Transcript KEBR220 02-2015

Fytohormony a transport
signálu v rostlině.
Marie Hronková
BC AV ČR –ÚMBR
a PřF JčU České Budějovice
hronkova@umbr .cas.cz
2015
Reakce na nepříznivé podmínky
• Živočich-behaviorální
• Rostlina-růstová,vývojová
Morfogeneze-tvarová různorodost
Reakce na vnější (okolní) podmínky
Buněčné dělení
Buněčný růst
Buněčná morfogeneze a diferenciace
Pletivo
Orgán
Rostlina
hormon
receptor
hormon
receptor
Druhý posel (Second
Messenger)
Aktivace výkonných struktur- biochemická odezva
Fyziologická odezva
)
Fytohormony
Růstové regulátory
„Klasické“ hormony:
1. Auxiny
2. Cytokininy
3. Gibereliny
4. Kyselina abscisová
5. Etylén
6. Brassinosteroidy
Další hormonální látky:
kyselina jasmonová (jasmínová),
polyaminy, oligosachariny,
kyselina salycilová, strigolac(k)ton.
Ostatní látky s regulační aktivitou (růstové regulátory):
fenoly,malé peptidy (systemin,florigen…).
Nejvýznamnější typy fytohormonů - přehled
Fytohormony
Srovnání s živočišnými:
Podobnosti
- nízká koncentrace (10-9 -10-6 M)
-výsledná koncentrace = biosyntéza, rozklad-degradace, inaktivace,
transport
- receptorové bílkoviny
-komplex hormon-receptor spouští - přenos signálu
(analogický s živočišnými hormony)
-Hormonální gradienty
Odlišnosti
-méně specializované
-vzájemné interakce
Fytohormony- aneb když se zblázní hormony
wt
Aux ins
Zdroj:
http://www.ueb.cas.cz/cs/content/kdyz-sezblazni-hormony
Auxiny
Název z řeckého auxein = růst, zvětšovat se
Auxiny
Objev auxinu
Pol.30. let 20.stol
Auxiny
Biosyntéza –tryptofan dependentní
Brassicacea
Procaryonta
Poaceae
z indol-3-glycerolfosfátu
Schéma biosyntézy a konjugace auxinu
konjugáthydrolasa
IAA-X
biologicky neaktivní
IAA
+
X
biologicky aktivní
konjugátsynthasa
Donor X: UDP-Glc, UDP-Gal, myo-inositol, Asp, Ala, Glu
Konjugace (reverzibilní) s aminokyselinami, estery,amidy,cukry,
glukan, glykoproteiny
Konjugáty IAA v rostlinách:
Lokalizace:
rostliny, semena
Funkce:
zásobní
ochranná
transportní
„detoxikační“
Auxiny
Degradace a inaktivace IAA
1a,1b = decarboxylace
2a,2b = oxidace
Degradace - světlo
(zvláště UV)
Typy transportu růstových látek rostlin
… od celé rostliny až po buňku …
 Transport na dlouhou vzdálenost
 Transport na krátkou vzdálenost
Vodivými pletivy
Z buňky do buňky
Nepolární
Polární
Pasivní
Aktivní
Auxiny
transport
Pasivní- vodivými pletivy (floém i xylém) - nepolární
Transport z buňky do buňky
cell to cell- polární-aktivní
Auxiny
transport
IAA slabá kyselina pKa=4.5
Chemiosmotický model
Auxiny
Transport PIN
Vieten et al. 2007
Chemiosmotický model
transport
Auxiny
Inhibitory auxinového transportu
COOH
COOH
I
C
I
I
H
N
O
Kyselina 2,3,5trijodbenzoová (TIBA)
Kyselina 1-N-naftylftalamová
(NPA)
(„fytotropin“ ?)
OH
O
HO
COOH
OH
C
OH
OH
O
O
kvercetin
(nativní flavonoid)
Kyselina 1-pyrenoylbenzoová
(PBA)
(„fytotropin“ ?)
Auxiny
transport
Pin 1 protein
Auxiny
transport
V kořeni transport
akropetální ve stélé,
stimulace pericyklu k
tvorbě postranních
kořenů
PIN1 až 8
Friml,Benková 2002,2003, Friml Živa 1/2007
Auxiny
Květní pupen
transport
embryo
control
Brefeldin A 2h vymývání
(BFA)
hypokotyl
+cytochal. D
Vrcholový meristém
+ TIBA
fototropismus
Kořenová špička
gravitropismus
Taiz,Zeiger
Postranní kořen
Aktivita syntetického promotoru DR5
Friml,Benková 2002,2003, Friml Živa 1/2007
Auxiny
transport
Foto: Umístění bílkoviny PIN5 (zeleně) v
buňkách tabáku. Snímek Petr Skůpa.
