Informatie

Zoogdiergrootte en capillaire wanddikte


Hoe varieert de dikte van de capillaire wand met de grootte van het dier?


Achtergrond/context van de vraag:

Van het volgende komt figuur 1 het meest overeen met het feit dat kleinere zoogdieren over het algemeen:

A] dikkere capillaire wanden dan grotere zoogdieren.

B] een snellere stofwisseling dan grotere zoogdieren.

C] kleinere oppervlakte/volume verhoudingen dan grotere zoogdieren.

D] haarvaten met een meer variabel dwarsdoorsnede-oppervlak dan grotere zoogdieren


Mijn werk:

Van het volgende komt figuur 1 het meest overeen met het feit dat kleinere zoogdieren over het algemeen:

A] dikkere capillaire wanden dan grotere zoogdieren.

B] (juist antwoord) een snellere stofwisseling dan grotere zoogdieren. Dit is juist omdat een kleiner dier een grotere oppervlakte/volumeverhouding heeft en daarom sneller warmte uitstraalt/verliest, en dus voedsel sneller moet metaboliseren om hun temperatuur op peil te houden.

C] kleinere oppervlakte/volume verhoudingen dan grotere zoogdieren. Dit is fout omdat een kleiner object een groter oppervlak per volume heeft

D] haarvaten met een meer variabel dwarsdoorsnede-oppervlak dan grotere zoogdieren

mijn probleem: Ik probeer uit te zoeken waarom A en D fout zijn.

Ik kan op internet niets vinden over hoe de capillaire wanddikte (Antwoordkeuze A) of capillaire doorsneden (Antwoordkeuze D) varieert met de grootte van het dier.

Als ik een gok zou hebben op basis van de stimulus:

Voor antwoordkeuze A: Uit de grafiek weten we dat kleinere dieren een lagere partiële zuurstofdruk hebben (omdat ze aan de rechterkant liggen) en minder HB-verzadiging (omdat hun curven naar de bodem liggen). Als de capillaire wanden dikker waren, zou ik denken dat dit betekent dat de partiële zuurstofdruk GROTER zou zijn. D.w.z. als ik denk aan een echt dikwandige ballon, zou het moeilijker zijn om op te blazen en in volume te vergroten (en dus een hogere druk te hebben) dan een dunwandige ballon. Omdat ik echter weet dat C het juiste antwoord is, moeten A (en mijn redenering hierboven) beide fout zijn.

Voor antwoordkeuze D: Ik weet niet echt hoe variatie in doorsnede een effect zou hebben. Misschien door voor een knelpunt te zorgen en zo de druk op te voeren?


Het zoogdierhart

Het hart is een complexe spier die bloed door de drie delen van de bloedsomloop pompt: de kransslagader (vaten die het hart dienen), de longen (hart en longen) en systemische (systemen van het lichaam). De coronaire circulatie die inherent is aan het hart, haalt het bloed rechtstreeks uit de hoofdslagader (aorta) die uit het hart komt. Voor pulmonale en systemische circulatie moet het hart bloed naar respectievelijk de longen of de rest van het lichaam pompen. De kortere afstand om te pompen betekent dat de spierwand aan de rechterkant van het hart niet zo dik is als de linkerkant, die voldoende druk moet hebben om het bloed helemaal naar je grote teen te pompen.

De bloedsomloop van zoogdieren is verdeeld in drie circuits: het systemische circuit, het longcircuit en het coronaire circuit. Bloed wordt vanuit de aderen van het systemische circuit in de rechterboezem van het hart gepompt en vervolgens in de rechterkamer. Bloed komt dan in het longcircuit en wordt door de longen van zuurstof voorzien. Vanuit het longcircuit komt het bloed het hart weer binnen via het linker atrium. Vanuit de linker hartkamer komt het bloed weer in het systemische circuit via de aorta en wordt het naar de rest van het lichaam gedistribueerd. Het coronaire circuit, dat het hart van bloed voorziet, is niet weergegeven.


40.3 Hart en bloedvaten van zoogdieren

Aan het einde van dit gedeelte kunt u het volgende doen:

  • Beschrijf de structuur van het hart en leg uit hoe de hartspier verschilt van andere spieren
  • Beschrijf de hartcyclus
  • Leg de structuur uit van slagaders, aders en haarvaten, en hoe bloed door het lichaam stroomt

Het hart is een complexe spier die bloed door de drie delen van de bloedsomloop pompt: de kransslagader (vaten die het hart bedienen), de long (hart en longen) en de systemische (systemen van het lichaam), zoals weergegeven in figuur 40.10. De coronaire circulatie die inherent is aan het hart, haalt het bloed rechtstreeks uit de hoofdslagader (aorta) die uit het hart komt. Voor pulmonale en systemische circulatie moet het hart bloed naar respectievelijk de longen of de rest van het lichaam pompen. Bij gewervelde dieren bevinden de longen zich relatief dicht bij het hart in de borstholte. De kortere afstand om te pompen betekent dat de spierwand aan de rechterkant van het hart niet zo dik is als de linkerkant, die voldoende druk moet hebben om het bloed helemaal naar je grote teen te pompen.

Visuele verbinding

Welke van de volgende beweringen over de bloedsomloop is onjuist?

  1. Bloed in de longader is zuurstofarm.
  2. Bloed in de inferieure vena cava is zuurstofarm.
  3. Bloed in de longslagader is zuurstofarm.
  4. Bloed in de aorta is zuurstofrijk.

Structuur van het hart

De hartspier is asymmetrisch als gevolg van de afstand die het bloed moet afleggen in de pulmonale en systemische circuits. Aangezien de rechterkant van het hart bloed naar het longcircuit stuurt, is het kleiner dan de linkerkant, die bloed naar het hele lichaam in het systemische circuit moet sturen, zoals weergegeven in figuur 40.11. Bij mensen is het hart ongeveer zo groot als een gebalde vuist, het is verdeeld in vier kamers: twee atria en twee ventrikels. Er is een atrium en een ventrikel aan de rechterkant en een atrium en een ventrikel aan de linkerkant. De atria zijn de kamers die bloed ontvangen en de ventrikels zijn de kamers die bloed pompen. Het rechter atrium ontvangt zuurstofarm bloed van de superieure vena cava, die bloed afvoert uit de halsader die uit de hersenen komt en uit de aderen die uit de armen komen, evenals uit de onderste holle ader die bloed afvoert uit de aderen die komen van de lagere organen en de benen. Bovendien ontvangt het rechter atrium bloed uit de coronaire sinus die zuurstofarm bloed uit het hart zelf afvoert. Dit zuurstofarme bloed gaat vervolgens naar de rechter hartkamer via de atrioventriculaire klep of de tricuspidalisklep, een flap van bindweefsel die in slechts één richting opent om de terugstroom van bloed te voorkomen. De klep die de kamers aan de linkerkant van de hartklep scheidt, wordt de biscuspidalisklep of mitralisklep genoemd. Nadat het is gevuld, pompt het rechterventrikel het bloed door de longslagaders, waarbij de halvemaanvormige klep (of pulmonale klep) wordt omzeild naar de longen voor re-oxygenatie. Nadat het bloed door de longslagaders is gepasseerd, sluiten de rechter halvemaanvormige kleppen, waardoor wordt voorkomen dat het bloed terugstroomt naar de rechter hartkamer. De linkerboezem ontvangt dan het zuurstofrijke bloed uit de longen via de longaderen. Dit bloed gaat door de bicuspidalisklep of mitralisklep (de atrioventriculaire klep aan de linkerkant van het hart) naar de linker hartkamer waar het bloed door de aorta, de belangrijkste slagader van het lichaam, wordt weggepompt en zuurstofrijk bloed naar de organen en spieren van het lichaam. Zodra bloed uit de linker hartkamer en in de aorta is gepompt, sluit de aorta halvemaanvormige klep (of aortaklep) waardoor wordt voorkomen dat bloed terugstroomt in de linker hartkamer. Dit patroon van pompen wordt dubbele circulatie genoemd en wordt bij alle zoogdieren aangetroffen.

Visuele verbinding

Welke van de volgende uitspraken over het hart is onjuist?

  1. De mitralisklep scheidt de linker ventrikel van het linker atrium.
  2. Bloed gaat door de bicuspidalisklep naar het linker atrium.
  3. Zowel de aorta- als de longklep zijn halvemaanvormige kleppen.
  4. De mitralisklep is een atrioventriculaire klep.

Het hart bestaat uit drie lagen: het epicardium, het myocardium en het endocardium, geïllustreerd in figuur 40.11. De binnenwand van het hart heeft een voering die het endocardium wordt genoemd. Het myocard bestaat uit de hartspiercellen die de middelste laag en het grootste deel van de hartwand vormen. De buitenste laag van cellen wordt het epicardium genoemd, waarvan de tweede laag een vliezige gelaagde structuur is, het pericardium genaamd, die het hart omringt en beschermt. Het biedt voldoende ruimte voor krachtig pompen, maar houdt ook het hart op zijn plaats om wrijving tussen het hart en andere structuren.

Het hart heeft zijn eigen bloedvaten die de hartspier van bloed voorzien. De kransslagaders vertakken zich van de aorta en omringen het buitenoppervlak van het hart als een kroon. Ze divergeren in haarvaten waar de hartspier wordt voorzien van zuurstof voordat ze weer samenkomen in de kransaderen om het zuurstofarme bloed terug naar het rechter atrium te brengen waar het bloed opnieuw van zuurstof wordt voorzien via het longcircuit. De hartspier zal sterven zonder een constante toevoer van bloed. Atherosclerose is de verstopping van een slagader door de opeenhoping van vette plaques. Vanwege de grootte (smal) van de kransslagaders en hun functie in het dienen van het hart zelf, kan atherosclerose dodelijk zijn in deze slagaders. De vertraging van de bloedstroom en de daaropvolgende zuurstofgebrek als gevolg van atherosclerose veroorzaakt hevige pijn, bekend als angina, en volledige blokkering van de slagaders zal een myocardinfarct veroorzaken: de dood van hartspierweefsel, algemeen bekend als een hartaanval.

De hartcyclus

Het belangrijkste doel van het hart is om bloed door het lichaam te pompen, het doet dit in een zich herhalende reeks die de hartcyclus wordt genoemd. De hartcyclus is de coördinatie van het vullen en ledigen van het bloed van het hart door elektrische signalen die ervoor zorgen dat de hartspieren samentrekken en ontspannen. Het menselijk hart klopt meer dan 100.000 keer per dag. In elke hartcyclus trekt het hart samen (systole), waarbij het bloed naar buiten wordt geduwd en door het lichaam wordt gepompt. Dit wordt gevolgd door een ontspanningsfase (diastole), waarin het hart zich vult met bloed, zoals geïllustreerd in figuur 40.12. Tegelijkertijd trekken de atria samen, waardoor het bloed door de atrioventriculaire kleppen in de ventrikels wordt geforceerd. Het sluiten van de atrioventriculaire kleppen produceert een monosyllabisch "lup" -geluid. Na een korte vertraging trekken de ventrikels samen en stuwen tegelijkertijd het bloed door de halvemaanvormige kleppen in de aorta en de slagader die bloed naar de longen transporteert (via de longslagader). Het sluiten van de halvemaanvormige kleppen produceert een monosyllabisch "dup" -geluid.

Het pompen van het hart is een functie van de hartspiercellen, of cardiomyocyten, die de hartspier vormen. Cardiomyocyten, weergegeven in figuur 40.13, zijn kenmerkende spiercellen die gestreept zijn als skeletspieren, maar ritmisch en onwillekeurig pompen als gladde spieren. Ze zijn verbonden door geïntercaleerde schijven die exclusief zijn voor de hartspier. Ze zijn zelfstimulerend voor een bepaalde periode en geïsoleerde hartspiercellen zullen kloppen als ze de juiste balans van voedingsstoffen en elektrolyten krijgen.

Het autonome kloppen van hartspiercellen wordt gereguleerd door de interne pacemaker van het hart die elektrische signalen gebruikt om het kloppen van het hart te timen. De elektrische signalen en mechanische acties, geïllustreerd in figuur 40.14, zijn nauw met elkaar verweven. De interne pacemaker begint bij het sinoatriale (SA) knooppunt, dat zich nabij de wand van het rechter atrium bevindt. Elektrische ladingen pulseren spontaan vanuit de SA-knoop waardoor de twee atria gelijktijdig samentrekken. De puls bereikt een tweede knooppunt, het atrioventriculaire (AV) knooppunt genoemd, tussen het rechter atrium en het rechter ventrikel, waar het ongeveer 0,1 seconde pauzeert voordat het zich naar de wanden van de ventrikels verspreidt. Vanuit de AV-knoop komt de elektrische impuls de bundel van His binnen en vervolgens naar de linker en rechter bundeltakken die zich door het interventriculaire septum uitstrekken. Ten slotte geleiden de Purkinje-vezels de impuls van de apex van het hart naar het ventriculaire myocardium, waarna de ventrikels samentrekken. Door deze pauze kunnen de boezems zich volledig in de ventrikels ledigen voordat de ventrikels het bloed wegpompen. De elektrische impulsen in het hart produceren elektrische stromen die door het lichaam stromen en met elektroden op de huid kunnen worden gemeten. Deze informatie kan worden waargenomen als een elektrocardiogram (ECG) — een registratie van de elektrische impulsen van de hartspier.

