Transcript AMG08
A UGU ATBILDE UZ ABIOTISKO STRESU 1 19.04.2013 2 M ĀCĪBU PLĀNS UN LEKCIJU SARAKSTS Datums 08.02.2013 15.02.2013 22.02.2013 01.03.2013 Lekcijas temats Iepazīšanās, ievadlekcija Augu ģenētikas vēsture. Augi kā ģenētikas modeļorganismi. Augu genomu struktūra un pētīšanas metodes Augu genomu struktūra un evolūcija. Genomu polimorfisms, poliploīdija 08.03.2013 Molekulāro marķieri un to genotipēšanas tehnoloģijas un to pielietojums genoma kartēšanā 15.03.2013 22.03.2013 29.03.2013 05.04.2013 12.04.2013 Kartēšana augos izmantojot eksperimentālas un dabiskas populācijas Lekcija nenotiek Lieldienu brīvdienas Molekulārie marķieri augu selekcijā. Augu - augu patogēnu molekulārā ģenētika un bioloģija Seminārs. Augu genoma struktūra un molekulārie marķieri Augu abiotiskā stresa izturības un hormonālās regulācijas molekulārā ģenētika 19.04.2013 26.04.2013 Lekcija nenotiek (LU Satversmes sapulce) 03.05.2013 Transgēno augu iegūšanas vēsture, metodes un pielietojums fundamentālos pētījumos. Latvijas un ES likumdošana ĢMO kultūraugu līdzāspastāvēšanas un ierobežotas izmantošanas jomās Transgēno augu pielietojums biotehnoloģijā. Ģenētiski modificēti kultūraugi. 10.05.2013 17.05.2013 24.05.2013 Seminārs. Augu abiotiskais un biotiskais stress un ĢMO Lekcija nenotiek Eksāmens 19.04.2013 S TRESS 3 Stress – ārējie faktori, kas negatīvi ietekmē augu Abiotiskais stress – ārējie vides faktori, kas negatīvi ietekmē augus Stresa ietekmi novērtē pēc augu izdzīvošanas spējas, ražības, biomasas akumulācijas, primārās asimilācijas procesiem Stresa tolerance – auga sagatavotība pretoties negatīvai ārējās vides ietekmei Stresa izturība un stresa tolerance – bieži lieto, lai apzīmētu vienu procesu 19.04.2013 4 A KLIMATIZĀCIJA UN ADAPTĀCIJA Aklimatizācija – stresa tolerances pieaugums, ja augs ir iepriekš saskāries ar šo stresu Adaptācija – auga ģenētiski determinēta stresa tolerance, kas radusies ilgstošā dabiskās izlases procesā 19.04.2013 5 L AUKSAIMNIECĪBAS AUGU STRESA TOLERANCE Lauksaimniecības augi lielākoties aug ārpus sava dabiskā areāla, vides apstākļos, kuriem tie nav adaptēti Piemēram, savvaļas kartupeļi veido bumbuļus tikai īsas dienas apstākļos. Kad kartupeļi nonāca Eiropā, tie adaptējās vietējiem apstākļiem un sāka veidot bumbuļus arī garas dienas apstākļos Lauksaimniecības augi aug lielās platībās un tādējādi stresa faktoriem var būt liels efekts uz ražu un tās kvalitāti Lauksaimniecības augiem var būt ļoti zema ūdens izmantošanas efektivitāte (liels transpirētā ūdens daudzums uz 1 g asimilētā CO2) 19.04.2013 A BIOTISKĀ 6 Ūdens deficīts Karstuma stress un karstuma šoks Aukstuma stress un tolerance pret sasalšanu Sāls stress Skābekļa trūkums Minerālvielu trūkums vai pārpilnība Gaismas intensitāte un UV starojums Bieži vien šie stresa veidi dabā tiek kombinēti Gaisa piesārņojums un klimata izmaiņas STRESA VEIDI 19.04.2013 7 S TRESA SIGNĀLCEĻI Signāli par to, ka augs ir pakļauts stresa faktoru iedarbībai var tik saņemti dažādā veidā, piemēram ar plazmas membrānas receptoriem, vai iekššūnas proteīniem Signālu pārneses kaskādes (piemēram, MAP kināzes) novada signālu uz transkripcijas faktoriem kodolā, kas izmaina gēnu ekspresiju Daudzu gēnu ekspresija tiek inducēta, bet citu gēnu ekspresija tiek represēta, kā rezultātā augā notiek izmaiņas metabolismā un fizioloģiskajās atbildēs 19.04.2013 8 http://www.cropscience.org.au/icsc2004/symposia/3/6/1137_lafitte.htm 19.04.2013 9 19.04.2013 10 http://www.annualreviews.org/doi/pdf/10.1146/annurev-arplant-042809-112122 19.04.2013 11 A BSCIZSKĀBE UN ATVĀRSNĪŠU REGULĀCIJA Abscizskābe (ABA) veicina atvārsnīšu aizvēršanos ūdens trūkuma laikā Viens no ABA receptoriem ir RNS saistošs proteīns (Razem et al. (2006) The RNA-binding protein FCA is an abscisic acid receptor. Nature, 439: 290). Bet nav vienīgais... Atvārsnīšu aizvēršanos izraisa slēdzējšūnu turgora