Zdroj: http://www.ueb.cas.cz
Sieberer T. , Leyser O.
Science 312, 2006
Schéma struktur a procesů, podílejících se na
transportu auxinů do buňky a z buňky
20%
IAA
80%
IAA- + H+
pH 5,5
Pasivní difuze
AUX1
pH 7,0
IAA-
+
H
„aniontová“ past
MDR
IAA-
„IAA-influx(uptake)-carrier“
„IAA-efflux-carriers“
+
H -ATPasa
PIN
IAA-
Podle E.Zažímalové
Auxiny
Schéma tzv. kyselého růstu
indukovaného auxinem
Auxiny
Signalizace v buňce
ARF –faktorAux/IAA
represory
Aux REs
element
TGTCTC,
GAGACA,
TIR1-receptor
v jádře
Early genes 5-60 min
Late genes 2-4 h
Paciorek T., Friml J., Journal
of Cell Science, 2006
Auxiny
a
Ohyby stonku- fototropismus- růst za světlem
b
Fotoreceptor fototropin-( flavoprotein) absorbovaná vlnová délka 420-480 nm (modré)
Reakce hypokotylu Arabidopsis
na změnu gravitačního stimulu
a transport auxinu
Transport auxinu nepolárně floemem,
aktivním polární transport z buňky do
buňky- basipetální .
Detekce
auxinu
DR5
fuzovaný
s reportérovým genem GUS; modré
zbarvení pletiva.
Asymetrická
redistribuce
auxinu
laterální transport auxinu (PIN3)
Podle Zažímalové
Auxiny
Tropismy- gravitropismus
Opilé kořeny
Foto Jan Petrášek
Zdroj:http://www.ueb.cas.cz/cs/content/opile-koreny
Auxiny
Citlivost pletiv na auxin
Kořen je mnohem
citlivější než stonek
Auxiny
Biologické účinky
Na orgánové a meziorgánové úrovni.
- apikální dominance
-stimulace rhizogeneze (zakořeňování)
- indukce tvorby etylénu
-zrání plodů-vývoj embrya (partenokarpie)
-tropismy–ohyby stonku a kořene (foto-, gravi-), thigmotropismus
Auxiny
Apikální dominance a polarita
Auxin z vrcholu stonku působí jako sink
pro cytokininy syntetizované v kořeni a
pro živiny
V dormantních postranních pupenech
intaktní rostliny ABA, po dekapitaci
obsah klesá.
Polarita rostliny
Auxiny
Iniciace tvorby postranních a adventivních
kořenů (pericykl)
PIN2
PIN1
PIN2
PIN1
Auxiny
Tvorba plodů
Vývoj plodůpyl,endosperm a
embryo
Partenokarpiebezsemenné plody
Biologické účinky-shrnutí
Auxiny
Na buněčné a tkáňové úrovni:
-podpora buněčného dělení (regulace buněčného cyklu)
-iniciace prodlužování buněk (elongace)
- polarita buněk
-diferenciace cévních svazků (vodivých pletiv)
Auxiny
Diferenciace cévních svazků
Auxin inhibuje endocytosu
Auxin moduluje svůj vlastní
transport
„kanalizační“ hypotéza
Auxin stimuluje diferenciaci vodivých pletiv v prokambiu
bezprostředně pod rostoucím pupenem.
Auxiny
Praktické využití
-zakořeňování řízků při vegetativním rozmnožování (růstové
stimulátory) (NAA,IBA)
-podpora kvetení u ananasu
-prevence opadu listů a plodů nebo probírka plodů
-použití jako herbicidy (2,4-D,MCPA-2-methyl-4chlorfenoxyoctová,2,4,5-T-2,4,5-trichlorfenoxyoctová) proti
dvouděložným plevelům v kukuřici a ostatních obilovinách,
pampeliškám a sedmikrásám v trávnících
jednoděložné rychleji inaktivují syntetické auxiny konjugací
-spolu s cytokininy základní komponenty pro tkáňové kultury
Cytokininy
-Haberlandt 1913, dělení pletiva bramborové
hlízy.
-Rozvoj tkáňových kultur 30.léta 20.století
kokosové mléko
-F.Skoog (1950)-autoklávovaná DNA z rybího
spermatu, pozitivní vliv na dělení buněk in
vitro. Aktivní látka- kinetin, derivát adeninu.