Link naar leren

Bezoek deze site om de "pacemaker" van het hart in actie te zien.

Slagaders, aders en haarvaten

Het bloed uit het hart wordt door het lichaam vervoerd door een complex netwerk van bloedvaten (Figuur 40.15). Slagaders voeren het bloed van het hart af. De hoofdslagader is de aorta die zich vertakt in grote slagaders die bloed naar verschillende ledematen en organen brengen. Deze belangrijke slagaders omvatten de halsslagader die bloed naar de hersenen voert, de brachiale slagaders die het bloed naar de armen voeren, en de thoracale slagader die het bloed naar de thorax en vervolgens in de lever-, nier- en maagslagaders voor de lever, nieren en , en maag, respectievelijk. De iliacale slagader voert bloed naar de onderste ledematen. De grote slagaders divergeren in kleine slagaders, en vervolgens kleinere vaten, arteriolen genaamd, om dieper in de spieren en organen van het lichaam te reiken.

Arteriolen divergeren in capillaire bedden. Capillaire bedden bevatten een groot aantal (10 tot 100) haarvaten die zich vertakken tussen de cellen en weefsels van het lichaam. Haarvaten zijn buisjes met een smalle diameter waar rode bloedcellen in één bestand doorheen passen en zijn de plaatsen voor de uitwisseling van voedingsstoffen, afval en zuurstof met weefsels op cellulair niveau. Vloeistof stroomt ook vanuit de haarvaten de interstitiële ruimte binnen. De haarvaten komen weer samen in venulen die aansluiten op kleine aderen die uiteindelijk aansluiten op grote aderen die bloed met een hoog kooldioxidegehalte terug naar het hart voeren. Aders zijn bloedvaten die het bloed terug naar het hart brengen. De grote aderen voeren het bloed af uit dezelfde organen en ledematen die de grote slagaders leveren. Ook wordt vocht via het lymfestelsel terug naar het hart gebracht.

De structuur van de verschillende soorten bloedvaten weerspiegelt hun functie of lagen. Er zijn drie verschillende lagen, of tunieken, die de wanden van bloedvaten vormen (figuur 40.16). De eerste tuniek is een gladde, binnenbekleding van endotheelcellen die in contact staan ​​met de rode bloedcellen. De endotheliale tuniek loopt door met het endocardium van het hart. In haarvaten is deze enkele laag cellen de locatie van diffusie van zuurstof en koolstofdioxide tussen de endotheelcellen en rode bloedcellen, evenals de uitwisselingsplaats via endocytose en exocytose. De beweging van materialen op de plaats van haarvaten wordt gereguleerd door vasoconstrictie, vernauwing van de bloedvaten en vasodilatatie, verwijding van de bloedvaten. Dit is belangrijk bij de algemene regulering van de bloeddruk.

Aders en slagaders hebben beide nog twee tunieken die het endotheel omringen: de middelste tuniek bestaat uit gladde spieren en de buitenste laag is bindweefsel (collageen en elastische vezels). Het elastische bindweefsel rekt en ondersteunt de bloedvaten, en de gladde spierlaag helpt de bloedstroom te reguleren door de vaatweerstand te veranderen door vasoconstrictie en vasodilatatie. De slagaders hebben dikkere gladde spieren en bindweefsel dan de aderen om de hogere druk en snelheid van vers gepompt bloed op te vangen. De aderen zijn dunner ommuurd omdat de druk en de stroomsnelheid veel lager zijn. Bovendien zijn aders structureel anders dan slagaders doordat aders kleppen hebben om de terugstroom van bloed te voorkomen. Omdat aderen tegen de zwaartekracht in moeten werken om bloed terug naar het hart te krijgen, helpt samentrekking van de skeletspier bij de bloedstroom terug naar het hart.


Waarom hebben slagaders dikkere wanden dan aders?

Slagaders hebben dikkere wanden dan aders omdat ze de enorme druk van een kloppend hart moeten kunnen weerstaan. Aders hebben dunnere wanden omdat ze meer ruimte nodig hebben om bloed vast te houden.

Slagaders hebben meer gladde spieren in hun wanden dan aders om de bloedpulsen op te vangen die worden gegenereerd door elke samentrekking van het hart. Alle slagaders bestaan ​​uit drie lagen: de tunica intima, de tunica media en de tunica adventitia.

De aderen bestaan ​​ook uit drie lagen die gladde spieren en bindweefsel bevatten zoals de slagaders, maar in kleinere hoeveelheden dan de slagaders. Het hart kan niet al het bloed in het lichaam tegelijk vasthouden, dus het bloed moet ergens worden opgeslagen. Dit extra bloed wordt opgeslagen in de aderen, die een grotere diameter hebben dan de slagaders.


Examinatoren rapporteren

Er waren veel nette en nauwkeurige diagrammen van de membraanstructuur die een verscheidenheid aan eiwitten lieten zien. Het was niet moeilijk om de drie punten te behalen. Perifere eiwitten moeten worden getoond op het oppervlak van de fosfolipide dubbellaag, niet erin ingebed.

Dit deel werd minder goed beantwoord, waarbij kandidaten er niet in slaagden de basispunten te maken over de gebeurtenissen die werden veroorzaakt door plantenweefsel in een hypertone oplossing te plaatsen. Sommige kandidaten begrepen de term &lsquotprobleem&rsquo verkeerd en spraken in plaats daarvan over het plaatsen van hele planten in een oplossing. Kandidaten moeten erop letten dat hypertoon een hogere concentratie aan opgeloste stoffen betekent, niet alleen een hoge concentratie. Verklaringen van osmose in termen van waterconcentratie moeten worden ontmoedigd, aangezien er geen eenheden zijn om dergelijke concentraties te meten. Terminologie over waterpotentieel wordt niet verwacht, aangezien deze geen deel uitmaakt van het nieuwe programma.

De antwoorden op deze vraag waren zeer uiteenlopend. De verwachte functies waren osmoregulatie en uitscheiding, dus de nadruk had moeten liggen op hoe de nefron het volume en de concentratie van urine kan variëren om het bloed weer op normale niveaus te brengen, en op hoe afvalproducten in de urine kunnen worden geconcentreerd om water te besparen. Sommige leraren gaven commentaar op G2-formulieren dat het onredelijk was om details van de structuur van geassocieerde bloedvaten te verwachten, maar het enige dat nodig was, was de structuur van de glomerulus. Bekwame kandidaten die zich zorgvuldig hadden voorbereid, konden hoog scoren, maar zwakkere kandidaten waren vaak erg verward.


Vervoer in Dieren

Elektrocardiogrammen worden gebruikt om de elektrische activiteit van het hart volgen door een aantal sensoren op de huid te bevestigen. Een deel van de opgewekte elektrische activiteit gaat door de weefsels naast het hart en vervolgens naar de huid, zodat de sensoren de elektrische opwinding van het hart kunnen opvangen en omzetten in een spoor.

(i)beschrijf, met behulp van diagrammen en foto's, de structuren en functies van slagaders, aders en haarvaten

De druk in het bloed neemt af als het zich van het hart verwijdert omdat het bloedvat takken naar binnen meer kleiner schepen wat betekent dat ze een hebben groter Kruis sectioneel Oppervlakte. Ook zijn er 8217s meer wrijving in de haarvaten daarom is er een lager druk.

Het is belangrijk dat de druk lager is tegen de tijd dat het bloed de haarvaten omdat zij zijn enkel en alleen een cel dik dus een hoog druk zou ervoor zorgen dat ze uitbarsting en word beschadigd. Ook een lage druk betekent een traag stromen tarief toelaten tijd voor aandelenbeurs. Bovendien hebben haarvaten niet veel elastisch weefsel.

De druk in de aderen is erg laag, zodat het bloed door de spier eromheen contracteren en pompen het bloed met de hulp van kleppen tot voorkomen terugstroom van bloed.

(j) leg de verschillen uit tussen bloed, weefselvocht en lymfe

(k) beschrijven hoe weefselvloeistof wordt gevormd uit plasma

  • Bij de arterieel uiteinde van een capillair, de hydrostatische druk is hoog, dus plasma verhuist van de haarvaten omdat de druk is hoger in de haarvaten dan buiten, in beweging langs de drukgradiënt.
  • In de haarvaten omdat de plasma-eiwitten zijn te groot om er doorheen te gaan, zij blijf in het plasma, Het maken van waterpotentiaal lager dan dat in het weefselvocht dus weefselvloeistof gaat terug naar de haarvaten aan de veneuze einde.

(l) beschrijf de rol van hemoglobine bij het transport van zuurstof en koolstofdioxide

(m) de betekenis van de dissociatiecurven van volwassen oxyhemoglobine bij verschillende kooldioxidegehalten beschrijven en uitleggen (het Bohr-effect)

Zuurstofdissociatiecurve:

  • De eerste zuurstof hecht zich niet gemakkelijk aan de haemgroepen, omdat het in de centrum van het hemoglobinemolecuul
  • De zuurstofconcentratie stijgt het maken makkelijker aan zuurstof om te associëren met de hemgroepen.
  • Een keer één zuurstofmolecuul bindt met een haemgroep, het veroorzaakt een conformatieverandering in de vorm van het hemoglobinemolecuul – dit maakt het makkelijker voor zuurstofmolecuul om de haemgroep te bereiken en ermee associëren
  • De volgende twee zuurstof moleculen gemakkelijk bevestigen naar de haem-groepen
  • De vierde zuurstofmolecuul vindt het moeilijk te associëren met de laatste haemgroep. Dit betekent dat 100% zuurstofverzadiging is moeilijk, zelfs bij hoge pO2 het vormen van een sigmoïde curve.

(n) de betekenis uitleggen van de verschillende affiniteiten van foetaal hemoglobine en volwassen hemoglobine voor zuurstof


Gasuitwisseling in de longen

De zuurstof die door de rode bloedcellen wordt vervoerd als oxyhemoglobine, dissocieert op dit punt van de hemoglobine en gaat door de capillaire wand naar de spiercellen waar het wordt 'opgenomen' door myoglobine, de spiercellen die equivalent zijn aan hemoglobine. De zuurstof kan nu worden gebruikt in de aerobe stofwisseling om de spier van energie te voorzien.

Het afvalproduct dat tijdens het aerobe metabolisme wordt geproduceerd, is koolstofdioxide. Door de lagere concentratie koolstofdioxide in de haarvaten dan in het spierweefsel (vooral tijdens een hoge stofwisseling), is er een golf door de haarvatwand. Van hieruit gaat het bloed verder in de venulen en vervolgens in de aderen die het zuurstofarme en CO2-rijke bloed terugvoeren naar het hart en vervolgens naar de longen waar de CO2 wordt uitgeademd en meer zuurstof wordt opgenomen.


RESULTATEN

IRE1α-exons 20 en 21 zijn verwijderd in podocin-Cre IRE1α flox/flox-muizen

In de huidige studie werden muizen met loxP-plaatsen rond exons 20 en 21 van het IRE1α-gen gekruist met muizen die een Cre-recombinase tot expressie brengen onder de controle van de podocyt-specifieke podocine-promoter. Deze kweekstrategie zal naar verwachting exons 20 en 21 specifiek in podocyten verwijderen, wat resulteert in de expressie van een RNase-domein getrunceerde (ΔR) IRE1α-mutant (Iwawaki et al., 2009). In glomeruli werden PCR-primers ontworpen om een ​​predeletieproduct van 1025 basenparen van het IRE1α-loxP-allel en een postdeletieproduct van 189 basenparen te amplificeren dat naar verwachting zal verschijnen na Cre-afhankelijke excisie van IRE1α-loxP-exons 20 en 21 (aanvullende figuur). S1A). Muizen werden aanvankelijk gegenotypeerd door de IRE1α- en podocin-Cre-genen in staart-DNA te amplificeren. We bevestigden de aanwezigheid van verwachte IRE1α- en podocin-Cre-banden in IRE1α flox/floxCre-muizen (loxP-homozygote deletie) en IRE1α flox/+Cre-muizen (loxP-heterozygote deletie Aanvullende figuur S1B). Om een ​​functionele deletie in podocyten te bevestigen, hebben we PCR-amplificatie uitgevoerd met behulp van glomerulair genomisch DNA van IRE1α flox/+Cre en IRE1α flox/floxCre (LoxP-heterozygote en LoxP-homozygote deletie) muizen. Zowel loxP-heterozygote als -homozygote deletieglomeruli brachten een prominent deletieproduct van 189 basenparen tot expressie, dat veel intenser was bij homozygote muizen (supplementaire figuur S1C). Het niet-gesplitste loxP-allel (1025 basenparen) werd ook geamplificeerd in deze muizen omdat glomeruli endotheelcellen, mesangiale cellen en pariëtale epitheelcellen bevatten naast podocyten, en Cre-recombinase niet actief is in deze niet-podocytcellen. Het WT IRE1α-allel, dat iets groter is dan het natieve loxP-allel (1294 basenparen), werd geamplificeerd in heterozygote muizen (supplementaire figuur S1C).

