอนไซม์นี้ ดังนั้นในภาวะที่มีความเข้มข้นของ CO2 ค่อนข้างต่ำ CO2 เกือบทั้งหมดจะถูกตรึงด้วยวิถีนี้ ผลผลิต (product) ที่ได้โดยมากแล้วจะถูกเปลี่ยนไปเป็นสาร malate ซึ่งเป็นสารชีวอินทรีย์พื้นฐาน และจะถูกขนส่งต่อไปยังเซลล์ bundle sheath (BS) ที่อยู่ล้อมรอบใกล้ชิดติดกับท่อลำเลียง (veins) จากนั้น malate จะถูกทำให้เกิดการ decarboxylate เพื่อให้ได้ผลผลิตคือ CO2 และpyruvate แล้วในที่สุด CO2 จะเข้าไปสู่วัฏจักรคัลวินและ pyruvate ก็จะถูกขนส่งกลับไปยังเซลล์ M ด้วยเหตุที่ทุก ๆ โมเลกุลของ CO2 จะต้องถูกตรึงสองครั้งด้วยกัน โดยถูกตรึงครั้งแรกโดยสารอินทรีย์ที่มีคาร์บอน 4 อะตอม และครั้งที่สองโดย RubisCO จึงทำให้ C4 pathway ใช้พลังงานมากกว่า C3 pathway ในขณะที่ C3 pathway ต้องการสารพลังงานสูง ATP จำนวน 18 โมเลกุลสำหรับการสังเคราะห์หนึ่งโมเลกุลของกลูโคส แต่ C4 pathway ต้องการถึง 30 โมเลกุลของสาร ATP แต่การใช้พลังงานที่มากกว่านี้ก็ถือได้ว่าคุ้มค่าเพราะเป็นการแลกกับการไม่ต้องสูญเสียคาร์บอนปริมาณหนึ่งที่ไปในการหายใจเชิงแสง (photorespiration)

 

2.4.2.2. กลุ่มย่อยของพืช C4 (C4 subgroups)

พืช C4 สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 กลุ่มย่อย คือ 1) ชนิด NADP-ME  2) ชนิด NAD-ME และ 3) ชนิด PEP-CK ตามความแตกต่างของเอนไซม์ที่ใช้ในขั้นตอนของการ decarboxylation ในเซลล์ BS (ภาพที่ 11) พืช C4 ในแต่ละชนิดของกลุ่มย่อยจะมีความแตกต่างกันของรูปร่างและการจัดเรียงตัวของคลอโรพลาสต์ในเซลล์ BS และยังมีความแตกต่างกันทางด้านชีวเคมีระหว่างเซลล์ M และเซลล์ BS รวมถึงวิธีการในการขนส่งเมแทบอไลต์ (metabolites) ระหว่างเซลล์ด้วย

ภาพที่ 11

 

NADP-ME Type: พืช C4 ตระกูลหญ้าที่อยู่ในกลุ่มนี้จะมีคลอโรพลาสต์ในเซลล์ BS จัดเรียงตัวในรูปแบบหนีห่างจากกลุ่มท่อลำเลียง (centrifugal position) และมีเยื่อหุ้มไธลาคอยด์ ( thylakoid membranes) ที่ไม่ค่อยปรากฎส่วนของชั้นกรานา (grana stack) คลอโรพลาสต์ที่อยู่ในเซลล์ M และเซลล์ BS จะมีบทบาทสำคัญใน C4 pathway สาร oxaloacetate (OAA) ที่สร้างโดยเอนไซม์ PEPC ในไซโตพลาสซึม จะถูกขนส่งมายังคลอโรพลาสต์ในเซลล์ M สาร OAA ส่วนมากจะถูกรีดิวซ์ (reduced) ให้เป็น malate (MA) โดยเอนไซม์ NADP-specific malate dehydrogenase (NADP-MDH) และส่วนที่เหลือจะถูกเปลี่ยนไปเป็นaspartate โดยเอนไซม์ aspartate aminotransferase ผลิตผลที่เป็นกรด (acids) เหล่านี้จะถูกขนส่งออกจากเซลล์ M ไปยังเซลล์ BS โดยผ่านทางรูพรุน plasmodesmata ซึ่งมีอยู่มากในบริเวณที่เซลล์ทั้งสองชนิดสัมผัสกัน สำหรับปฏิกิริยาในส่วนของคลอโรพลาสต์ในเซลล์ BS สาร malate จะถูก decarboxylated โดยเอนไซม์ NADP-malic enzyme (NADP-ME) เพื่อป้อน CO2 และ reduced-NADP เข้าสู่วัฏจักร PCR ส่วนผลผลิตที่ได้จากการ decarboxylation คือ pyruvate จะถูกส่งกลับไปยังคลอโรพลาสต์ในเซลล์ M ซึ่งจะถูก phosphorylate โดยเอนไซม์ pyruvate orthophosphate dikinase (PPDK) เพื่อสร้างเป็น PEP ซึ่งเป็นตัวรับคาร์บอน (inorganic carbon) ต่อไป การเกิด decarboxylation โดยเอนไซม์ NADP-ME นี้อาจจะเกิดขึ้นได้โดยผ่านaspartate ซึ่งจะถูกเปลี่ยนไปเป็น malate โดยเอนไซม์ aspartate aminotransferase และเอนไซม์ malate dehydrogenase ได้ด้วย

 

 

2.4.3. การควบคุมการแสดงออกของยีนและโปรตีนที่ต้องการใน Kranz Anatomy

1) Carbonic Anhydrase (CA)

2) Phosphoenolpoyruvate Carboxylase (PEPC)

3) PEPC Kinase

4) การควบคุมการแลกเปลี่ยน OAA กับ Malate ผ่านคลอโรพลาสต์ในเซลล์เมโซฟิลล์

5) Malate Dehydrogenase

6) C4-Acid Decarboxylases

7) การควบคุมการแสดงออกของ RuBisCO

- การควบคุมการแสดงออกของ SSU

- ยีนที่ถอดรหัส SSU ใบพืช C4 ใบเลี้ยงคู่

- การควบคุมของยีน rbcL ต่อการสร้างโปรตีน LSU (Regulation of rbcL Encoding LSU)

8) ยีนที่ควบคุมการสร้างโปรตีนใน Thylakoid Membranes

9) Pyruvate Orthophosphate Dikinase

10) Global Regulators of C4 Gene Expression

 

 

Share