samazināšanās, ko rada K+ un anjonu transports no šūnas ABA paaugstina Ca2+ koncentrāciju citoplazmā veicinot tā transportu no ārpusšūnas telpas un vakuolas. Šajā signālceļā ir iesaistīts arī ūdeņraža peroksīds un superoksīds 19.04.2013 12 Song et al. (2008) Relationship between calcium decoding elements and plant abioticstress resistance. Int J Biol Sci, 4: 116 19.04.2013 13 S ĀLS TOLERANCE Samazināta sāls uzņemšana (augsta sāls koncentrācija vidē, zema sāls koncentrācija augā) Sāls tolerance (augsta sāls koncentrācija vidē, augsta sāls koncentrācija augā) 19.04.2013 14 19.04.2013 Rengasamy (2006) World salinization with emphasis on Australia. J Exp Bot, 57: 1017 15 Rengasamy (2006) World salinization with emphasis on Australia. J Exp Bot, 57: 1017 19.04.2013 Biotiskā un abiotiskā stresa signālceļi var būt saistīti 16 http://www.pnas.org/content/102/30/10736/ 19.04.2013 17 G ĒNU EKSPRESIJAS PĒTĪJUMI STRESA IETEKMĒ Gēnu ekspresijas izmaiņas kāda specifiska stresa ietekmē liecina, ka šis gēns un tā sintezētais produkts ir saistīts ar stresa atbildi DNS čipi ļauj vienlaicīgi analizēt (gandrīz) visus organisma gēnus Salīdzinot normālus augus ar stresam pakļautiem augiem iespējams identificēt gēnus, kuru ekspresija izmainās stresa ietekmē Gēni ar samazinātu ekspresiju (represija) un gēni ar paaugstinātu ekspresiju (indukcija) 19.04.2013 K ūdens Sāls Nitrāti Sausums 18 19.04.2013 19 G ĒNU EKSPRESIJAS IZMAIŅAS KOPĪGAS DAŽĀDIEM STRESA VEIDIEM 19.04.2013 20 V IDES SIGNĀLI AUGU ATTĪSTĪBĀ Vides faktori – tas nav tikai stress Vides faktori nosaka auga attīstību, piemēram, ziedēšanas laiku vai augļu nogatavošanās laiku Vernalizācija – aukstuma periods, kuram seko temperatūras paaugstināšanas, veicina ziedēšanu Fotoperiods – auga atbilde uz dienas (gaismas perioda) ilgumu 19.04.2013 21 Vasaras un ziemas labības šķirnes Ziemas augšanas tips – savvaļas tips , kas kalpo kā pielāgojums, lai augi nesāktu augt un ziedēt jau rudenī http://barleygenomics.wsu.edu 19.04.2013 V ERNALIZĀCIJA 22 Vernalization - яровизация – vernalizācija Яровые – vasarāji, озимые – ziemāji Яровизация atbilst vernalizācijai zinātniskā izpratnē, t.i., ziedēšanas veicināšana ziemājos, kuru izraisa dīgstu pakļaušana zemākas temperatūras ietekmei Яровизация ir arī Trofima Lisenko izstrādāta agrotehnika, kas paredzēja, ka gan ziemāju, gan vasarāju sēklas pakļauj zemākai temperatūrai un tikai tad uzbriedušus graudus vai dīgstus pavasarī izsēj laukā. Tā nav labi pamatota zinātniski un tā nav praktiska 19.04.2013 23 Figure 2. The influence of seasonal cues on shoot apex development in the temperate cereals. Varieties that require vernalization are sown in late summer or autumn. The shoot apex develops vegetatively until winter, when vernalization occurs. This promotes inflorescence initiation, which occurs as temperatures increase in spring. Long days in spring promote subsequent stages of reproductive apex development; head emergence occurs in late spring or early summer. 19.04.2013 24 In the temperate cereals, VRN2 represses FT and blocks longday promotion of flowering before winter. VRN2 is not expressed in the short days of winter, when VRN1 is induced by prolonged exposure to cold. After winter, VRN1 expression remains high. This promotes inflorescence initiation and represses VRN2, to allow long-day induction of FT to accelerate reproductive development. When flowering occurs, VRN1 expression is reset to establish the vernalization requirement in the next generation. Trevaskis et al. (2007) TiPS, 12:352 19.04.2013 25 Karsai et al. (2008) Dissecting the regulation mechanisms of flowering in barley: a genetical phenomics approach. Plant GEMs 7, abstract 19.04.2013 26 Yan et al. (2007) The wheat and barley vernalization gene VRN3 is an orthologue of FT. PNAS, 103: 19581 19.04.2013 27 Cockram et al. (2007) Control of flowering time in