Mannelijke muizen met podocyt-specifieke deletie van IRE1α ontwikkelen leeftijdsafhankelijke podocytbeschadiging

Om te bepalen of podocyt-specifieke IRE1α-gendeletie de gezondheid van podocyten verstoort, hebben we podocin-Cre IRE1α flox/flox mannelijke en vrouwelijke muizen (IRE1α flox/floxCre) gegenereerd. Het podocin-Cre-allel was afwezig in controles van nestgenoten (IRE1α flox/flox:+ WT). De maandelijkse urine-albumine/creatinine-verhouding werd afzonderlijk geanalyseerd bij mannelijke (M) en vrouwelijke (F) WT (+) en deletie (Cre) muizen, omdat basale albuminurie doorgaans groter is bij mannelijke muizen. We hebben geen significante verschillen waargenomen in beide geslachten tussen 1 en 4 maanden oud (Figuur 1, A en B). Op de leeftijd van 5 maanden ontwikkelden M Cre-muizen echter aanhoudende en verslechterende albuminurie in vergelijking met M + -muizen (Figuur 1A). Daarentegen bleef de albumine / creatinine-verhouding relatief laag bij vrouwelijke muizen op alle leeftijden, behalve een toename bij oudere vrouwelijke muizen (11-13 maanden), die onafhankelijk was van het genotype (Figuur 1B). Serumcreatinine in mannelijke muizen van 9 maanden oud was niet significant verschillend tussen M Cre (8,36 ± 0,35 M N = 5) en M + muizen (9,14 ± 0,43 μM N = 5), wat impliceert dat IRE1α-deletie de nierfunctie niet beïnvloedde.

FIGUUR 1: Podocyte IRE1α-deletie mannelijke muizen ontwikkelen albuminurie bij veroudering. Mannelijke (A) en vrouwelijke (B) F3-nestgenoten werden maandelijks gecontroleerd op albuminurie. Podocyt IRE1α-deletie bij mannelijke muizen (IRE1α flox/floxCre M Cre) veroorzaakte aanhoudende en verergerende albuminurie vanaf de leeftijd van 5 maanden in vergelijking met controle (IRE1α flox/flox+ M+). Mannelijke muizen: P = 4,72 × 10 –4 (M Cre vs. M + genotype) P = 2,20 × 10 –6 (leeftijd) P = 0,033 (genotype × leeftijdsinteractie). Er waren geen significante verschillen in albuminurie tussen vrouwelijke Cre (F Cre) en controle (F+) muizen. Aantal urinemonsters (N) wordt onder elke kolom aangegeven.

Mannelijke muizen met podocyt-specifieke deletie van IRE1α vertonen vergrote glomeruli, capillaire uitzetting en abnormale collageenafzetting

Glomerulaire morfologie en ultrastructuur, evenals expressie van podocytmarkers, werden onderzocht in M+- en M Cre-muizen van 9 maanden oud uit hetzelfde cohort dat werd gebruikt om leeftijdsafhankelijke albuminurie te bepalen. Op basis van lichtmicroscopie (perjoodzuur Schiff [PAS]-gekleurde niercoupes Figuur 2A) en low-power elektronenmicrofoto's (Figuur 3A), leken M Cre-glomeruli vergroot te zijn, met bijzonder grote glomerulaire capillairen, vergeleken met M + muizen. Deze visuele indruk werd bevestigd met behulp van een op beeldvorming gebaseerde benadering die aantoont dat het gemiddelde dwarsdoorsnede-oppervlak van M Cre-glomeruli groter was dan bij M + (Figuur 2, A en C). Deze vergroting kan worden verklaard door een bijna exacte proportionele stijging van het glomerulaire dwarsdoorsnede-oppervlak dat wordt ingenomen door glomerulaire capillaire lumina (Figuur 2, A en D). Daarentegen vertoonden prealbuminurische 4 tot 5 maanden oude M Cre-muizen geen bewijs van glomerulaire volume-expansie in vergelijking met M + -muizen, met PAS-gekleurde glomeruli (niet-gepubliceerde gegevens). Bij mannelijke muizen van 9 maanden oud gebruikten we ook de Jones-zilverkleuring om de collagene structuren in de GBM en mesangiale matrix te accentueren. Met behulp van een op beeldvorming gebaseerde benadering hebben we bevestigd dat 9-maanden oude M Cre-glomeruli overmatig collageen in de capillaire wanden en mesangium bevatten in vergelijking met M + -muizen (Figuur 2, B en E).

FIGUUR 2: Podocyte IRE1α-deletie veroorzaakt glomerulaire volume-expansie en opgezwollen capillaire lussen, evenals collageenafzetting, op een leeftijd van 9 maanden. (A) PAS-vlek. IRE1α flox/floxCre (M Cre) muizen hebben vergrote glomeruli, evenals vergrote glomerulaire capillaire lumina, vergeleken met controle (IRE1α flox/flox+ M+). (B) Er is een verhoogde capillaire wand en mesangiale collageenafzetting in M ​​Cre-muizen (Jones 'zilvervlek). (C) PAS-gekleurd glomerulaire gebied is verhoogd in M ​​Cre-muizen (*P = 3,1 × 10 −5). Gemiddelde van 48 M + glomeruli van drie muizen en 56 M Cre glomeruli van drie muizen. (D) Percentage van een bepaalde PAS-gekleurde glomerulus die wordt ingenomen door capillair lumen wordt uitgebreid in M ​​Cre-muizen (*P = 0,0066). Gemiddeld 48 M+ glomeruli van drie muizen en 55 M Cre glomeruli van drie muizen. (E) Zilvergekleurde glomeruli van M Cre-muizen hebben een hogere fractie glomerulair weefsel bezet door collageen dan M+-muizen (*P = 1,45 × 10 −5). Omdat de uitgebreide capillaire lumina in M ​​Cre-muizen deze analyse konden verwarren, werd het capillaire luminale gebied afgetrokken van het totale glomerulaire dwarsdoorsnedegebied, zodat het gebied van gekleurd weefsel vervolgens kon worden genormaliseerd naar het totale dwarsdoorsnedegebied van glomerulair weefsel. Beeldvorming en kwantificering omvatten 75 M + glomeruli van drie muizen en 74 M Cre-glomeruli van drie muizen.

FIGUUR 3: Podocyte IRE1α-deletie resulteert in ultrastructurele veranderingen in podocyten. (A-C) Representatieve elektronenmicrofoto's van 9 maanden oude IRE1α flox/flox+ (M+) en IRE1α flox/floxCre (M Cre) muizen. (A) Bij laag vermogen lijken glomerulaire haarvaten duidelijk verwijd in M ​​Cre-muizen (CL, capillair lumen). (B) Glomerulaire capillaire wanden van 2 M + en 2 M Cre-muizen onthullen verwijde en uitgewist podocytvoetprocessen in de M Cre-muizen (Ψ). (C) M+ en M Cre podocyte (P) cellichamen. M + muizen vertoonden bewijs van actieve autofagie, dat wil zeggen autofagosomen of autolysosomen (AL). Lysosomen (L) waren aanwezig in M ​​Cre en M+ muizen. M Cre-podocyten vertonen focale voetprocesverbreding (Ψ), occludens-juncties (*) en microvillous-transformatie van de plasmamembranen (pijlen). (D) Kwantificering van M Cre focale podocyte voetprocesverbreding (*P = 3,9 × 10 −7 ). Voetuitsteeksels werden gemeten in 63 stukken GBM van drie M Cre-muizen en 20 stukken GBM van twee M+-muizen.

M Cre-podocyten vertonen focale verbreding van het voetproces, microvilleuze transformatie en ectopische vorming van occludens-juncties

Nadat we histologische afwijkingen in M ​​Cre-muizen hadden geïdentificeerd, hebben we de glomerulaire ultrastructuur verder bestudeerd met behulp van elektronenmicroscopie. Zoals eerder opgemerkt, waren er in de 9-maanden oude M Cre-muizen duidelijke voorbeelden van capillaire dilatatie (Figuur 3A), hoewel we geen morfologische veranderingen in de structuur van de GBM zagen (Figuur 3, A-C). Podocyte voetprocessen werden focaal uitgewist, waarbij sommige regio's relatief normaal leken en andere ernstig werden uitgewist (Figuur 3, B en C). Kwantificering van het aantal voetprocessen per lengte-eenheid langs de GBM toonde aan dat er een significante toename was in de gemiddelde voetprocesbreedte (wat minder voetprocessen per lengte-eenheid van GBM oplevert) in M ​​Cre-muizen (Figuur 3D). Verder hebben we in M ​​Cre-muizen podocyt-microvillous-transformatie waargenomen, een kenmerk van podocytbeschadiging, wat niet duidelijk was in M ​​+ -muizen (Figuur 3C). Af en toe waren er occludens-juncties gevormd tussen sommige M Cre-podocyten-voetuitsteeksels, ter vervanging van spleetmembranen, in overeenstemming met dedifferentiatie van podocyten. We merkten vroege, volwassen en late endosomen op, evenals endolysosomale fusie, in zowel M + als M Cre-podocyten (Figuur 3C). Af en toe verzwelgen van fagofoor, rijpe autofagosomen en autolysosomen werden waargenomen in elektronenmicrofoto's van M+-podocyten, terwijl normale of typische autofagosomen afwezig waren in M ​​Cre-podocyten. In het bijzonder werden 11 normale autofagosomen (waaronder een ontluikende fagofoor en enkele autofagosomen die fuseren met lysosomen) geïdentificeerd in 10 M+ elektronenmicrofoto's van twee muizen. Slechts vijf misvormde autofagosomen werden geïdentificeerd in 20 M Cre-elektronenmicrofoto's van drie muizen, die allemaal ongebruikelijke lading of ongebruikelijk gevormde dubbele membranen bevatten. We hebben geen veranderingen in de ultrastructuur van podocytenorganellen geïdentificeerd, waaronder kernen, mitochondriën, ruwe ER en het Golgi-apparaat, tussen beide muisgenotypen (Figuur 3C).

IRE1α-deletie leidt tot relatieve podocytdepletie

Vervolgens onderzochten we of de albuminurie in 9-maanden oude M Cre-muizen geassocieerd was met verlies van podocyten. We voerden immunofluorescentiekleuring uit voor Wilms-tumor-1 (WT1 een eiwit dat specifiek tot expressie wordt gebracht in de kern van de podocyt) om het gemiddelde aantal podocyten per glomerulaire dwarsdoorsnede te controleren (Venkatareddy et al., 2014). Hoewel er geen significante verschillen waren in WT1-positieve kernen per glomerulus tussen M Cre- en M+-muizen van 9 maanden oud, waren de WT1-tellingen per eenheid glomerulaire oppervlakte significant lager in de M Cre-muizen, wat wijst op relatieve uitputting van de podocyten (Figuur 4, A , D en E). Om deze bevinding verder te ondersteunen, hebben we immunofluorescentiemicroscopie gebruikt om de glomerulaire expressie van synaptopodine en podocalyxine bij muizen uit hetzelfde cohort te vergelijken (Figuur 4, B en C). Synaptopodine is een podocyt-specifiek eiwit en de uitputting ervan wordt gezien als een marker van podocytbeschadiging, terwijl podocalyxine, dat tot expressie wordt gebracht in podocyten en glomerulaire endotheelcellen, deelneemt aan een aantal belangrijke functies in podocyten (Greka en Mundel, 2012). M Cre glomeruli, die significant vergroot waren (Figuur 4, F en H, en zoals aangetoond in Figuur 2), kleurden positief voor zowel synaptopodin als podocalyxine (Figuur 4, B en C). Synaptopodin fluorescentie genormaliseerd per eenheid van glomerulaire dwarsdoorsnede was significant lager in M ​​Cre-muizen (Figuur 4G). Podocalyxine-fluorescentie per eenheid van glomerulaire gebied had de neiging om te worden verminderd in M ​​Cre-muizen, maar het verschil bereikte geen statistische significantie (Figuur 4I), misschien vanwege de glomerulaire endotheliale component, waarvan niet zou worden verwacht dat deze zal veranderen.

