4) Interakce auxinů a světla ve vývoji a růstu rostlin

Transkript

1 SFR ) Interakce auxinů a světla ve vývoji a růstu rostlin Martin Fellner Laboratoř růstových regulátorů PřF UP v Olomouci a ÚEB AVČR

2 2 Vývoj organismu regulují signály (faktory) Vnitřní Vnější genetická info metabolismus hormony světlo teplota vlhkost plyny gravitace

3 3 Arabidopsis koleoptile Rajče mezokotyl Kukuřice kořeny

4 4 Ve 30.letech byl izolován auxin a bylo ukázáno, že stimuluje růst. Úhel zakřivení je úměrný množství auxinu v bloku Akumulace auxinu ze špiček koleoptile do agarových bloků...a ukázal, že materiál akumulovaný v agarových blocích je látka, která stimuluje růst. Indole-3-acetic acid, IAA Tento experiment ukazující stimulaci růstu auxinem byl použit jako základ pro purifikaci auxinu American Society of Plant Biologists Redrawn from Went, F.W. (1935) Auxin, the plant growth-hormone. Bot. Rev. 1:

5 5 Růst ve tmě (etiolizovaný růst, skotomorfogeneze) Skoto = tma

6 6 Auxin Světlo Prodlužování buněk? Prodlužování buněk inhibováno Růst Růst

7 7 Auxinem indukované prodlužování během fototropismu ~ 180 minut Auxinový gradient Zakřivení koleoptile Auxin stimuluje expanzi buněk na zastíněné straně koleoptile => zakřivení koleoptile

8 8 Úrovně interakce světla a auxinů Hladina hormonů Transport hormonů Fotoreceptory Receptor Transport hormonů Jiné mechanizmy Mezičlánky Finální reakce Prodlužování

9 A. Světlem indukovaná kontrola růstu regulací hladiny endogenního auxinu [ IAA] (pmol.g -1 FW) D BL RL WL Změny hladiny auxinu IAA v mezokotylech kukuřice v závislosti na hybridu a světelných podmínkách léta 60. léta 90. léta Mezokotyl Citlivost ke světlu Úhel listů

10 10 Tabák: mutanti pew1 a pew2 defekt v syntéze chromoforu Arabidopsis: mutant red1 - defekt v enzymu CYP83B1 (P450 monooxygenáza hydroxyluje IAOX) RL Indol glukosinoláty Snížená citlivost ke světlu [IAA] Kraepiel Y et al. (1995) Planta 197: CYP83B1 N-hydroxylation Trp IAOx IAA Indole-3-acetaloxime Prodlužování Hoecker U et al. (2004) Planta (2004) 219:

11 Obecný princip: více světla => méně auxinů => slabší růst 11 Normální R:FR = 1,2 Shade avoidance = reakce rostlin k zastínění R FR R:FR = 1,2 phya, phyb, CRY1 R:FR = 0,8 [Auxin] [Auxin] Prodlužování Prodlužování

12 B. Prodlužovací růst jako důsledek světlem regulovaného transportu auxinů 12 Kukuřice Prodlužování kukuřičné koleoptile je inhibováno zvyšující intenzitou RL. Red Dark RL snižuje akumulaci radioaktivního auxinu v mezokotylu kukuřice. Jones AM et al. (1991) Plant Physiol. 97: Bohn-Courseau I (2010) RL a FR redukují polární transport auxinu v mezokotylech kukuřice. Fellner M et al. (2003) Planta 216:

13 13 Arabidopsis 1) Etiolizované hypokotyly jsou necitlivé k NPA; de-etiolizované hypokotyly jsou citlivé k NPA. 2) Účinek NPA je snížen u rostlin s defektem ve vnímání světla (rostliny s mutací ve fotoreceptorech). Jensen PJ et al. (1998) Planta 116: Fotoreceptory kontrolovaná inhibice růstu hypokotylu zahrnuje regulací polárního transportu.

