Published September 15, 2016
| Version v1
Publication
Open
The Water to Solute Permeability Ratio Governs the Osmotic Volume Dynamics in Beetroot Vacuoles
Creators
- 1. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
- 2. University of Buenos Aires
- 3. TU Dresden
- 4. Instituto de Fisica de Liquidos y Sistemas Biologicos
Description
Plant cell vacuoles occupy up to 90% of the cell volume and, beyond their physiological function, are constantly subjected to water and solute exchange. The osmotic flow and vacuole volume dynamics relies on the vacuole membrane -the tonoplast- and its capacity to regulate its permeability to both water and solutes. The osmotic permeability coefficient (Pf ) is the parameter that better characterizes the water transport when submitted to an osmotic gradient. Usually, Pf determinations are made in vitro from the initial rate of volume change, when a fast (almost instantaneous) osmolality change occurs. When aquaporins are present, it is accepted that initial volume changes are only due to water movements. However, in living cells osmotic changes are not necessarily abrupt but gradually imposed. Under these conditions, water flux might not be the only relevant driving force shaping the vacuole volume response. In this study, we quantitatively investigated volume dynamics of isolated Beta vulgaris root vacuoles under progressively applied osmotic gradients at different pH, a condition that modifies the tonoplast Pf . We followed the vacuole volume changes while simultaneously determining the external osmolality time-courses and analyzing these data with mathematical modeling. Our findings indicate that vacuole volume changes, under progressively applied osmotic gradients, would not depend on the membrane elastic properties, nor on the non-osmotic volume of the vacuole, but on water and solute fluxes across the tonoplast. We found that the volume of the vacuole at the steady state is determined by the ratio of water to solute permeabilites (Pf /Ps ), which in turn is ruled by pH. The dependence of the permeability ratio on pH can be interpreted in terms of the degree of aquaporin inhibition and the consequently solute transport modulation. This is relevant in many plant organs such as root, leaves, cotyledons, or stems that perform extensive rhythmic growth movements, which very likely involve considerable cell volume changes within seconds to hours.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تشغل فجوات الخلايا النباتية ما يصل إلى 90 ٪ من حجم الخلية، وبعيداً عن وظيفتها الفسيولوجية، تخضع باستمرار للتبادل المائي والمذاب. يعتمد التدفق التناضحي وديناميكيات حجم الفجوة على غشاء الفجوة - اللدائن الطنّية - وقدرته على تنظيم نفاذية كل من الماء والمذيبات. معامل النفاذية التناضحية (Pf ) هو المتغير الذي يميز النقل المائي بشكل أفضل عند تقديمه إلى تدرج تناضحي. عادة، يتم تحديد Pf في المختبر من المعدل الأولي لتغير الحجم، عندما يحدث تغيير تناضحي سريع (فوري تقريبًا). عند وجود أكوابورينات، من المقبول أن تكون التغيرات الأولية في الحجم ناتجة فقط عن تحركات المياه. ومع ذلك، فإن التغيرات التناضحية في الخلايا الحية ليست بالضرورة مفاجئة ولكنها مفروضة تدريجياً. في ظل هذه الظروف، قد لا يكون تدفق المياه هو القوة الدافعة الوحيدة ذات الصلة التي تشكل استجابة حجم الفجوة. في هذه الدراسة، قمنا بالتحقيق كميًا في ديناميكيات حجم فجوات جذر بيتا الشائع المعزولة في ظل التدرجات الاسموزية المطبقة تدريجيًا عند درجة حموضة مختلفة، وهي حالة تعدل الجسيمات النغمية Pf . تابعنا تغيرات حجم الفجوة مع تحديد الدورات الزمنية الأسمولية الخارجية في وقت واحد وتحليل هذه البيانات باستخدام النمذجة الرياضية. تشير النتائج التي توصلنا إليها إلى أن تغيرات حجم الفجوة، في ظل التدرجات التناضحية المطبقة تدريجيًا، لن تعتمد على خصائص مرونة الغشاء، ولا على الحجم غير التناضحي للفجوة، ولكن على تدفقات الماء والمذاب عبر البلاستات اللونية. وجدنا أن حجم الفجوة في الحالة الثابتة يتحدد بنسبة الماء إلى النفاذية المذابة (Pf /Ps )، والتي بدورها تحكمها درجة الحموضة. يمكن تفسير اعتماد نسبة النفاذية على الأس الهيدروجيني من حيث درجة تثبيط الأكوابورين وبالتالي تعديل النقل المذاب. هذا مهم في العديد من الأعضاء النباتية مثل الجذر أو الأوراق أو الأنماط أو السيقان التي تؤدي حركات نمو إيقاعية واسعة، والتي من المحتمل جدًا أن تنطوي على تغييرات كبيرة في حجم الخلية في غضون ثوانٍ إلى ساعات.Translated Description (French)