FIGUUR 4: Podocyte IRE1α-deletie resulteert in een reductie van WT1 en synaptopodin. (A–C) Niercoupes van 9-maanden oude muizen werden gekleurd met antilichamen tegen WT1 (A), synaptopodin (B) en podocalyxine (C). Kleuring met niet-immuun IgG wordt ook gepresenteerd (negatieve controles). Schaalbalken, 50 m. (D, E) Het aantal WT1-positieve kernen per glomerulus (bepaald door colokalisatie met Hoechst nucleaire kleuring niet getoond) werd bepaald door visuele telling. WT1-tellingen per glomerulus waren vergelijkbaar, maar uitgedrukt per 1000 µm 2 glomerulair gebied, waren WT1-tellingen significant lager in M ​​Cre-muizen (*P = 4,6 × 10 −5) 32 M + glomeruli van drie muizen en 48 M Cre-glomeruli van drie muizen. (F) Synaptopodin-gekleurde glomeruli werden vergroot in M ​​Cre-muizen (*P = 0,024). (G) Kwantificering van synaptopodin-immunofluorescentie per eenheid glomerulaire oppervlakte toonde aan dat de intensiteit lager was in M ​​Cre-muizen (*P = 0,046). Voor F en G, 74 M + glomeruli van drie muizen en 69 M Cre glomeruli van drie muizen. (H) Met podocalyxine gekleurde glomeruli werden vergroot in M ​​Cre-muizen (*P = 0,0013). (I) Podocalyxine-fluorescentie per glomerulus en fluorescentie per eenheid glomerulaire oppervlakte waren vergelijkbaar in beide groepen. Voor H en I, 58 M + glomeruli van drie muizen en 54 M Cre glomeruli van drie muizen.

M Cre-podocyten hebben een tekort aan autofagie

IRE1α is een mediator van de UPR en is ook in verband gebracht met autofagie. Om te bepalen of podocyt-specifieke deletie van IRE1α UPR en autofagie beïnvloedt, isoleerden we glomeruli van prealbuminurische mannelijke muizen (4-5 maanden oud) en beoordeelden we UPR- en autofagiemarkers door middel van immunoblotting. M Cre-muisglomeruli vertoonden verhoogde niveaus van de ER-chaperones Grp78 en Grp94, wat duidt op activering van de ATF6 UPR-route (Figuur 5, A, C en D). Daarentegen waren fosforylering van eukaryote translatie-initiatiefactor 2α (eIF2α) op Ser-51 en de niveaus van C / EBP homoloog eiwit (CHOP) behoorlijk variabel bij muizen, maar de gemiddelde waarden waren vergelijkbaar tussen de M + en M Cre-groepen, wat suggereert dat de PERK-route niet werd geactiveerd in M ​​Cre-glomeruli (supplementaire figuur S2A). Bovendien vertoonden M Cre-glomeruli verhoogde wereldwijde ubiquitinatie van eiwitten, consistent met accumulatie van verkeerd gevouwen eiwitten (Figuur 5, B en H). In M Cre glomeruli was er bewijs van een gebrekkige autofagie, zoals bepaald door een lagere LC3B-II/I-verhouding (Figuur 5, A en E), en een verminderde absolute hoeveelheid LC3B-II, dat wil zeggen, LC3B-II genormaliseerd naar actine (Figuur 5F). Verlaagde LC3B-II/I-verhouding of hoeveelheid LC3B-II in de M Cre-glomeruli vergeleken met M+-muizen impliceert een gebrekkige autofagische vacuoleflux. Ten slotte hebben we, in tegenstelling tot oudere muizen (zie latere discussie), geen verminderde glomerulaire JNK1- (46 kDa) fosforylering waargenomen in de prealbuminurische M Cre-muizen, misschien waren veranderingen in JNK1-fosforylering onder de detecteerbaarheid (Figuur 5, A en G). Fosforylering van JNK2 (54 kDa) werd slecht gedetecteerd in glomerulaire lysaten (niet-gepubliceerde gegevens).

FIGUUR 5: Podocyte IRE1α-deletie induceert ER-stress en veroorzaakt een deficiënte autofagosoomomzet in 4- tot 5-maanden oude prealbuminurische muizen. (A, B) Glomerulaire lysaten werden onderworpen aan immunoblotting met antilichamen zoals aangegeven. Representatieve immunoblots van vier IRE1α flox/flox+ (M+) en vier IRE1α flox/floxCre (M Cre) muizen verkregen uit een cohort van prealbuminurische mannelijke muizen. (C, D) Densitometrische kwantificering. M Cre-muizen vertonen verhoogde expressie van Grp78 (*P = 0,033) en Grp94 (*P = 0,0017). Er werd geen verandering in calnexine opgemerkt (B). (B, H) M Cre-muizen vertonen verhoogde globale polyubiquitinated eiwitten (*P = 0,0015). (A, E, F) M Cre-muizen vertonen verminderde LC3B-II, genormaliseerd naar LC3B-I (*P = 0,023) of actine (*P = 0,043 vijf tot zeven muizen per groep) M Cre-muizen vertonen een verminderde LC3B-II/I-verhouding (*P = 0,002). Er waren geen verschillen in totaal LC3B-I of fosfo-JNK1 (pJNK1) tussen groepen (F, G).

De voorgaande parameters werden ook bestudeerd in glomerulaire lysaten van albuminurische 9-mo-oude M Cre- en M+-muizen (Figuur 6A). De hoeveelheid autofagosomen was significant lager in M ​​Cre-glomeruli, zoals bepaald door zowel verminderde LC3B-II / I-verhouding als verminderde LC3B-II (LC3B-II / actine-verhouding Figuur 6, A-C).Bovendien was JNK1-fosforylering significant lager in M ​​Cre-glomeruli, consistent met deficiënte beclin-1-geassocieerde autofagische inductie (Figuur 6, A en D). Grp78 en Grp94, evenals fosfo-eIF2α en CHOP, verschilden niet tussen M Cre en M + muizen, wat aangeeft dat noch ER-stress noch de UPR substantieel werd geïnduceerd in 9-jarige M Cre-glomeruli ondanks verminderde autofagie ( Figuur 6, A, E en F, en aanvullend figuur S2B). We hebben ook polyubiquitinated eiwitten beoordeeld in glomerulaire lysaten van beide muizengenotypes, maar in tegenstelling tot onze bevindingen bij prealbuminurische mannelijke muizen, was er geen verschil tussen M Cre en M + muizen (niet-gepubliceerde gegevens). Expressieniveaus van autofagiemediatoren, waaronder beclin-1, Atg5 en Atg3, waren niet significant verschillend tussen M Cre- en M + -muizen van 9 maanden oud, wat impliceert dat autofagische activiteit posttranslationeel en niet transcriptioneel werd gereguleerd in M ​​Cre-muisglomeruli (aanvullend Figuur S2B).

FIGUUR 6: Muizen met podocyt IRE1α-deletie hebben een tekort aan autofagie, maar vertonen geen ER-stress op een leeftijd van 9 maanden. (A) Glomerulaire lysaten werden onderworpen aan immunoblotting met antilichamen zoals aangegeven. Representatieve immunoblots van 5 IRE1α flox/flox+ (M+) en 5 IRE1α flox/floxCre (M Cre) muizen. (B–D) Densitometrische kwantificering. M Cre-muizen vertonen verminderde LC3B-II, genormaliseerd naar LC3B-I (*P = 0,013) of actine (*P < 0,0001), en verminderde JNK1-fosforylering (*P = 0,048). (E-I) Er werden geen significante verschillen tussen M Cre en M + muizen waargenomen in Grp78, Grp94, podocalyxine, nefrine-rijping (bovenste / onderste band) of volwassen nefrine-expressie (bovenste band).

Nephrin is een belangrijk podocyt-resident eiwit dat posttranslationele modificatie in het ER ondergaat. Het wordt uitgedrukt als een volledig geglycosyleerde rijpe vorm (∼180 kDa), evenals een onrijpe, ER-luminale vorm (∼170 kDa Figuur 6A). Er waren geen significante verschillen tussen M+- en M Cre-muizen in de verhouding van volwassen tot onrijpe nefrine (Figuur 6H) of de totale hoeveelheid volwassen nefrine, dat wil zeggen, nefrine genormaliseerd tot actine (Figuur 6I). Ter vergelijking, de expressie van podocalyxine (uitgedrukt in podocyten en glomerulaire endotheelcellen) was ook niet verschillend tussen M Cre en M+ muizen (Figuur 6, A en G).

M Cre-muizen zijn vatbaarder voor letsel bij acute anti-GBM-nefritis

Hoewel deletie van IRE1α niet leidde tot de ontwikkeling van openlijke albuminurie bij muizen tot 4-5 maanden oud, veronderstelden we dat deletie van IRE1α bij deze muizen hen niettemin vatbaar zou maken voor podocytbeschadiging. Om deze hypothese te testen, induceerden we acute anti-GBM-nefritis in prealbuminurie, 5 maanden oude M Cre- en M+-muizen, met behulp van een enkele intraveneuze injectie van anti-GBM-antilichaam. We selecteerden een lage dosis antilichaam om de mogelijke bijdrage van IRE1α aan de integriteit van podocyten te kunnen ontmaskeren. Na 24 uur had anti-GBM-antilichaam de neiging om een ​​bescheiden toename van de albumine/creatinine-verhouding in de M+-controlemuizen te induceren. Daarentegen vertoonden M Cre-muizen een significant grotere albumine/creatinine-verhouding, vergeleken met zowel met anti-GBM geïnjecteerde M+-muizen als met controle-M Cre-muizen (Figuur 7, A en B). Anti-GBM-antilichaam en complement C3 waren aanwezig in glomeruli van zowel M Cre- als M+-muizen (Figuur 7, C-F). Er was iets grotere anti-GBM-antilichaam-immunofluorescentiekleuring in M ​​Cre-muizen, maar geen verschil in C3-afzetting. Aangezien M Cre- en M+-muizen parallel werden geïnjecteerd met dezelfde dosis anti-GBM-antilichaam, kan deze schijnbaar grotere antilichaamlokalisatie in M ​​Cre-muizen verband houden met kleine veranderingen in de collageensamenstelling, wat al werd opgemerkt bij oudere M Cre-muizen (Figuur 2). Omdat de glomerulaire afzetting van C3 hetzelfde was in M ​​Cre en M+ muizen, was de overdreven toename van albuminurie bij de M Cre muizen hoogstwaarschijnlijk te wijten aan de podocyt IRE1α deletie. De afzetting van C3 in het kapsel van Bowman is niet gerelateerd aan injectie met anti-GBM-antilichamen, omdat bekend is dat C3 aanwezig is in het kapsel van Bowman bij gezonde muizen (Ruseva et al., 2014).

AFBEELDING 7: Podocyte IRE1α-deletie verhoogt de gevoeligheid voor acute anti-GBM-nefritis. (A) Mannelijke muizen van 5 maanden oud werden geïnjecteerd met 5 l schapen-anti-GBM-antilichaam (αGBM). Urine werd verzameld voor injectie en na 24 uur. Nieren werden na 24 uur geoogst. Bij muizen die anti-GBM-antilichaam kregen, was er significant meer albuminurie in de IRE1α flox/floxCre (M Cre)-groep dan in controles (IRE1α flox/flox+ M+). Albuminurie bij anti-GBM M Cre-muizen was ook significant groter dan de pre-injectie (baseline) waarde (*P = 0,005, ANOVA N, aantal dieren). (B) De netto verandering in albumine/creatinine verhouding berekend per individuele muis voor 10 anti-GBM geïnjecteerde M Cre muizen en 6 geïnjecteerde M+ muizen was significant groter in M ​​Cre muizen (*P = 0,049). (C-F) Anti-GBM-antilichaam en C3-afzetting in muisglomeruli werden bevestigd door immunofluorescentiemicroscopie. Kwantificering van de anti-GBM-fluorescentie-intensiteit van schapen toonde een lichte toename in M ​​Cre-muizen (*P = 4,27 × 10 −7 83 glomeruli van zes GBM-geïnjecteerde M+-muizen en 110 glomeruli van zeven GBM-geïnjecteerde M Cre-muizen). Er waren geen significante verschillen in C3-depositie. C3-fluorescentie-intensiteit werd gemeten in 80 glomeruli van zes M+-muizen en 98 glomeruli van zeven M Cre-muizen. Schaalbalken, 50 m.

Door elektronenmicroscopie vertoonden controle M Cre-muizen en met anti-GBM-antilichaam geïnjecteerde M+-muizen overwegend normale voetprocessen van podocyten, met af en toe een focale uitwissing. Daarentegen was focale uitwissing overvloediger in met anti-GBM geïnjecteerde M Cre-muizen in vergelijking met geïnjecteerde M+-muizen (Figuur 8, A en B). M Cre-muizen met anti-GBM-nefritis vertoonden ook andere ultrastructurele tekenen van podocytbeschadiging, zoals basolaterale plasmamembranen van podocyten die volledig waren gefuseerd met de GBM. Bij anti-GBM-nefritis vertoonden M Cre-muizen een bescheiden maar significant verlies van podocyten, terwijl er geen significant verlies van podocyten was bij M+-muizen (Figuur 8, C en D). Dus, bij anti-GBM-nefritis, verergerde podocyt-specifieke deletie van IRE1α albuminurie, evenals verlies van podocyten en ultrastructurele schade.

