Translocation
How the growing parts of the plant areprovided with sugar to synthesize new cells
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Photosynthesis
New growth
Translocation
A system of  vascular tissueruns through all higherplants.  It evolved as aresponse to the increase inthe size of plants, whichcaused an progressingseparation of roots andleaves in space.  The phloemis the tissue thattranslocates   assimilatesfrom mature leaves togrowing or storage organsand roots.
Sources and sinks
Direction of transport throughphloem is determined by relativelocations of areas of supply, sourcesand areas where utilization ofphotosynthate takes place,  sinks.
Source:   any transporting organcapable of mobilizing organiccompounds or producingphotosynthate in excess of its ownneeds, e.g., mature leaf, storageorgan during exporting phase ofdevelopment.
Sink:    non photosynthetic organsand organs that do not produceenough photoassimilate to meet theirown requiements, e.g., roots, tubers,develpoping fruits, immature leaves.
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Photosynthesis provides a
sugar source
New growth is a
sugar sink
Translocation
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Multiple sources and sinks
Examples:
Beta maritima (wild beet) root isa sink during the first growingseason. In the second season theroot becomes a source, sugarsare mobilized and used toproduce a new shoot.
In contrast, in cultivated sugarbeets roots are sinks during allphases of development.
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Translocation
Source
Source
Source
Sink
Sink
Sink
Sink
Sink
Sink
Developingapex
The flow of water in plants isalmost always from roots toleaves.
Translocation of sucrose canbe in any direction –depending on source and sinklocation and strength.
Girdling experiments
Girdling a tree, i.e., removing a complete ring of bark andcambium around a tree, has no immediate effect on watertransport, but sugar accumulates above the girdle and tissueswells while tissue below the girdle dies.
Application of 14CO2  to a photosynthesizing leaf, orapplication of  14C-sucrose, then visualization of the path ofthe radioactive tracer through photographing cross sections ofthe plat’s stem indicates that photosynthate moves throughphloem sieve elements.
Radio active tracer experiments
Girdling is sometimes used to enhance fruit production.
Aphids
 A technique for analyzing phloem sap chemistry is the use of aphidstylets. A feeding aphid is anesthetized and its stylet severed   Thephloem sap is under positive pressure and is collected.
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http://members.ozemail.com.au/~lblanco/Ap1.htm
Aphid stylet procedure
Collecting phloem exudate
Xylem and Phloem Sap Compositions from White Lupine (Lupinus albus)
 
                               Xylem Sap (mg/l)                       Phloem Sap (mg/l)
 
Sucrose                            *                                                  154,000
Amino acids                 700                                                  13,000
Potassium                       90                                                    1,540
Sodium                           60                                                        120
Magnesium                    27                                                          85
Calcium                          17                                                           21
Iron                                    1.8                                                          9.8
Manganese                       0.6                                                          1.4
Zinc                                    0.4                                                          5.8
Copper                           Trace                                                         0.4
Nitrate                             10                                                             *
pH                                      6.3                                                           7.9
http://forest.wisc.edu/forestry415/INDEXFRAMES.HTM
Typical Phloem Sap Chemistry
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Aphids transmit plant viruses.   In Circulative transmisson thevirus circulates in the body of the insect.  In Persistenttransmission the aphid retains the virus in its body for days orweeks spreading it to many plants as it moves and feeds.
Winged aphids often develop as host plants begin to deteriorateor when the aphid population is overcrowded.
Nasty thingsanimals do toplants!
Sucrose
The sugar that is most important in translocation is sucrose
Sucrose is a disaccharide, i.e., made up of two sugar molecules –an additional  synthesis reaction is required after photosynthesis
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Sucrose - is not a rigidstructure, but mobilein itself.
http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/e16/16h.htm#sucr
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Control of pressure flow of the sap inthe phloem driven by osmosis.
The physiological processes of loadingsucrose into the phloem at the sourceand unloading it at the sink.