Les vacuoles des cellules végétales occupent jusqu'à 90 % du volume cellulaire et, au-delà de leur fonction physiologique, sont constamment soumises à l'eau et à l'échange de solutés. La dynamique de l'écoulement osmotique et du volume vacuolaire repose sur la membrane vacuolaire - le tonoplaste - et sa capacité à réguler sa perméabilité à l'eau et aux solutés. Le coefficient de perméabilité osmotique (Pf ) est le paramètre qui caractérise le mieux le transport de l'eau lorsqu'il est soumis à un gradient osmotique. Habituellement, les déterminations de la Pf sont effectuées in vitro à partir du taux initial de changement de volume, lorsqu'un changement d'osmolalité rapide (presque instantané) se produit. Lorsque des aquaporines sont présentes, il est admis que les changements de volume initiaux ne sont dus qu'aux mouvements de l'eau. Cependant, dans les cellules vivantes, les changements osmotiques ne sont pas nécessairement brusques mais progressivement imposés. Dans ces conditions, le flux d'eau pourrait ne pas être la seule force motrice pertinente qui façonne la réponse du volume de la vacuole. Dans cette étude, nous avons étudié quantitativement la dynamique volumique de vacuoles isolées de racines de Beta vulgaris sous des gradients osmotiques appliqués progressivement à différents pH, une condition qui modifie le tonoplaste Pf . Nous avons suivi les changements de volume de la vacuole tout en déterminant simultanément les parcours temporels de l'osmolalité externe et en analysant ces données avec une modélisation mathématique. Nos résultats indiquent que les changements de volume de la vacuole, sous des gradients osmotiques appliqués progressivement, ne dépendraient pas des propriétés élastiques de la membrane, ni du volume non osmotique de la vacuole, mais de l'eau et des flux de soluté à travers le tonoplaste. Nous avons constaté que le volume de la vacuole à l'état d'équilibre est déterminé par le rapport de l'eau aux perméabilités du soluté (Pf /Ps ), qui à son tour est régi par le pH. La dépendance du rapport de perméabilité au pH peut être interprétée en fonction du degré d'inhibition de l'aquaporine et de la modulation du transport des solutés qui en résulte. Ceci est pertinent dans de nombreux organes végétaux tels que les racines, les feuilles, les cotylédons ou les tiges qui effectuent des mouvements de croissance rythmiques étendus, qui impliquent très probablement des changements considérables du volume cellulaire en quelques secondes à quelques heures.Translated Description (Spanish)
Las vacuolas de las células vegetales ocupan hasta el 90% del volumen celular y, más allá de su función fisiológica, están sometidas constantemente al intercambio de agua y soluto. La dinámica del flujo osmótico y del volumen de la vacuola se basa en la membrana de la vacuola -el tonoplasto- y en su capacidad para regular su permeabilidad tanto al agua como a los solutos. El coeficiente de permeabilidad osmótica (Pf ) es el parámetro que mejor caracteriza el transporte de agua cuando se somete a un gradiente osmótico. Por lo general, las determinaciones de Pf se realizan in vitro a partir de la tasa inicial de cambio de volumen, cuando se produce un cambio de osmolalidad rápido (casi instantáneo). Cuando las acuaporinas están presentes, se acepta que los cambios de volumen iniciales solo se deben a los movimientos del agua. Sin embargo, en las células vivas, los cambios osmóticos no son necesariamente abruptos, sino que se imponen gradualmente. En estas condiciones, el flujo de agua podría no ser la única fuerza impulsora relevante que da forma a la respuesta del volumen de la vacuola. En este estudio, investigamos cuantitativamente la dinámica del volumen de vacuolas aisladas de la raíz de Beta vulgaris bajo gradientes osmóticos aplicados progresivamente a diferentes pH, una condición que modifica el tonoplasto Pf . Seguimos los cambios de