FIGUUR 8: Muizen met podocytdeletie van IRE1α en anti-GBM-nefritis vertonen verlies van podocyten en uitwissing van het voetproces. (A) Representatieve elektronenmicrofoto's die een milde verbreding van het voetproces laten zien in niet-geïnjecteerde IRE1α flox/floxCre (M Cre) en geïnjecteerde IRE1α flox/flox+ (M+) muizen en grotere verwijding in met anti-GBM-antilichaam geïnjecteerde M Cre-muizen (24 uur) . (B) kwantificering van afbeeldingen met verbreding/uitwissing van het voetproces (N, aantal dieren). (C) Representatieve WT1-immunofluorescentiebeelden van muizen met acute anti-GBM-nefritis (24 uur). Schaalbalk, 50 m. (D) Kwantificering van WT1-positieve cellen toont aan dat behandeling met anti-GBM-antilichamen in M ​​Cre-muizen resulteerde in een bescheiden maar significant verlies van podocyten (*P = 0,027 anti-GBM vs. controle in de M Cre-groepen). Bij M+-muizen was er geen significante afname in podocyten na anti-GBM-antilichaam.

IRE1α regelt de fysiologische vormingssnelheid van autofagosoom

De voorgaande onderzoeken bij muizen met podocyt-specifieke IRE1α RNase-domeindeletie toonden aan dat IRE1α bijdraagt ​​aan het behoud van de integriteit van de podocyten bij normale veroudering en glomerulonefritis. Bovendien leek IRE1α-deletie autofagie in podocyten te verstoren. Om het mechanisme aan te pakken waarmee IRE1α autofagie reguleert, hebben we verdere studies uitgevoerd in gekweekte cellen. Eerst brachten we FLAG-IRE1α WT en verschillende mutanten in COS-1-cellen tot overexpressie door transiënte transfectie en volgden we IRE1α RNase-activiteit met Xbp1-splitsing in de aanwezigheid van de ER-stressor tunicamycine, met behulp van reverse transcriptase (RT) -PCR. Expressie van IRE1α WT en de S724A-fosforylatieplaatsmutant verhoogde de Xbp1-splitsing boven die veroorzaakt door tunicamycine in controlecellen getransfecteerd met lege vector (supplementaire figuur S3). Expressie van de K599A- of ΔR-mutanten verminderde door tunicamycine geïnduceerde Xbp1-splitsing, wat aangeeft dat deze twee mutanten als dominant negatief werken. We hebben ook het effect van de IRE1α RNase-gerichte remmer 4μ8C getest. Tijdens 6 uur gelijktijdige behandeling met tunicamycine blokkeerde 4μ8C krachtig de Xbp1-splitsing (aanvullende figuur S3).

Om de rol van IRE1α bij het reguleren van autofagie te bevestigen, hebben we COS-1-cellen tijdelijk getransfecteerd met FLAG-IRE1α (WT, S724A, K599A of ΔR) of lege vector. We veranderden het kweekmedium na 22 uur om het resterende transfectiereagens te verwijderen en om aminozuren en voedingsstoffen aan te vullen om ervoor te zorgen dat experimentele verschillen niet werden veroorzaakt door door honger veroorzaakte autofagie. Vervolgens behandelden we cellen met chloroquine om de afbraak van autofagosomen te blokkeren en oppervlaktecomponenten (bijv. LC3B-II) en inhoud te laten accumuleren in het cytoplasma (Tanida et al., 2008 Ni et al., 2011). Expressie van FLAG-IRE1α WT en mutanten wordt weergegeven in figuur 9A. Densitometrische kwantificering toonde aan dat expressie van FLAG-IRE1α WT en K599A vergelijkbaar was, terwijl S724A- en ΔR-expressie 1,5 keer groter was dan WT (P < 0,0001 24 experimenten). De snelheid van autofagische vacuolevorming/accumulatie werd bepaald door de niveaus van LC3B-II te volgen, aangezien de LC3B-I-niveaus in alle cellen vergelijkbaar waren. Basale LC3B-II-accumulatie was bescheiden, zoals bepaald in cellen die waren getransfecteerd met lege vector, in afwezigheid van chloroquinebehandeling, terwijl chloroquine LC3B-II-accumulatie induceerde na 2 en 6 uur (Figuur 9, A en C). Overexpressie van IRE1α WT en S724A verhoogde enigszins de snelheid van door chloroquine geïnduceerde LC3B-II-accumulatie in vergelijking met met chloroquine behandelde vector-getransfecteerde cellen, maar dit was niet statistisch significant (Figuur 9, A en C). Omgekeerd verminderde overexpressie van beide dominant-negatieve mutanten IRE1α K599A en ΔR significant de chloroquine-geïnduceerde LC3B-II-accumulatiesnelheid na 2 en 6 uur in vergelijking met cellen die IRE1α WT tot overexpressie brengen (Figuur 9, A en C). Bovendien verminderde IRE1α ΔR-overexpressie de accumulatiesnelheid aanzienlijk in vergelijking met de lege vectortransfectie (behandeld met chloroquine), en K599A had de neiging dit ook te doen.

AFBEELDING 9: IRE1α vergemakkelijkt de fysiologische vorming van autofagische vacuolen. (A) COS-1-cellen die tijdelijk waren getransfecteerd met vector (V), FLAG-IRE1α WT of mutanten werden behandeld met of zonder chloroquine (CQ, 50 M). Niveaus van LC3B werden gemeten door immunoblotting na 2 of 6 uur. FLAG-IRE1α-expressie werd bevestigd met behulp van anti-FLAG-antilichaam. (C) Kwantificering van de snelheid van LC3B-II-accumulatie toont aan dat overexpressie van IRE1α K599A en ΔR de vorming van LC3B-II versus IRE1α WT aanzienlijk vermindert. IRE1α ΔR verlaagt ook significant de snelheid van LC3B-II-vorming versus controle (vector), terwijl IRE1α K599A de neiging heeft om de snelheid van vorming versus controle te verlagen (*P = 5,40 × 10 −7 [IRE1α] P = 1,09 × 10 −9 [CQ] P < 2,2 × 10 −16 [tijd] P = 0,0018 [IRE1α × tijdinteractie] p = 1,07 × 10 −4 [CQ × tijdinteractie] zeven experimenten). (B) COS-1-cellen getransfecteerd met vector (V), IRE1α WT of K599A werden behandeld met chloroquine (CQ, 50 M) plus vehikel (DMSO [D]) of MG132 (MG, 25 M). Overexpressie van IRE1α K599A verminderde de snelheid van LC3B-II-accumulatie onafhankelijk van behandeling met MG132. (D) Kwantificering van de snelheid van LC3B-II-accumulatie gedurende de behandelingsperiode van 6 uur met chloroquine toont aan dat overexpressie van IRE1α K599A de snelheid van LC3B-II-accumulatie significant verminderde versus controle (lege vector) en versus IRE1α WT. De verschillen waren significant na 2 uur en namen verder toe na 6 uur (*P = 0,0047 [IRE1α] P = 1,1 × 10 −14 [tijd]). Deze effecten waren onafhankelijk van MG132. Zes experimenten.

Er is gemeld dat remming van het proteasoom de accumulatie van autofagosomen kan versterken (Ding et al., 2007 Wang et al., 2013). In de volgende studie onderzochten we of proteasomale remming autofagie kan stimuleren tijdens hetzelfde experimentele tijdsverloop als degene die de betrokkenheid van IRE1α aan het licht bracht. Cellen die vector, FLAG-IRE1α WT of K599A tot expressie brengen, werden mede behandeld met chloroquine en ofwel vehikel (dimethylsulfoxide [DMSO]) of 25 μM MG132. De accumulatie van LC3B-II nam in alle groepen toe na 2 en 6 uur, maar de toename in LC3B-II was significant lager op beide tijdstippen in de IRE1α K599A-groep (Figuur 9, B en D). MG132 had de neiging om LC3B-II te verhogen na 2 en 6 uur in elk van de drie groepen, maar verschillen tussen met MG132 en vehiculum behandelde cellen waren niet statistisch significant (Figuur 9, B en D). We hebben ook afzonderlijke experimenten uitgevoerd om te verifiëren dat MG132 zelf de autofagosoomvormingssnelheid in COS-1-cellen niet kan moduleren. Na 6 uur incubatie kon noch 25 μM MG132-behandeling alleen, noch MG132-co-behandeling met chloroquine de autofagosoomvormingssnelheid versterken die verder gaat dan die veroorzaakt door chloroquine alleen (niet-gepubliceerde gegevens).

IRE1α bepaalt het volume in plaats van het aantal autofagosomen

Om ons onderzoek naar de effecten van IRE1α op LC3-II-niveaus uit te breiden, hebben we de vorming van LC3B-II-positieve autofagosomen (autofagische "puncta") in COS-1-cellen bestudeerd door mCherry-verbeterd groen fluorescerend eiwit (eGFP) -LC3B-fluorescentie te volgen (N'Diaye) et al., 2009 Mizushima et al., 2010). mCherry-eGFP-LC3B-I wordt diffuus uitgedrukt in het cytoplasma, maar na inductie van autofagie bindt mCherry-eGFP-LC3B-II zich aan het oppervlak van de autofagosomen, waardoor heldere puncta worden verkregen die dubbel mCherry en eGFP fluorescerend zijn. eGFP wordt geblust in de zure lysosomen, terwijl mCherry zuurstabiel is, daarom zijn eGFP-mCherry-positieve puncta autofagosomen of autolysosomen die zijn ontzuurd door chloroquine, terwijl mCherry-positieve puncta actieve lysosomen of autolysosomen zijn.

COS-1-cellen gekweekt op met collageen gecoate dekglaasjes werden gecotransfecteerd met FLAG-IRE1α (WT, S724A, K599A of ΔR) of lege vector, samen met mCherry-eGFP-LC3B (Figuur 10, A-C). Cellen waren ofwel onbehandeld of behandeld met chloroquine. Door alleen de eGFP-fluorescentie van puncta te kwantificeren die colokaliseerde met mCherry, konden we autofagische puncta monitoren onafhankelijk van lysosomen, autolysosomen, diffuse LC3B-I en groenkanaals autofluorescentie. Het Puncta-gebied nam toe in aanwezigheid van chloroquine in vector-, IRE1α WT- en S724A-getransfecteerde cellen. In vergelijking met deze groepen verminderden zowel de K599A- als ΔR-mutanten het celgebied dat wordt ingenomen door autofagische puncta (Figuur 10, A en B). Het toegenomen puncta-oppervlak werd grotendeels verklaard door een grotere puncta-grootte (Figuur 10C) en niet door het aantal puncta. Immunofluorescentie met FLAG-antilichaam onthulde FLAG-IRE1α WT en mutanten in respectieve getransfecteerde cellen, met robuuste perinucleaire expressie van IRE1α en, in mindere mate, filamenteuze-cytoplasmatische expressie, zoals verwacht voor een ER-transmembraaneiwit (Figuur 12D).

AFBEELDING 10: IRE1α moduleert het autofagosoomvolume. (A) COS-1-cellen werden tijdelijk gecotransfecteerd met FLAG-IRE1α WT of mutanten en mCherry-eGFP-LC3B. Cellen waren onbehandeld of behandeld met chloroquine (CQ, 50 M) en na 6 uur onderzocht. De mCherry-eGFP-LC3B-reporter was niet getransfecteerd in de cellen die in de eerste rij worden weergegeven (negatieve controle). (B) Kwantificering onthulde dat het punctale gebied (het dwarsdoorsnede-oppervlak dat wordt ingenomen door autofagische puncta per 1000 m2 van het totale celoppervlak) lager was in met chloroquine behandelde K599A- en ΔR-overexpressie brengende cellen vergeleken met behandelde WT of vector / controle ( *P = 1,11 × 10 −10 [IRE1α] P < 2,2 × 10 −16 [CQ] p = 4,19 × 10 −8 [IRE1α × CQ interactie]). (C) Dwarsdoorsnede per autofagosoom (punctumgrootte) parallel punctaal gebied. IRE1α WT of S724A verhoogde punctumgrootte vergeleken met controle, K599A of ΔR (*P = 4,20 × 10 −5 [IRE1α] P < 2,2 × 10 −16 [CQ] P = 7,82 × 10 −3 [IRE1α × CQ-interactie]). (D) Cellen die lege vector of FLAG-IRE1α WT of mutanten tot expressie brengen, werden immunologisch gekleurd met anti-FLAG-antilichaam (niet-immuun IgG in controles). IRE1α GEW. en mutanten vertonen cytoplasmatische kleuring met perinucleaire accentuering. Voor B en C worden het aantal proeven en het aantal gekwantificeerde cellen aangegeven onder de kolommen.

Inductie van autofagie via IRE1α vereist geen IRE1α RNase-activiteit

Aangezien IRE1α K599A (een kinase- en RNase-inactieve mutant) en ΔR (RNase-domein deletiemutant die ATP kan binden) beide de autofagosoomvormingssnelheid verlaagden (Figuur 9), hebben we vervolgens bepaald of dit proces de fysieke aanwezigheid van de RNase-domein of RNase-activiteit. COS-1-cellen werden mede behandeld met chloroquine plus vehikel of de IRE1α RNase-remmer 4μ8C. Over een periode van 24 uur had 4μ8C geen significant effect op de accumulatiesnelheid van LC3B-II (Figuur 11A). Bovendien waren er geen verschillen in de LC3B-II/I-verhouding of de LC3B-II/actine-verhouding (Figuur 11, C en D). Om te valideren dat 4μ8C de IRE1α-RNase-activiteit effectief remde, hebben we cellen gecocubeerd met 4μ8C en tunicamycine en aangetoond dat 4μ8C de door tunicamycine geïnduceerde Xbp1-splitsing opheft (Figuur 11B). Daarom suggereren deze gegevens sterk dat autofagosoomvorming IRE1α-kinase-activiteit en de aanwezigheid van het C-terminale RNase-domein (misschien een eiwitbindingsplaats) vereist, maar niet IRE1α RNase-activiteit. Merk op dat IRE1α WT mogelijk IRE1α-clustering kan induceren, wat resulteert in Xbp1-splitsing onder niet-beklemtoonde omstandigheden. Een dergelijk effect kan onder deze experimentele omstandigheden niet geheel worden uitgesloten.