14 14 Mutace ve phya a phyb vede k zesílené expresi PIN3 a PIN7 Overexprese phya a B vede k redukci exprese PIN3 a PIN7 phya, phyb Devlin et al. (2003) Plant Physiol 133: Exprese PIN3, PIN7 Proces de-etiolizace je spojen s redukcí polárního transportu auxinu. Tím dochází k redukci auxinemindukovaného prodlužování. Transport auxinu Redukce polárního transportu auxinu světlem je zprostředkována fytochromy. Prodlužování

15 Auxinové transportéry ABCB 15 Transport auxinů je regulován také pomocí ABCB proteinů (ABC = ATP-Binding Cassete; transmembránové glykoproteinové transportéry; dříve PGP nebo MDR proteiny) Overexprese ABCB1 => prodloužení hypokotylu Knockout ABCB1 => zkrácení hypokotylu Geissler M et al. (2005) Plant J 44: Knockout abcb1 mutanti mají silně inhibovaný růst na světle. Lin R and Wang H (2005) Plant Physiol 138: Exprese ABCB1 je redukována světlem.

16 16 Exprese ProDR5:GUS abcb19 mutant ABCB19-overexpressed CRY1 phyb ABCB19 [Auxin] [IAA] [IAA] Růst hypokotylu Růst hypokotylu Wu et al. (2010) Plant Journal 62:

17 17 Ale! Světlo zesiluje polární transport auxinů v hypokotylu Arabidopsis blokací COP1, který je negativním regulátorem auxinového transportéru PIN1. Výsledky vysvětlují stimulaci růstu kořene na světle a inhibici růstu kořene v tmě. Data jsou však v rozporu se staršími výsledky ukazujícími, že světlo inhibuje polární transport auxinu. Nutné další výzkumy mechanizmu polárního transportu auxinů Sassi M et al. (2012) Development 139:

18 18 C. Signální elementy společné pro signální dráhy světla a auxinů 1) Společné geny regulované auxinem a světlem Primární geny pro růst a vývoj GH3 exprese stimulovaná auxinem během 5 minut; geny fungují v IAA konjugaci; exprese GH3 odráží množství endogenního auxinu Aux/IAA exprese stimulovaná auxinem během 6 60 minut; vzniklý protein žije asi 7 minut. SAUR exprese stimulovaná auxinem během 2 5 minut; exprese nevyžaduje syntézu nových proteinů; geny neobsahují introny, kódují velmi podobné peptidy neznámé funkce.

19 GH3 podobné geny 19 FIN219 rychle indukován auxinem; fin219 dlouhý hypokotyl na FR FR fenotyp FR phya WT cop1 fin219 cop1fin219 [FIN219] cop1 COP1 Dark fenotyp Hsieh H-L et al. (2000) Genes and Development 14: HY5 Světlo Tma Tma

20 20 WES1 kóduje auxin-konjugační enzym (inaktivuje auxiny) a tím redukuje prodlužování hypokotylu regulované phyb Světlo WES-over-expressing mutant wes1-d hypersensitivní ke světlu phyb Exprese WES1 je up-regulována ve phyb mutantu. WES1 [Auxin] Prodlužování Park J-E et al. (2007) Plant Cell Physiol. 48(8):

21 21 Aux/IAA geny Exprese Aux/IAA genů je stimulována auxinem, ale inhibována světlem. Světlo Auxin OsIAA Prodlužování Aplikace 30 µm IAA. Thakur JK et al. (2001) DNA Res 8: SAUR geny Velice málo informací

22 2) Elementy signální dráhy sdílené auxiny a světlem 22 TIR1 systém Ub UbUb 26S Proteasome A TIR1 auxin F-box podjednotka E3-ubiquitin ligázy; auxinový receptor represor transkripce auxinem-indukovaných genů A TIR1 ASK1 Ub Ub CUL1 Ub E2 RBX1 E1 Ub E1 Ub ARF transkripční faktor (aktivátor exprese genů) Auxinem-indukované geny obsahují AuxRE = auxin responsivní element Podobné mechanizmy pro F-box proteiny: TIR1 A TIR1 A A TIR1 A A A A A A COP1 CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOG. 1 COI CORONATINE INSENSITVE 1 ARF AuxRE Auxin inducible gene de-repression ARF AuxRE e.g. AUX/IAA, SAUR, GH3, etc. ZTL ZEITLUPE, etc. [Auxin] Plant development

23 23 Mechanizmus kontroly aktivity Aux/IAA světlem není zcela znám. Světlo phya, phyb Transkripce SHY2/IAA3 1) Světlo phya Fosforylace Aux/IAA Colon-Carmona A et al. (2000) Plant Physiology124: ) SHY2/IAA3 + phyb Tian Q et al. (2003) Plant Journal 36: Fytochromy ovlivňují expresi Aux/IAA.