volumen de la vacuola y, al mismo tiempo, determinamos los cursos de tiempo de la osmolalidad externa y analizamos estos datos con modelos matemáticos. Nuestros hallazgos indican que los cambios en el volumen de la vacuola, bajo gradientes osmóticos aplicados progresivamente, no dependerían de las propiedades elásticas de la membrana, ni del volumen no osmótico de la vacuola, sino de los flujos de agua y soluto a través del tonoplasto. Encontramos que el volumen de la vacuola en el estado estacionario está determinado por la relación de agua a permeabilitos de soluto (Pf /Ps ), que a su vez está gobernada por el pH. La dependencia de la relación de permeabilidad del pH se puede interpretar en términos del grado de inhibición de la acuaporina y, en consecuencia, de la modulación del transporte de soluto. Esto es relevante en muchos órganos de las plantas, como la raíz, las hojas, los cotiledones o los tallos, que realizan extensos movimientos de crecimiento rítmico, que muy probablemente implican cambios considerables en el volumen celular en cuestión de segundos a horas.Files
pdf.pdf
Files
(1.8 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:1e3d89f740f4d0382a47f711dac3b34b
|
1.8 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تتحكم نسبة الماء إلى نفاذية المذاب في ديناميكيات الحجم التناضحي في فجوات الشمندر
- Translated title (French)
- Le rapport de perméabilité de l'eau à la solution régit la dynamique du volume osmotique dans les vacuoles de betterave
- Translated title (Spanish)
- La relación de permeabilidad de agua a soluto rige la dinámica del volumen osmótico en las vacuolas de remolacha
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2518914532
- DOI
- 10.3389/fpls.2016.01388
References
- https://openalex.org/W1480770792
- https://openalex.org/W1491406883
- https://openalex.org/W1608350188
- https://openalex.org/W1837706977
- https://openalex.org/W1865040713
- https://openalex.org/W1929102040
- https://openalex.org/W1929716158
- https://openalex.org/W1965601141
- https://openalex.org/W1966547841
- https://openalex.org/W1970198239
- https://openalex.org/W1971380520
- https://openalex.org/W1973961368
- https://openalex.org/W1976973111
- https://openalex.org/W1978263877
- https://openalex.org/W1984106742
- https://openalex.org/W1986258288
- https://openalex.org/W1986436335
- https://openalex.org/W1992488227
- https://openalex.org/W1994527243
- https://openalex.org/W2001738942
- https://openalex.org/W2005412677
- https://openalex.org/W2011352703
- https://openalex.org/W2019114596
- https://openalex.org/W2024754660
- https://openalex.org/W2025602417
- https://openalex.org/W2038188105
- https://openalex.org/W2042000969
- https://openalex.org/W2042058454
- https://openalex.org/W2052922251
- https://openalex.org/W2064714798
- https://openalex.org/W2069924461
- https://openalex.org/W2072733346
- https://openalex.org/W2073424445
- https://openalex.org/W2078746603
- https://openalex.org/W2079689733
- https://openalex.org/W2082443990
- https://openalex.org/W2084304818
- https://openalex.org/W2086546323
- https://openalex.org/W2087377088
- https://openalex.org/W2089463543
- https://openalex.org/W2090038143
- https://openalex.org/W2090082061
- https://openalex.org/W2092697513
- https://openalex.org/W2098210263
- https://openalex.org/W2107618142
- https://openalex.org/W2108073176
- https://openalex.org/W2109890797
- https://openalex.org/W2110005823
- https://openalex.org/W2116956355
- https://openalex.org/W2117541248
- https://openalex.org/W2118118892
- https://openalex.org/W2121899243
- https://openalex.org/W2122392218
- https://openalex.org/W2130655768
- https://openalex.org/W2131807162
- https://openalex.org/W2144639649
- https://openalex.org/W2146507446
- https://openalex.org/W2153853218
- https://openalex.org/W2164888074
- https://openalex.org/W2168092613
- https://openalex.org/W2188353616
- https://openalex.org/W2312563961
- https://openalex.org/W2423247310
- https://openalex.org/W3022378173
- https://openalex.org/W4230402074
- https://openalex.org/W4234346789
- https://openalex.org/W9379369