AFBEELDING 11: IRE1α-gemedieerde autofagosoomvorming vereist geen RNase-activiteit. (A) COS-1-cellen werden behandeld met chloroquine (CQ, 50 M), de IRE1α RNase-remmer 4μ8c (10 M) of voertuig (DMSO). Kwantificering van de snelheid van autofagosoomvorming gedurende maximaal 24 uur zoals gerapporteerd door LC3B-II genormaliseerd naar actine (C) of de LC3B-II tot I-verhouding (D) onthulde geen significante verschillen in de aanwezigheid of afwezigheid van 4μ8c, hoewel LC3B- II nam in de loop van de tijd toe (C: P = 2,21 × 10 −6 D: P = 9,34 × 10 −5 drie experimenten). (B) Tunicamycine (T, 10 g/ml) induceerde Xbp1-splitsing en dit effect werd geblokkeerd door 4μ8c (4μ, 10 μM) na 6 en 24 uur. NR, negatieve controle zonder reverse transcriptase NT, negatieve controle zonder sjabloon Tx, behandeling.

Remming van IRE1α maakt het mogelijk om substraat in ERAD . te rangeren

Onze bevindingen impliceerden een rol voor IRE1α bij het mediëren van basale autofagische flux. Naast autofagie is IRE1α echter gekoppeld aan ERAD. We hebben dus onderzocht of afbraak van ER-verkeerd gevouwen eiwitten ook IRE1α-afhankelijke ERAD- of autofagie-ERAD-overspraak omvat. Afbraak van ectopisch tot expressie gebracht CD3δ-geel fluorescerend eiwit (YFP) in aanwezigheid van cycloheximide (om eiwitsynthese te blokkeren) werd gebruikt om ERAD (Menendez-Benito et al., 2005). CD3δ-YFP wordt retro-getransloceerd van het ER naar het cytoplasma en vervolgens afgebroken door het proteasoom.COS-1-cellen werden gecotransfecteerd met CD3δ-YFP en IRE1α en na 24 uur werden ze gedurende 6 uur behandeld met cycloheximide. Gedurende de periode van 6 uur nam de hoeveelheid CD3δ-YFP af met ∼ 40% (vergelijkbaar met de resultaten die worden weergegeven in figuur 12D, vector/DMSO-groep). Noch IRE1α WT noch K599A-overexpressie beïnvloedde de snelheid van CD3δ-YFP-degradatie in vergelijking met controle (vergelijkbaar met figuur 12D). Vervolgens hebben we onderzocht of IRE1α ERAD kan moduleren in aanwezigheid van verminderde proteasomale capaciteit (gedeeltelijke remming van het proteasoom met MG132). COS-1-cellen werden gecotransfecteerd met CD3δ-YFP en IRE1α WT, S724A, K599A, ΔR of lege vector (Figuur 12A). Na 24 uur werden cellen gedurende 2 uur behandeld met een lage dosis MG132 (10 M) om het proteasoom gedeeltelijk te remmen en CD3δ-YFP-accumulatie mogelijk te maken. Vervolgens werd cycloheximide toegevoegd om de eiwitsynthese te remmen. In aanwezigheid van een lage dosis MG132 was het niveau van CD3δ-YFP in de loop van de tijd vrijwel constant in met cycloheximide behandelde cellen die waren gecotransfecteerd met lege vector of IRE1α WT (Figuur 12, A en B). Dit resultaat werd voorspeld voor de lege vectorcontrole omdat MG132 de proteasomale afbraak van CD3δ-YFP gedeeltelijk zou remmen. Overexpressie van IRE1α WT overwon de gedeeltelijke proteasomale blokkade niet door de afbraak van CD3δ-YFP te bevorderen, wat aangeeft dat IRE1α ERAD niet kon verbeteren. Overexpressie van zowel K599A- als ΔR-mutanten verhoogde echter significant de afbraak van CD3δ-YFP (Figuur 12, A en B) terwijl autofagische flux op vergelijkbare tijdstippen werd geblokkeerd (Figuur 9C). Overexpressie van IRE1α S724A verhoogde licht de afbraak van CD3δ-YFP, hoewel dit effect niet statistisch significant was (Figuur 12B). Merk op dat het niveau van CD3δ-YFP de neiging had toe te nemen in de afwezigheid van cycloheximide in controlecellen (Figuur 12B), wat suggereert dat er een voortdurende synthese van de reporter was. Bijgevolg werden alle effecten van IRE1α WT en mutanten op CD3δ-YFP bestudeerd in aanwezigheid van cycloheximide, waar veranderingen in CD3δ-YFP degradatie weerspiegelen. Samen zijn deze resultaten in overeenstemming met de opvatting dat IRE1α onder basale omstandigheden een positieve regulator van autofagie is, maar niet ERAD. Merk ook op dat gedeeltelijke remming van proteasomale activiteit met een lage dosis MG132 nodig was om versterking van ERAD door de K599A- en ΔR-mutanten waar te nemen.

FIGUUR 12: Dominant-negatieve IRE1α-mutanten (K599A en ΔR) versnellen de afbraak van CD3δ-YFP. (A) COS-1-cellen gecotransfecteerd met FLAG-IRE1α (WT of mutanten) en de ERAD-reporter CD3δ-YFP werden voorbehandeld met MG132 (MG, 10 μM) om het proteasoom gedeeltelijk te blokkeren. Na 2 uur werd vehiculum (DMSO) of cycloheximide (CX, 25 g/ml) toegevoegd. Lysaten werden onderworpen aan immunoblotting na nog eens 2 of 6 uur, zoals aangegeven. Expressie van IRE1α en CD3δ-YFP werd bevestigd met respectievelijk anti-FLAG- en anti-GFP-antilichamen. Overexpressie van IRE1α K599A of ΔR verbeterde CD3δ-YFP-degradatie. De baan met het label "-" is een schijngetransfecteerd, met cycloheximide behandeld controlemonster, dat de specificiteit van het CD3δ-YFP-signaal bevestigt. (B) Densitometrische kwantificering toonde aan dat in aanwezigheid van cycloheximide, overexpressie van IRE1α K599A of ΔR de afbraak van CD3δ-YFP verhoogde in vergelijking met vector. Bovendien verbeterde IRE1α K599A de CD3δ-YFP-degradatie in vergelijking met WT (*P = 0,003 [IRE1α] P = 0,0065 [CX] P = 0,003 [IRE1α × tijdinteractie vijf experimenten]. (C) COS-1-cellen die IRE1α WT en CD3δ-YFP tot co-expressie brengen, werden samen met cycloheximide behandeld met drager (DMSO [D]) of tunicamycine (Tm of T, 5 g/ml). Lysaten werden 2, 4 en 8 uur na de behandeling onderworpen aan immunoblotting. De rijstroken met het label "Alleen V" zijn zonder transfectie van CD3δ-YFP. (D) Densitometrische kwantificering toont aan dat tunicamycine de afbraak van CD3δ-YFP in vector- en IRE1α-getransfecteerde cellen stimuleerde. IRE1α moduleerde de door tunicamycine geïnduceerde afbraak van CD3δ-YFP niet, dat wil zeggen dat overexpressie van IRE1α WT de door tunicamycine geïnduceerde afbraak van CD3δ-YFP niet versterkte, en evenmin oefende IRE1α K599A een remmend effect uit (*P = 4,12 × 10 −5 [Tm] P = 3,70 × 10 −15 [CX + tijd] zes experimenten).

Tunicamycine verbetert ERAD onafhankelijk van IRE1α

In dit experiment hebben we de regulerende rol van IRE1α onderzocht in cellen die zijn onderworpen aan ER-stress veroorzaakt door tunicamycine. In een voorstudie vonden we dat een incubatie van 6 uur met 5 μg/ml tunicamycine de glycosylering van CD3δ-YFP krachtig blokkeerde (niet-gepubliceerde gegevens), consistent met inductie van misvouwing van eiwitten en ER-stress. COS-1-cellen werden gecotransfecteerd met IRE1α (WT of K599A) of lege vector samen met CD3δ-YFP om ERAD te volgen. Na 24 uur werden de cellen gedurende 2 uur behandeld met ofwel vehikel (DMSO) ofwel 5 g/ml tunicamycine plus cycloheximide om gelijktijdig misvouwing van het ER-eiwit te induceren terwijl de eiwitsynthese werd geremd. Behandeling met tunicamycine in alle cellen verhoogde de afbraak van CD3δ-YFP aanzienlijk, maar dit werd niet beïnvloed door IRE1α WT of K599A (Figuur 12, C en D). ERAD kan dus worden opgereguleerd secundair aan verkeerd gevouwen eiwitaccumulatie, maar dit gebeurt onafhankelijk van ectopische IRE1α-overexpressie of remming van endogeen IRE1α.


Resultaten

Glycocalyx in continue haarvaten

Haarvaten in het hart worden geclassificeerd als continu. Standaard SEM-onderzoek van de luminale zijde van het hartcapillaire endotheel toonde intracellulaire tight junctions, maar geen transcellulaire perforaties die ook onopgemerkt waren, waren de endotheliale glycocalyx (Fig. 1a1 en a2). Kleuring met lanthaannitraat onthulde echter mosachtige of broccoli-achtige structuren op de endotheelcellen, waarvan we vermoedden dat het endotheliale glycocalyx was (figuur 1b1). Om te bevestigen dat die structuren in feite endotheliale glycocalyx waren, gebruikten we de terugverstrooide elektronenmethode onder SEM (Fig. 1b2). De gedetecteerde terugverstrooide hoogenergetische elektronen die terugkaatsten van het monsteroppervlak wezen op de aanwezigheid van metalen in het monster. De locatie van terugverstrooide elektronen was consistent met een struikachtige structuur, wat suggereert dat de structuur endotheliale glycocalyx was gekleurd met lanthaannitraat. Voor verdere bevestiging hebben we een elementanalyse van deze structuur uitgevoerd met behulp van energiedispersieve röntgenspectroscopie (figuur 1c1). Spectroscopische analyse toonde aan dat de structuur lanthaan bevatte, evenals koolstof, zuurstof en fosfor (Fig. 1C2), wat aangeeft dat de structuur glycocalyx was. Bovendien bevestigde TEM de aanwezigheid van struikachtige structuren op het oppervlak van de endotheelcellen (Fig. 1d1 en d2). Het percentage endotheliale glycocalyx-gebied in haarvaten was 13,6 ± 2,0%.

Scanning- en transmissie-elektronenmicroscopie die de glycocalyx van continue haarvaten in het hart onder normale omstandigheden laat zien. a1 Hartcapillair zonder lanthaannitraatkleuring. a2 Uitgebreid zicht op het gebied binnen de rode rechthoek vierkant in (a1). Continue haarvaten in het hart hebben een continu dun basaalmembraan. b1 Hartcapillair met lanthaannitraatkleuring. De endotheliale glycocalyx, de struikachtige structuur, is te zien op het oppervlak van het vasculaire endotheel. b2 Terugverstrooid elektronenmicroscopisch beeld van hetzelfde exemplaar als in (b1). De locatie van terugverstrooide elektronen komt overeen met de bush-achtige structuur. c1 Energie-dispersief spectroscopisch beeld van een hartcapillair gekleurd met lanthaannitraat. c2 Ingrediëntenanalyse van het gebied binnen de rode rechthoek in (c1). De struikachtige structuur omvat lanthaan, wat aangeeft dat deze structuur de endotheliale glycocalyx is. C Koolstof, O Zuurstof, P Fosfor, S Silicium, La Lanthaan. d1 Transmissie-elektronenmicroscopische beeldvorming van hartcapillair met lanthaannitraatkleuring. d2 Uitgebreid zicht op het gebied binnen de rode rechthoek in (d1). De endotheliale glycocalyx is ook te zien op het oppervlak van het vasculaire endotheel

Glycocalyx in gefenestreerde haarvaten

De endotheelcellen die de gefenestreerde haarvaten omvatten die in de nierglomeruli worden aangetroffen, hebben poriën die kleine moleculen laten doordringen, maar de eiwitdiffusie beperken. Met behulp van SEM zonder lanthaannitraatkleuring, detecteerden we gemakkelijk de poriën in het glomerulaire endotheel (Fig. 2a1). Bovendien bevestigde de terugverstrooide elektronenmethode de aanwezigheid van endotheliale glycocalyx die het luminale oppervlak van de glomerulaire haarvaten bedekt (aanvullend bestand 1: figuur S1a). SEM met lanthaannitraatkleuring toonde aan dat de poriën zo vernauwd waren door glycocalyx dat ze bijna afgesloten waren (Fig. 2a2 en a3). Bovendien toonde TEM met lanthaannitraatfixatie aan dat de endotheliale glycocalyxlaag de open fenestraties bekleedde en het oppervlak van de podocyten bedekte (Fig. 3a2 en a3). Het percentage endotheliale glycocalyx-gebied in haarvaten was 16,7 ± 1,8%.