There are two parts to translocation:
General diagram of translocation
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Physiological process ofloading sucrose into thephloem
Physiological processof unloading sucrosefrom the phloem intothe sink
Pressure-flow
Phloem and xylem arecoupled in an osmotic systemthat transports sucrose andcirculates water.
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Diagram of loading
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Sugar produced at a source must be loadedinto sieve-tube members.
 Sucrose follows a combination of tworoutes:  symplastic,   though the cells, andapoplastic ,   in solution outsidecells. Some plants have transfer cells,  modifiedcompanion cells with numerous ingrowthsof their walls that increase the cells' surfacearea and enhance solute transfer betweenapoplast and symplast. Physiological transport accumulatessucrose in sieve-tube members to two tothree time the concentration in mesophyllcells.   Proton pumps power this transportby using ATP to create a H+ gradient. 
Transfercell
The same type of  proton pump yousaw in the chloroplast. membrane
Pressure flow schematic
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Fig. 32.5B
Velocity up to 100 cm/hour.
 The pressure-flow process
Build-up of pressure at thesource and release of pressure atthe sink causes source-to-sinkflow.
At the source phloem loadingcauses high solute concentrations.  decreases, so water flows intothe cells increasing hydrostaticpressure. 
At the sink  is lower outside thecell due to unloading of sucrose.  Osmotic loss of waterreleases hydrostatic pressure.Xylem vessels recycle water fromthe sink to the source.
Film clip
Phloem structure
Translocation is through sieve tubes,comprised of sieve-tube elements SE inthe diagram, (sieve cells in gymnosperms).
The perforated end walls of each memberare called sieve plates, SP, that are openwhen translocation occurs, see      .
Each sieve-tube member has acompanion cell, CC,  (albuminous cell ingymnosperms).
While both sieve tube elements andcompanion cells are alive at maturity,only the companion cell has a nucleus,and seems to control the metabolism andfunctioning of the sieve-tube member.
C:\Work\COURSES\Biol101\Lecture15\phloem.gif
Top
At a phloem transportvelocity of 90 cm/houra 0.5 cm long sieveelement reloads everytwo seconds.
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Branched plasmodesmata
Cell wall
Longitudinal section between cells in the phloem including abranched plasmodesma. (Echium rosulatum petiole)  
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Sieve element
Companion cell
The evil sweetner!
The U.S. is the world’s largest consumer of natural sweeteners. We consume about9.3 million tons of refined sugar each year from sugar beet and sugar cane, andabout 12 million tons of corn sweeteners.  ~100 lbs per person per year.
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Sugar cane
Corn syrup
Sugar beet
Most people associate plant sugar with phloem and assume thatsugar maple sap comes from the phloem.  Not so!  Sugar herecomes from the wood!!  In late summer and before it loses itscolorful leaves in the fall, the tree stores large quantities of starchin  wood parenchyma in the rays.
When temperatures rise in late winter, the starch is broken downand converted into sucrose, which is released into the woodvessels.  The high concentration of sugar in the vessels causes soilwater to be brought into the roots, building up pressure andforcing the sugary sap upwards toward the unopened, dormantbuds.
An Exception in Sucrose Transport
Storage ray
Sliced vertically but off-center, i.e., in tangential section,the rays, which run from the phloem through the xylemtowards the center of the tree, are seen in cross(transverse) section in wood of sugar maple (Acersaccharum).
Photomicrograph: T. A. Dickinson
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C:\Work\COURSES\Biol101\Lecture15\tangenttiny.jpg
Storage ray
Many large-scale producers havethousands of taps, some up to 20,000
Spiles areinserted intothe treegently byhand andthen"seated"with a malletor hammer.
Tubing networks should be laidout so that sap flows directly tothe sugar house or a storage tank.
Tapping the spring flow of sugar maple
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C:\Work\COURSES\Biol101\Lecture15\sugar_maple2.jpg
C:\Work\COURSES\Biol101\Lecture15\sugar_maple3.jpg
http://www.dnr.cornell.edu/ext/maple/Maple%20Tour/maple_tour.htm
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