Braun (1958) kalusové kultury
Zeatin-extrakt z nevyvinutého endospermu
kukuřice (D.S.Letham Austrálie) trans a cis
forma
v rostlinách a bakteriích.
Cytokininy
Cytokininový
mutant (dvojitý)
Foto Silvia
Gajdošová, Ústav
experimentální
botaniky AV ČR
Přirozený cytokinin
Cytokininy
konjugace
Cytokininy
Aromatické cytokininy
O-hydroxy BAP (o-topolin)
m-hydroxybenzyladenin
Deriváty BAP
Aromatické deriváty
močoviny a
thiomočoviny
Cytokininy
Syntéza v kořenech
Transport xylémem a floémem
Embrya, pupeny,semena
vázané na tRNA např
pro tyrosin,serin
v bakteriích, řasách, meších,kapradinách, koniferách.
Cytokininy
biosyntéza
Cytokininy
Degradace, deaktivace
Inaktivace
irreverzibilní
pomocí oxidáz
cytokininoxidasa/de
hydrogenasa (CKX)
(adenin)
Glukosidy –
považovány za
zásobní formu
reversibilní
Cytokininy
transport
Transport cytokininů:
v kořenech i ve stoncích není výrazně polární,
probíhá floémem i xylémem, ve směru z kořene do nadzemní části
(pravděpodobně ovlivňován auxiny),
pravděpodobně pasivní.
Příjem cytokininů buňkami:
rozhoduje molekulární forma cytokininových molekul (za daného pH):
lipofilní baze – procházejí membránami, ostatní deriváty mohou „potřebovat“
přenašeč;
v buňce vytvořené hydrofilní glykosidy, ribosidy a ribotidy jsou tam
akumulovány.
Cytokininy
Volné base:
Ribosidy:
O-glykosidy:
Formy- funkce
pravděpodobně aktivní forma
transportní forma
zásobní forma (nedegradovány), vysoká aktivita (?)
N-7,9-glukosidy, konjugáty s alaninem: "detoxifikační" forma, nízká aktivita,
zdroj volných cytokininů v pletivech transformovaných Agrobacteriem
rhizogenes (gen rolC - kóduje specifické -glukosidasy)
N-3-glukosidy:
glukosidů)
???, relativně vysoká aktivita,
(Zea mays: c-DNA, gen Zm-p60.1 kóduje glukosidasy O- a N-3-
Dihydrozeatin: ochranná funkce, nedegradován CKX
Cytokininy
Změna apikální
dominance.
Buněčné dělení
Cytokininy
Biologické účinky cytokininů:
při optimální koncentraci auxinů
stimulují buněčné dělení (Horgan, 1984).
Stimulace diferenciace plastidů a tvorby chlorofylu
Stimulace tvorby škrobu
Regulace apoptosy (??)
Iniciace tvorby semen
Zpomalení senescence pletiv a orgánů
Potlačení dominance apikálního pupene ( stimulace větvení stonků a
odnožování rostlin)
Zvýšení resistence rostlin vůči stresu (vysoká teplota, zasolení a
zaplavení kořenů apod.)
Frank and Schmülling, 1999
Cytokininy
Agrobacterium-transformace
Cytokininy
Oddálení stárnutí listů
Cytokininy
Chloroplasty, thylakoidy
Aplikace cytokininů před osvětlením-větší grana,intenzivnější syntéza
chlorofylu a fotosyntetických enzymů (patrně součást přenosu
Proplastidy-etioplasty-prolamelární tělísko
Tvorba thylakoidů ve tmě po
aplikaci cytokininů
Cytokininy
petunie
Prodloužení vegetativní fáze růstu
tabák
Cytokininy
Model signální kaskády (pro cytokininový signál aj.) v Arabidopsis
fosfatáza
Transkripční faktor
Podle Zažímalové
Cytokininy
Praktické využití
-regulace dělení buněk v tkáňových a buněčných kulturách –
tkáňové kultury, regenerace in vitro
-transformace rostlin (ipt geny, geny pro cytokininoxidázu)
-stimulace větvení- zvýšení tvorby květů-chryzantémy,
semen-řepka olejná,
produkce řízků matečnou rostlinou-Poinsettia sp., Gerbera sp.