Scanning-elektronenmicroscopie die glycocalyx toont in gefenestreerde haarvaten van de nier en sinusoïden van de lever onder normale omstandigheden. een Ultrastructuur van glomerulaire haarvaten onder normale omstandigheden. a1 Gefenestreerd capillair zonder lanthaannitraatkleuring. Kleine poriën zijn aanwezig op het oppervlak van de endotheelcellen. a2, a3 Lanthaannitraatkleuring om endotheliale glycocalyx te visualiseren. a3 Uitgebreid zicht op het gebied binnen de rode rechthoek in (a2). Endotheliale glycocalyx bedekt het oppervlak van glomerulaire haarvaten. B Ultrastructuur van podocyten op het buitenoppervlak van de glomerulus onder normale omstandigheden. b1 Podocyten zonder lanthaannitraatkleuring. Veel podocyten verstrengelen stevig met elkaar om een ​​netwerk te vormen. b2, b3 Glycocalyx op podocyten gevisualiseerd door lanthaannitraatkleuring. b3 Uitgebreid zicht op het gebied binnen de rode rechthoek in (b2). Glycocalyx bedekt het oppervlak van podocyten. C Ultrastructuur van hepatische sinusoïden onder normale omstandigheden. c1 Sinusoïde zonder lanthaannitraatkleuring. Sinusoïden in de lever zijn capillairen met open poriën. c2, c3 Gevisualiseerde glycocalyx in sinusoïden. c3 Uitgebreid zicht op het gebied binnen de rode rechthoek in (c2). De endotheliale glycocalyx in sinusoïden overlapt de open fenestraties niet, maar is ook aanwezig in de ruimte van Disse

Transmissie-elektronenmicroscopie toont glycocalyx in glomerulaire gefenestreerde haarvaten en hepatische sinusoïden onder normale omstandigheden. een Ultrastructuur van glomerulaire haarvaten onder normale omstandigheden. a1 Glomerulaire capillair zonder lanthaannitraatkleuring. Het gezonde glomerulaire endotheel bestaat uit drie lagen, waaronder endotheelcellen (zwarte Pijl), evenals basaalmembraan en podocyten (rode pijl), die met elkaar verbonden zijn. a2, a3 Lanthaannitraatkleuring om glycocalyx te visualiseren. a3 Uitgebreid zicht op het gebied binnen de rode rechthoek in (a2). Glycocalyx is aanwezig op het oppervlak van glomerulaire haarvaten en podocyten. B Ultrastructuur van hepatische sinusoïden onder normale omstandigheden. b1 Sinusoïde zonder lanthaannitraatkleuring. De sinusoïde bestaat uit discontinue platte endotheelcellen (zwarte Pijl) en heeft grote poriën. De ruimte van Disse bevindt zich onder het endotheel (rode pijl). b2, b3 Gevisualiseerde glycocalyx in sinusoïden. b3 Uitgebreid zicht op het gebied binnen de rode rechthoek in (b2). De endotheliale glycocalyxlaag van sinusoïden is dun (zwarte Pijl) en is ook aanwezig in de ruimte van Disse (rode pijl)

Glycocalyx van sinusoïden

Sinusoïden in de lever vormen grote en onregelmatig anastomose structuren. De endotheelcellen die de sinusoïde wand vormen, zijn afgeplat en hebben geen basaalmembraan (figuren 2c1 en 3b1). Terugverstrooide elektronen werden gedetecteerd uit de sinusoïdale haarvaten in met lanthaannitraat gekleurde exemplaren (aanvullend bestand 1: figuur S1c). De endotheliale glycocalyx van sinusoïden blokkeerde de open fenestraties niet en de hoogte van de glycocalyx was minder dan in continue en gefenestreerde capillairen (figuren 2c3 en 3b3). Bovendien onthulde TEM de aanwezigheid van glycocalyx rond de endotheelcellen, niet alleen aan de luminale kant maar ook aan de kant die naar de ruimte van Disse is gericht. Het percentage endotheliale glycocalyx-gebied in haarvaten was 3,7 ± 0,3%.

Glycocalyx onder omstandigheden van septische vasculitis

Om een ​​experimenteel endotoxemiemodel te produceren, hebben we intraperitoneaal 20 mg/kg LPS toegediend aan 10 weken oude C57BL6 mannelijke muizen. Achtenveertig uur na LPS-toediening waren 8 (16%) van de 50 geïnjecteerde muizen nog in leven (aanvullend bestand 2: figuur S2a). Syndecan-1 is het kerneiwit in heparansulfaatproteoglycaan, dat glycocalyx omvat. Syndecan-1 komt vrij uit het endotheel bij beschadiging van de glycocalyx, waardoor de concentratie in de bloedsomloop toeneemt [23]. We ontdekten dat de plasmasyndecan-1-spiegels 7,8 ± 0,9 ng/ml hadden bereikt 12 uur na LPS-injectie en 14,4 ± 2,0 ng/ml 24 uur na injectie. Tegen 48 uur na LPS-injectie waren de plasmasyndecan-1-niveaus echter teruggekeerd naar de basislijn (aanvullend bestand 2: figuur S2b). In het hart veroorzaakte LPS-injectie oedemateuze veranderingen in de continue haarvaten, waarbij fibrine werd afgezet in het capillaire lumen. In de met LPS toegediende muizen was de dikte van de endotheelwand significant toegenomen in vergelijking met nepmuizen (schijn 101,4 ± 10,1 nm, LPS 285,4 ± 37,7 nm P < 0,05). Bovendien werd de glycocalyx af en toe van het luminale oppervlak van het capillair afgepeld om puin te vormen (figuren 4a en 5a). Het percentage endotheliale glycocalyx-gebied in haarvaten was significant verlaagd onder septische omstandigheden in vergelijking met nepmuizen (aanvullend bestand 3: figuur S3a). In de nier brak LPS-injectie de drie strak gebonden lagen van het glomerulaire capillair bestaande uit de gefenestreerde endotheelcellen, basaalmembraan en podocyten. Dit zorgde ervoor dat de endotheliale poriën minder goed gedefinieerd werden en er was een verbreding van de opening tussen het basaalmembraan en de podocyten. De glycocalyx werd afgepeld en vormde een residu in het capillaire lumen (figuren 4b en 5b). Het percentage endotheliale glycocalyx-gebied in haarvaten was significant verlaagd onder septische omstandigheden in vergelijking met nepmuizen (aanvullend bestand 3: figuur S3b). In de lever leken de fenestraties in de sinusoïden 48 uur na LPS-injectie gesloten te zijn door de oedemateuze veranderingen in de endotheelcellen. Endotheliale glycocalyx leek te zijn afgeworpen in de ruimte van Disse (figuren 4c en 5c). Het percentage endotheliale glycocalyx-gebied in haarvaten was significant verlaagd onder septische omstandigheden in vergelijking met nepmuizen (aanvullend bestand 3: figuur S3c).

Scanning-elektronenmicroscopie toont glycocalyx in continue, gefenestreerde en sinusoïdale haarvaten onder septische omstandigheden. een Ultrastructuur van continue haarvaten in het hart onder septische omstandigheden. a1 Continu capillair zonder lanthaannitraatkleuring. Aangenomen wordt dat verdikking van de endotheelwand het gevolg is van oedemateuze veranderingen die verband houden met ontsteking. a2, a3 Lanthaannitraatkleuring om de endotheliale glycocalyx te visualiseren. a3 Uitgebreid zicht op het gebied binnen de rode rechthoek in (a2). De endotheliale glycocalyx wordt van het oppervlak van endotheelcellen afgepeld en het residu wordt gevonden in het vasculaire lumen (witte pijl). B Ultrastructuur van glomerulaire haarvaten onder septische omstandigheden. b1 Gefenestreerd capillair zonder lanthaannitraatkleuring. Vernietiging van de kleine poriënstructuur is waarneembaar. Bovendien lijkt de endotheelwand oedemateus. b2, b3 Lanthaannitraatkleuring om de endotheliale glycocalyx te visualiseren. b3 Uitgebreid zicht op het gebied binnen de rode rechthoek in (b2). Glycocalyx wordt afgestoten van de endotheelcellen en het residu ervan bevindt zich in het vasculaire lumen (witte pijl). C Ultrastructuur van hepatische sinusoïden onder septische omstandigheden. c1 Sinusoïde zonder lanthaannitraatkleuring. De grote poriën zijn bijna volledig afgesloten (witte pijl). c2, c3 Gevisualiseerde glycocalyx in sinusoïden. c3 Uitgebreid zicht op het gebied binnen de rode rechthoek in (c2). De sinusoïdale endotheliale glycocalyx wordt van de endotheelcellen afgepeld en het residu is aanwezig in het vasculaire lumen (witte pijl)

Transmissie-elektronenmicroscopie toont glycocalyx in haarvaten onder septische omstandigheden. een Ultrastructuur van hartcapillairen onder septische omstandigheden. a1 Continu capillair zonder lanthaannitraatkleuring. De capillaire wand lijkt oedemateus en er is fibrine afgezet in het capillaire lumen. a2, a3 Lanthaannitraatkleuring om de endotheliale glycocalyx te visualiseren. a3 Uitgebreid zicht op het gebied binnen de rode rechthoek in (a2). De endotheliale glycocalyx is afgepeld en er is weinig glycocalyx op de endotheelcellen (rode pijl). B Ultrastructuur van glomerulaire haarvaten onder septische omstandigheden. b1 Glomerulaire capillair zonder lanthaannitraatkleuring. Er is een opening tussen de podocyten en het basaalmembraan onder septische omstandigheden (Rode pijlen). b2, b3 Lanthaannitraatkleuring om de glycocalyx te visualiseren. b3 Uitgebreid zicht op het gebied binnen de rode rechthoek in (b2). De glycocalyx wordt afgeworpen van het oppervlak van de glomerulaire endotheelcellen en podocyten. C Ultrastructuur van hepatische sinusoïden onder septische omstandigheden. c1 Sinusoïde zonder lanthaannitraatkleuring. Terwijl de sinusoïde normaal bestaat uit discontinue platte endotheelcellen, zijn hier de endotheelcellen oedemateus geworden en zijn de grote poriën gesloten (rode pijl). c2, c3 Gevisualiseerde glycocalyx in sinusoïden. c3 Uitgebreid zicht op het gebied binnen de rode rechthoek in (c2). De endotheliale glycocalyx-laag van sinusoïden is afgepeld en de ruimte van Disse is onduidelijk geworden


30.2 Stengels

Aan het einde van dit gedeelte kunt u het volgende doen:

  • Beschrijf de hoofdfunctie en basisstructuur van stengels
  • Vergelijk en contrasteer de rollen van huidweefsel, vaatweefsel en grondweefsel
  • Maak onderscheid tussen primaire groei en secundaire groei in stengels
  • Vat de oorsprong van jaarringen samen
  • Noem en beschrijf voorbeelden van gewijzigde stengels

Stengels maken deel uit van het scheutsysteem van een plant. Ze kunnen in lengte variëren van enkele millimeters tot honderden meters en variëren ook in diameter, afhankelijk van het planttype. Stengels zijn meestal bovengronds, hoewel de stengels van sommige planten, zoals de aardappel, ook ondergronds groeien. Stengels kunnen kruidachtig (zacht) of houtachtig van aard zijn. Hun belangrijkste functie is om de plant te ondersteunen, bladeren, bloemen en knoppen vast te houden, in sommige gevallen slaan stengels ook voedsel op voor de plant.Een stengel kan onvertakt zijn, zoals die van een palmboom, of hij kan sterk vertakt zijn, zoals die van een magnoliaboom. De stengel van de plant verbindt de wortels met de bladeren en helpt het opgenomen water en mineralen naar verschillende delen van de plant te transporteren. Het helpt ook om de producten van fotosynthese, namelijk suikers, van de bladeren naar de rest van de plant te transporteren.

Plantenstengels, zowel boven als onder de grond, worden gekenmerkt door de aanwezigheid van knopen en internodiën (Figuur 30.4). Knopen zijn bevestigingspunten voor bladeren, luchtwortels en bloemen. Het stamgebied tussen twee knopen wordt een internode genoemd. De stengel die zich uitstrekt van de stengel tot de bladbasis is de bladsteel. Een okselknop bevindt zich meestal in de oksel - het gebied tussen de bladbasis en de stengel - waar een tak of bloem kan ontstaan. De apex (tip) van de scheut bevat het apicale meristeem in de apicale knop.