temperate cereals: genes, domestication, and sustainable productivity. J Exp Bot, 58: 1231 19.04.2013 A UKSĪNA UZTVERE UN SIGNĀLCEĻI 28 19.04.2013 A UKSĪNS 29 Auksīni – savienojumi, kas radniecīgi indola-3etiķskābei, un veicina augu šūnu elongāciju, šūnu dalīšanos, laterālo sakņu veidošanos un etilēna veidošanos, kā arī piedalās stresa atbildēs 19.04.2013 A UKSĪNA SIGNĀLCEĻI 30 Auksīna receptors – TIR1 proteīns, kas ietilpst SCFTIR1 ubikvitīna ligāzes kompleksā Auksīnu saistošie proteīni – ABP proteīni no endoplazmatiskā tīkla un plazmas membrānām, kas spēj saistīt auksīnu un var kalpot kā papildu auksīna receptori Aux/IAA gēni – primārās auksīna atbildes gēni, kas kodē represorus, kuri saista auksīna atbildes faktorus (ARF). Aux/IAA proteīnu noārdīšanu caur ubikvitīna proteolīzes ceļu veicina SCFTIR1 ubikvitīna ligāzes komplekss. Vienlaicīgi Aux/IAA gēni ir vieni no agrīnajiem auksīna inducētajiem gēniem 19.04.2013 A UKSĪNA SIGNĀLCEĻI 31 Auksīna atbildes faktori (ARF) – transkripcijas aktivatori, kuri veicina vēlo auksīna atbildes gēnu ekspresiju Auksīna atbildes elementi (AuxRE) – promotera sekvences, pie kurām saistās ARF 19.04.2013 A UKSĪNA RECEPTORS 32 The Arabidopsis F-box protein TIR1 is an auxin receptor. Kepinski and Leyser, 2005, Science The F-box protein TIR1 is an auxin receptor. Dharmasiri et al., 2005, Science Parāda tiešu dabiskā un sintētisko auksīnu saistību ar TIR1 proteīnu Auksīna saistīšanās ar TIR1 proteīnu veicina Binding of Aux/IAA proteīnu saistīšanu un ubikvitinizāciju 19.04.2013 34 19.04.2013 A UKSĪNA 35 INDUCĒTA ŠŪNU ELONGĀCIJA Auxin binding protein (ABP57) from rice binds H+ATPase in the presence of auxin (Kim et al. 2001, JBC) H+-ATPase tiek aktivēta, vai sintezēta no jauna un veicina protonu plūsmu no šūnas, kas tālāk padara vaļīgāku šūnas sieniņu un dara iespējamu šūnu elongāciju (skābās augšanas hipotēze) 19.04.2013 ABP1 36 UN H+-ATPASE Auxin binding protein ABP1 from maize may bind H+ATPase in the presence of auxin (Barbier-Brygoo, PNAS, 86:1989) Expression of maize plasma membrane H+-ATPase gene is induced by auxin (Frias et al. 1996) Plazmatiskās membrānas H+-ATPase ir apmēram 100 kDa polipeptīds, kas saista ATP un katalizē H+ transportu ārā no šūnas 19.04.2013 P ROTONU 37 PUMPJI F-tipa H+-ATPase – atrodas mitohondriju un tilakoīdu membrānās, sastāv no vairākām subvienībām, izmanto protonu pārnesi caur membrānām, lai sintezētu ATP P-tipa H+-ATPase – atrodas plazmatiskajā membrānā, apmēram 100 kDa polipeptīds, kas saista un šķeļ ATP un katalizē H+ transportu no šūnas, šī enzīma aktivācija ir viena no agrīnākajām auksīna atbildēm, kuras rezultātā notiek šūnas sienas paskābināšanās un ekspansīnu aktivācija 19.04.2013 A UKSĪNA 39 INDUCĒTA ŠŪNU ELONGĀCIJA Auxin-dependent cell expansion mediated by overexpressed Auxin-Binding Protein 1 (Jones et al., 1998, Science) The role of auxin-binding protein 1 in the expansion of tobacco leaf cells (Chen et al., 2001, Plant J) Conditional repression of AUXIN BINDING PROTEIN 1 reveals that it coordinates cell division and cell expansion during postembryoninc shoot development in Arabidopsis and Tobacco (Braun et al., 2008, Plant Cell) 19.04.2013 40 A UKSĪNA INDUCĒTA ŠŪNU ELONGĀCIJA Zems auksīna līmenis ir saistīts ar šūnu elongāciju, bet paaugstināts ar šūnu dalīšanos Braun et al., 2008 19.04.2013 42 A UKSĪNA SIGNĀLU PĀRNESES CEĻI SCFTIR1 komplekss ar auksīnu un Aux/IAA Ubikvitīna atkarīgā Aux/IAA degradācija ARF aktivācija un vēlo auksīna atbildes gēnu aktivācija ??? ABP1 komplekss ar auksīnu ABP1 + auksīns + H+-ATPase Auksīna koncentrācijas atkarīga šūnu elongācija/dalīšanās u.c. fizioloģiskie efekti 19.04.2013 43 A UKSĪNA BIOSINTĒZE UN TRANSPORTS 19.04.2013 44 L APAS MALAS VEIDOŠANĀS MORFOLOĢIJA Bilsborough et al. (2011) Model for the regulation of Arabidopsis thaliana leaf margin development. PNAS 108: 3424 19.04.2013