-obiloviny-zvýšení odnožování, zvýšení počtu zrn v klasu (zvýšený
příjem N), zvýšení produkce biomasy
-prodloužení trvanlivosti řezaných květin
Gibereliny
Terpeny s 19 nebo 20 atomy C
110-120 sloučenin
Gibereliny
Objev giberelinu
Houba Gibberella fujikuroi, choroba rýže (Oryza
sativa)
(bakanae)
urychluje dlouživý růst, etiolizace, poléhání,
eliminace tvorby zrn
Gibberellin A, B (30. léta 20. století)
Takahashi- 1955- A1, A2, A3
kyselina giberelová = GA3
1958 MacMillan (UK) A1 semena fazolu Phaseolus
coccineus
Gibereliny
biosyntéza
odvozeny od ent-kaurenu
(ent-giberelanový skelet)
Gibereliny
syntéza a transport
Syntéza v místech aktivního růstu, mladé
rostoucí orgány 10-9 M, nezralá semena
10-6 M, kořeny
Trasport xylémem i floémem
Vnější signály-světlo,
fotoperioda, teplota
-Inhibitory giberellinů Paclobutrazol,Tetcyclasis,Uniconazole
Gibereliny
roztažnost
buněčné stěny
Enzym xyloglukan
endotransglykoláza
(XLE)
Dlouživý růst
Gibereliny-
srovnání účinku s auxinem
Gibereliny
Klíčení obilky
Giberelin GA-zdrojem
embryo (uvolnění vázaných
forem)
Transport do aleuronové vrstvy
Produkce -amylázy
Hydrolýza škrobu v endospermu
Několik hodin
Gibereliny Přenos signálu
aleuronové vrstvě
aneb co se děje v
-Receptor na plasmatické
membráně
-heterotrimerní G protein
cGMP ?
bez Ca2+
Ca2+záv.
přenos
signálu
+calmodulin
GAI represor,
GA-MYB gen a protein
-amyláza (ER,Golgiho aparát-sekrece)
Gibereliny
Funkce v rostlině
-prodlužovací růst stonku
-buněčné dělení v subapikální části stonku
-přechod z vegetattivní do reproduktivní fáze
-determinace
pohlaví
-vývoj pylu a pylové láčky
-nasazení plodů a parthenokarpie
-vývoj a klíčení semen
Gibereliny
Praktické využití
-výroba sladu-klíčení ječmene- pivovarnictví
-stimulace růstu plodů- produkce cukru- cukrovarnictví
-úprava morfologie plodu (hroznové víno, jablka,hrušky)
-zkrácení juvenilní periody u konifer
-zkácení vegetační doby u dvouletých rostlin
Inhibitory giberelinů- antigigereliny
-proti nežádoucímu prodlužování v okrasném zahradnictví
-trávníkové koberce , proti poléhání,
úprava struktury parkových porostů
Kyselina abscisová (ABA)
Kyselina abscisová
Historie objevu
50. léta –studium dormance semen a
pupenů –papírová chromatografie,
biotesty-koleoptile ovsa –inhibiční
látkyBennet-Clark, Kefford-1953
-abscise plodů bavlníku –abscisin IIpřes etylén
1963 (Ohkuma et al)
-dormance pupenů smokvoně (druh
javoru)- dormin
-potvrzena identita –kyselina
abscisová (ABA)
při studiu auxinu (Thomas Bennett-Clark, Ned Kefford)
Kyselina abscisová
biosyntéza
2 možné cesty: - přímá (z
farnesyldifosfátu)
nepřímá (přes tetraterpeny
-karoten a violaxanthin)
Mutanty: vp –viviparie
(kukuřice)
flacca (flc),sitiens (sit) –
vadnoucí, aba Arabidopsis
-
Kyselina abscisová
Finkelstein, R. The Arabidopsis book
Syntéza, kompartmentace
Kyselina abscisová
Oxidací-irreverzibilní
Konjugací-reverzibilní
Estery s glukózou
inaktivace
Kyselina abscisová
Fyziologické účinky
Inhibuje růst
Urychluje (neindukuje!) opad listů, vstup do
dormance
Dominantní úloha: regulace uzavírání průduchů
při nedostatku vody
Kyselina abscisová
Rychlý a pomalý efekt
-zavírání průduchů
-zvýšení příjmu vody
kořeny (hydraulické
vodivosti), zvýšení příjmu
iontů
-podpora růstu kořenů, inhibice růstu
nadzemní části
Kyselina abscisová
Rychlý efekt
Kyselina abscisová
Zavírání průduchů
Kyselina abscisová
funkce průduchů
Mechanismus zavírání
průduchů
Kyselina abscisová
Zavírání průduchů
-snížení turgoru svěracích buněk výtokem
K+ a aniontů z buňky
-depolarizace membrány a zvýšení
koncentrace vápníku v cytosolu + uvolnění
vápníku z vakuoly (50-350nM-1.1M)
-alkalizace cytosolu (pH 7.67 na pH 7.94)
a dlouhodobá depolarizace membrány
-inhibice H+-ATPázy plasmatické membrány
Kyselina abscisová Transport ABA, vliv pH
Kyselina abscisová
Pomalý efekt
-indukce a udržování dormance semen a pupenů,
bramborových hlíz
-podporuje toleranci embrya k vysušení-embryogeneze a zrání
semen
LEA (late-embryogenesis-abundant) proteiny-hydrofilní
RAB (responsive to ABA) a DHN (dehydrin) proteiny –stabilizace
buněčných komponent
-inhibuje předčasné klíčení a viviparii
-tvorba zásobních proteinů během embryogeneze
-podpora biosyntézy etylénu-abscise.