Stam anatomie

De stengel en andere plantenorganen komen voort uit het grondweefsel en bestaan ​​voornamelijk uit eenvoudige weefsels die zijn gevormd uit drie soorten cellen: parenchym-, collenchym- en sclerenchymcellen.

Parenchymcellen zijn de meest voorkomende plantencellen (Figuur 30.5). Ze zijn te vinden in de stengel, de wortel, de binnenkant van het blad en het vruchtvlees. Parenchymcellen zijn verantwoordelijk voor metabolische functies, zoals fotosynthese, en ze helpen bij het herstellen en genezen van wonden. Sommige parenchymcellen slaan ook zetmeel op.

Collenchymcellen zijn langwerpige cellen met ongelijk verdikte wanden (Figuur 30.6). Ze bieden structurele ondersteuning, voornamelijk aan de stengel en bladeren. Deze cellen leven op volwassen leeftijd en worden meestal onder de epidermis gevonden. De "slierten" van een stengel bleekselderij zijn een voorbeeld van collenchymcellen.

Sclerenchymcellen bieden ook ondersteuning aan de plant, maar in tegenstelling tot collenchymcellen zijn veel van hen dood als ze volwassen zijn. Er zijn twee soorten sclerenchymcellen: vezels en sclereïden. Beide typen hebben secundaire celwanden die verdikt zijn met afzettingen van lignine, een organische verbinding die een belangrijk bestanddeel van hout is. Vezels zijn lang, slanke cellen sclereïden zijn kleiner van formaat. Sclereïden geven peren hun korrelige textuur. Mensen gebruiken sclerenchymvezels om linnen en touw te maken (Figuur 30.7).

Visuele verbinding

Welke lagen van de stengel zijn gemaakt van parenchymcellen?

Net als de rest van de plant heeft de stengel drie weefselsystemen: huid-, vaat- en grondweefsel. Elk onderscheidt zich door karakteristieke celtypen die specifieke taken uitvoeren die nodig zijn voor de groei en overleving van de plant.

Huidweefsel

Het huidweefsel van de stengel bestaat voornamelijk uit epidermis, een enkele laag cellen die het onderliggende weefsel bedekt en beschermt. Houtachtige planten hebben een taaie, waterdichte buitenlaag van kurkcellen, algemeen bekend als schors, die de plant verder beschermt tegen beschadiging. Epidermale cellen zijn de meest talrijke en minst gedifferentieerde van de cellen in de epidermis. De epidermis van een blad bevat ook openingen, huidmondjes genoemd, waardoor de uitwisseling van gassen plaatsvindt (Figuur 30.8). Twee cellen, de zogenaamde wachtcellen, omringen elke bladstoma, regelen het openen en sluiten en reguleren zo de opname van koolstofdioxide en de afgifte van zuurstof en waterdamp. Trichomen zijn haarachtige structuren op het epidermale oppervlak. Ze helpen de transpiratie te verminderen (het verlies van water door bovengrondse plantendelen), verhogen de zonnereflectie en slaan verbindingen op die de bladeren beschermen tegen predatie door herbivoren.

Vaatweefsel

Het xyleem en het floëem waaruit het vaatweefsel van de stengel bestaat, zijn gerangschikt in afzonderlijke strengen, vaatbundels genaamd, die over de lengte van de stengel op en neer lopen. Wanneer de stengel in dwarsdoorsnede wordt bekeken, zijn de vaatbundels van tweezaadlobbige stengels gerangschikt in een ring. Bij planten met stengels die langer dan een jaar leven, groeien de afzonderlijke bundels samen en produceren de karakteristieke jaarringen. Bij eenzaadlobbige stengels zijn de vaatbundels willekeurig verspreid over het grondweefsel (Figuur 30.9).

Xyleemweefsel heeft drie soorten cellen: xyleemparenchym, tracheïden en vaatelementen. De laatste twee soorten geleiden water en zijn dood op de vervaldag. Tracheïden zijn xyleemcellen met dikke secundaire celwanden die verhout zijn. Water beweegt van de ene tracheïe naar de andere door gebieden op de zijwanden die bekend staan ​​​​als putten, waar secundaire muren afwezig zijn. Vatelementen zijn xyleemcellen met dunnere wanden, ze zijn korter dan tracheïden. Elk vatelement is met het volgende verbonden door middel van een perforatieplaat aan de eindwanden van het element. Water beweegt door de perforatieplaten om de plant op te gaan.

Floëemweefsel bestaat uit zeefbuiscellen, begeleidende cellen, floëemparenchym en floëemvezels. Een reeks zeefbuiscellen (ook wel zeefbuiselementen genoemd) zijn van eind tot eind gerangschikt om een ​​lange zeefbuis te vormen, die organische stoffen zoals suikers en aminozuren transporteert. De suikers stromen van de ene zeefbuiscel naar de andere door geperforeerde zeefplaten, die zich op de eindverbindingen tussen twee cellen bevinden. Hoewel ze op volwassen leeftijd nog in leven zijn, zijn de kern en andere celcomponenten van de zeefbuiscellen uiteengevallen. Begeleidende cellen bevinden zich naast de zeefbuiscellen, waardoor ze metabolische ondersteuning krijgen. De begeleidende cellen bevatten meer ribosomen en mitochondriën dan de zeefbuiscellen, die enkele cellulaire organellen missen.

Gemalen weefsel

Grondweefsel bestaat meestal uit parenchymcellen, maar kan ook collenchym- en sclerenchymcellen bevatten die de stengel helpen ondersteunen. Het gemalen weefsel naar het inwendige van het vaatweefsel in een stengel of wortel staat bekend als merg, terwijl de laag weefsel tussen het vaatweefsel en de epidermis bekend staat als de cortex.

Groei in stengels

Groei in planten vindt plaats als de stengels en wortels langer worden. Sommige planten, vooral die welke houtachtig zijn, nemen tijdens hun levensduur ook in dikte toe. De toename in lengte van de scheut en de wortel wordt primaire groei genoemd en is het resultaat van celdeling in het apicale meristeem van de scheut. Secundaire groei wordt gekenmerkt door een toename in dikte of omtrek van de plant en wordt veroorzaakt door celdeling in het laterale meristeem. Figuur 30.10 toont de gebieden met primaire en secundaire groei in een plant. Kruidachtige planten ondergaan meestal primaire groei, met nauwelijks secundaire groei of toename in dikte. Secundaire groei of "hout" is merkbaar in houtachtige planten, het komt voor in sommige tweezaadlobbigen, maar komt zeer zelden voor bij eenzaadlobbigen.

Sommige plantendelen, zoals stengels en wortels, blijven gedurende het hele leven doorgroeien: een fenomeen dat onbepaalde groei wordt genoemd. Andere plantendelen, zoals bladeren en bloemen, vertonen een bepaalde groei, die stopt wanneer een plantdeel een bepaalde grootte bereikt.

Primaire groei

De meeste primaire groei vindt plaats aan de toppen of uiteinden van stengels en wortels. Primaire groei is het resultaat van snel delende cellen in de apicale meristemen aan de scheutpunt en wortelpunt. Daaropvolgende celverlenging draagt ​​ook bij aan de primaire groei. Door de groei van scheuten en wortels tijdens de primaire groei kunnen planten continu op zoek naar water (wortels) of zonlicht (scheuten).

De invloed van de apicale knop op de algehele plantengroei staat bekend als apicale dominantie, die de groei van okselknoppen die zich langs de zijkanten van takken en stengels vormen, vermindert. De meeste naaldbomen vertonen een sterke apicale dominantie, waardoor de typische kegelvormige kerstboomvorm ontstaat. Als de apicale knop wordt verwijderd, zullen de okselknoppen zijtakken gaan vormen. Tuinders maken hier gebruik van wanneer ze planten snoeien door de toppen van takken af ​​te snijden, waardoor de okselknoppen worden gestimuleerd om uit te groeien, waardoor de plant een bossige vorm krijgt.

Link naar leren

Bekijk deze BBC Nature-video die laat zien hoe time-lapse-fotografie de groei van planten met hoge snelheid vastlegt.

Secundaire groei

De toename van de stengeldikte als gevolg van secundaire groei is te wijten aan de activiteit van de laterale meristemen, die ontbreken in kruidachtige planten. Laterale meristemen omvatten het vasculaire cambium en, in houtachtige planten, het kurkcambium (zie figuur 30.10). Het vasculaire cambium bevindt zich net buiten het primaire xyleem en aan de binnenkant van het primaire floëem. De cellen van het vasculaire cambium delen en vormen secundair xyleem (tracheïden en vaatelementen) naar binnen en secundair floëem (zeefelementen en begeleidende cellen) naar buiten. De verdikking van de stengel die optreedt bij secundaire groei is te wijten aan de vorming van secundair floëem en secundair xyleem door het vasculaire cambium, plus de werking van kurkcambium, dat de taaie buitenste laag van de stengel vormt. De cellen van het secundaire xyleem bevatten lignine, dat zorgt voor hardheid en sterkte.

In houtachtige planten is kurkcambium het buitenste laterale meristeem. Het produceert kurkcellen (schors) die een wasachtige substantie bevatten die bekend staat als suberine en die water kan afstoten. De bast beschermt de plant tegen fysieke schade en helpt het waterverlies te verminderen. Het kurkcambium produceert ook een laag cellen die bekend staat als phelloderm, die vanuit het cambium naar binnen groeit. Het kurkcambium, de kurkcellen en het phelloderm worden gezamenlijk het periderm genoemd. Het periderm vervangt de epidermis in volwassen planten. In sommige planten heeft het periderm veel openingen, ook wel lenticellen genoemd, waardoor de binnenste cellen gassen kunnen uitwisselen met de buitenatmosfeer (Figuur 30.11). Dit levert zuurstof aan de levende en metabolisch actieve cellen van de cortex, xyleem en floëem.

Jaarringen

Door de activiteit van het vasculaire cambium ontstaan ​​jaarlijkse jaarringen. Tijdens het groeiseizoen in de lente hebben de cellen van het secundaire xyleem een ​​grote inwendige diameter en zijn hun primaire celwanden niet sterk verdikt. Dit staat bekend als vroeghout of lentehout. Tijdens het herfstseizoen ontwikkelt het secundaire xyleem verdikte celwanden, waardoor laat hout of herfsthout wordt gevormd, dat dichter is dan vroeg hout. Deze afwisseling van vroeg en laat hout is grotendeels te wijten aan een seizoensgebonden afname van het aantal vaatelementen en een seizoensgebonden toename van het aantal tracheïden. Het resulteert in de vorming van een jaarring, die kan worden gezien als een cirkelvormige ring in de dwarsdoorsnede van de stengel (Figuur 30.12). Onderzoek naar het aantal jaarringen en hun aard (zoals grootte en celwanddikte) kan de leeftijd van de boom en de heersende klimatologische omstandigheden tijdens elk seizoen onthullen.

Stamwijzigingen

Sommige plantensoorten hebben gemodificeerde stengels die bijzonder geschikt zijn voor een bepaalde habitat en omgeving (Figuur 30.13). Een wortelstok is een gemodificeerde stengel die horizontaal ondergronds groeit en knopen en internodiën heeft. Verticale scheuten kunnen ontstaan ​​uit de knoppen op de wortelstok van sommige planten, zoals gember en varens. Knollen lijken op wortelstokken, behalve dat ze meer rond en vlezig zijn (zoals bij gladiolen). Knollen bevatten opgeslagen voedsel waardoor sommige planten de winter kunnen overleven. Stolons zijn stengels die bijna evenwijdig aan de grond of net onder het oppervlak lopen en op de knopen aanleiding kunnen geven tot nieuwe planten. Uitlopers zijn een soort stolonen die boven de grond lopen en met wisselende tussenpozen nieuwe kloonplanten produceren op knopen: aardbeien zijn een voorbeeld. Knollen zijn gemodificeerde stengels die zetmeel kunnen opslaan, zoals te zien is in de aardappel (nachtschade sp.). Knollen ontstaan ​​als gezwollen uiteinden van uitlopers en bevatten veel onvoorziene of ongebruikelijke knoppen (voor ons bekend als de "ogen" op aardappelen). Een bol, die functioneert als een ondergrondse opslageenheid, is een wijziging van een stengel die eruitziet als vergrote vlezige bladeren die uit de stengel komen of de basis van de stengel omringen, zoals te zien is in de iris.

Link naar leren

Bekijk in deze video hoe botanicus Wendy Hodgson van Desert Botanical Garden in Phoenix, Arizona, uitlegt hoe agaveplanten honderden jaren geleden voor voedsel werden gekweekt in de woestijn van Arizona: De wortels van een oud gewas vinden.

Sommige luchtmodificaties van stengels zijn ranken en doornen (Figuur 30.14). Ranken zijn slanke, kronkelende strengen waarmee een plant (zoals een wijnstok of pompoen) steun kan zoeken door op andere oppervlakken te klimmen. Doornen zijn gemodificeerde takken die verschijnen als scherpe uitlopers die de plant beschermen. Veelvoorkomende voorbeelden zijn rozen, Osage-sinaasappel en duivelswandelstok.


Bekijk de video: Hand Feeding u0026 Playing With A Friendly Platypus (December 2021).