24 Transkripční faktor HY5 Světlo 24 phya, phyb HY5 AUX/IAA HY5 se váže k promotorům genů AUX/IAA a ARF Auxinová signalizace hy5 nízká exprese genů AUX/IAA Sellaro et al. (2011) Plant J 68: Prodlužování hypokotylu

25 25 Transkripční faktor ATHB2 Exprese ATHB-2 je indukována nízkým R:FR (zastíněním) prostřednictvím phyb a phye. Rostliny OE-ATHB2 = phy mutanti: Carabelli M et al. (1993) Plant J 4: Antisense rostliny athb-2: ATHB-2 Tvorba laterálních kořenů je indukovaná auxinem Exprese ATHB2 indukovaná nízkým R:FR vede k redukci polárního transportu auxinů a k redukci exprese auxinem-indukovaných genů. ATHB-2 je spojujícím elementem signální dráhy světla a auxinů

26 26 Transkripční faktory PIF4, PIF5 Pozitivní regulátory shade-avoidance reakce => jsou exprimovány při nízkém R/FR (= zastínění) Geny YUCCA pozitivní regulátory syntézy auxinů Syntéza auxinů Promotor YUCCA8 Nízký R/FR (= stín) PIF5 PIF4 Syntéza auxinů Promotor YUCCA8 Prodlužování Hornitschek P et al. (1993) Plant J 71:

27 27 Transkripční faktor PIF7 Li L et al. (2012) Genes Dev 26: Při nízkém R/FR (= stín) se defosforylovaný PIF7 váže na G-box genů YUCCA8 a YUCCA9 zapojených v syntéze auxinů a indukuje jejich expresi. Zvýšená syntéza auxinů pak vede k prodlužování rostliny.

28 28 Transkripční faktor REVEILLE 1 (RVE1) Rawat R et al. (2009) PNAS 106: Světlo RVE1 YUCCA8 [Auxin] Prodlužování

29 29 ABP systém Jones AM et al. (1991) Plant Physiol 97: ABP1 Expanze buněk Prodlužování Růst ve tmě Růst na světle Exprese ABP1: Im KH et al. (1991) Maydica 45:

30 30 Světlo reguluje expresi genů a/nebo proteinu ABP1 a ABP4 v kukuřici BL inhibuje expresi ABP1 v koleoptiĺe starého hybridu kukuřice 307. BL redukuje množství ABP1 proteinu v mezokotylu starého hybridu kukuřice 307. R e l a tiv n í e x p r e s e g e n u A B P 1 (1 8 S ) 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 D dark blue BLlight Hybrid Hybrid Dark BL Čudejková M et al. (2012) Current Topics in Plant Biology 13: R a FR stimulují expresi ABP4 v mezokotylu starého hybridu kukuřice 307. Exprese ABP4 není indukována světlem v moderním hybridu Fellner M et al. (2006) Plant Signaling and Behavior 1:

31 Pěkné Vánoce

32 32 Bílé světlo redukuje expresi genu pro fytochrom B. Exprese je závislá na funkčnosti genů ABP1 a ABP4. Auxin inhibuje expresi PHYB v etiolizovaných rostlinách, a to prostřednictvím ABP1 a ABP4 Model - Auxin: Exprese PHYB De-etiolizace (= inhibice růstu) + Auxin: Exprese PHYB Etiolizace (= stimulace růstu) Bořucká J, Fellner M (2012) Plant Growth Regulation 68:

33 33 Update 2013 Effendi Y et al. (2013) J Exp Botany 64: ABP1 stimuluje aktivitu phyb. Aktivní phyb potlačuje expresi genů zapojených v prodlužování.

34 34 Bohn-Courseau I (2010) C. R. Biologies 333: Rychlá auxinem-indukovaná inhibice endocytózy membránových proteinů Plazma membrána Endozom PIN1 Auxin PIN1 Paciorek T et al. (2005) Nature 435:

35 35 Robert S et al. (2010) Cell 143: Endocytóza PIN1 je nezávislá na TIR1, ale vyžaduje ABP1. ABP1 stimuluje endocytózu PIN1 proteinů závislou na proteinu clathrinu. Negativní účinek auxinu na internalizaci PIN1 proteinů je zprostředkován ABP1. + ABP1 Sauer M, Kleine-Vehn J (2011) Plant Cell 23: Hypotéza: Světlo může inhibovat polární transport auxinů (tedy v důsledku růst) tím, že inhibuje množství receptoru ABP1.