-podpora senescence nezávisle na etylénu
Úloha ABA v dozrávání semen
Kyselina abscisová
dormance
Praktické využití:
-omezení transpirace
-podpora dormance
-embryogeneze
Stresová reakce a metabolismus a transport
(Verslues a Zhu 2007)
ABA v rostlině.
ABA a stres
Etylén
Historie objevu
Jediný plynný
fytohormon
svítiplyn (19.stol)- Neljubov
(Cousin-1910)-produkce zrajícím ovocem
1934-R.Gane-chemická identifikace
1959-Burg a Thimann, znovuobjevení, analytika
receptor etylénu-nejlépe prostudovaný
Etylén
biosyntéza
Yangův cyklus
(Adams, Yang 1979)
Autokatalýza
i autoinhibice
na úrovni
ACC synthasy
Etylén
lokalizace
Produkce:
houby,
bakterie,
cyanobakterie,
mechy,
lišejníky,
kapradiny,
vyšší rostlinysenescentní
pletiva, zrající
plod (>1nL.g
č.hm-1 h-1 )
Volná difúze
intercelulárními
prostory
Etylén
Trojí (triple) efekt
Triple response
1.inhibice dlouživého růstu
2. podpora radiálního růstu
3. ztráta
gravitropické
orientace
Etylén
Epinastie
Etylén Zrání plodů
klimakterické
rajčata
jablka
hrušky
broskve
olivy
mango
avokádo
zrající plod (>1nL.g č.hm-1 h-1
neklimakterické
třešně
jahody
ananas
citrusy
víno
Degradace oxidací až na CO2
KMnO4Absorpce etylénu
ve skladovacích
prostorách
Etylén
Senescence a opad listů
Etylén
Funkce v rostlině
Etylén
Funkce v rostlině
-urychluje zrání některých plodů
-epinastie (rychlejší růst horní- adaxiální strany petioly listuzaplavení, anaerobní podmínky.
-indukce laterálního prodlužování buněk
-ruší dormanci semen a pupenů některých druhů
-podporuje dlouživý růst submersních vodních druhů
(hydrofobní,nemůže unikat do vody,hromadí se v rostlině
-indukuje růst kořenů a kořenových vlásků
-iniciace kvetení (ananas,mango), u jiných inhibuje, změna pohlaví u dvoudomých
-zvyšuje rychlost senescence
-reguluje opad
Etylén
Praktické využití
-ethephon (Ethrel)-2-chloroethylfosfonová kyselina
-zrání jablek, rajčat
-synchronizace kvetení a zakládání plodů u ananasu
-opad květů a plodů ( bavlník, třešně, ořechy)
-podpora samičích květů okurky
-podpora latelárního růstu, kompaktnost kvetení
Inhibice tvorby etylénu při skladování ovoce, zeleniny a řezaných květin
Nízké teploty, málo O2, rel.vysoká koncentrace CO2 (3-5 %),
Ag+
Souhrn- „Take home message“
• Co je fytohormon?
• Co určuje jeho hladinu v rostlině
(syntéza,konjugace-reverzibilní,
degradace-irreverzibilní, transport)
• Základní skupiny( auxiny, cytokininy,
gibereliny, kyselina abscisová, etylén)
• Biologické funkce
Příště…
• „netradiční fytohormony“
brasinosteroidy, jasmonáty, saliciláty,
Proteiny-systemin, florigen…
Přenos signálu
• Fotomorfogeneze-fytochrom,
fototropin, kryptochrom
Fytohormony
Děkuji za pozornost
Fyziologie rostlin- Fytohormony a transport signálu v rostlině
Marie Hronková