Signalizace u rostlin II

Transkript

1 Fyziologie rostlin, LS 2013 Přednáška 7 Signalizace u rostlin II Další fytohormony, spolupráce fytohormonů; pohyby rostlin Jan Petrášek, PřFUK

2 Gibereliny historie objevu a chemická struktura 30. léta 20. století Kurosawa Japonsko, choroba rýže vyvolaná houbou Gibberella fujikuroi (Fusarium moniliforme v imperfektním stadiu), vyvolává dlouživý růst a následné poléhání rostlin 50. léta 20. století kyselina giberelová (GA 3 ) identifikována v extraktu z houby a následně nalezena též ve vyšších rostlinách Dnes známo okolo 130 různých forem giberelinů Jsou to tetracyklické diterpeny, slabé organické kyseliny, základem tetracyklický ent-giberelanový skelet Dělení podle počtu atomů uhlíku na gibereliny C 19 a C 20, řazení dle čísel podle posloupnosti objevů.

3 Gibereliny historie objevu a chemická struktura První objevené a současně nejaktivnější jsou gibereliny G 19 - GA 1, GA 3, GA 4 a GA 7. Aktivita ovlivněna přítomností karboxylových skupin v poloze 7 a 19 a přítomností hydroxylových skupin

4 Gibereliny biosyntéza a metabolismus Biosyntetická dráha terpenů je společná více hormonům. U vyšších rostlin probíhá: - V chloroplastech a proplastidech - isopentenyldifosfát IPP tvořen z glyceraldehyd- 3-fosfátu - V cytosolu - isopentenyldifosfát IPP tvořen z acetátu. Biosyntéza probíhá v mladých semenech, pupenech a vyvíjejících se plodech. Odtud transport floémem. Fig : Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

5 Gibereliny biosyntéza a metabolismus Fáze 1 v plastidech: Až po ent-kauren. Enzymy: ent-copalyldifosfát syntáza (CPS) a ent-kaurensyntáza (KS). Fáze 2 v ER: Od ent-kaurenu až po aldehyd GA 12. Enzymy: ent-kaurenoxidáza (KO) a oxidáza entkaurenové kyseliny (KAO). Enzymy tohoto kroku jsou monooxygenázy využívající cytochrom P450. Mohou být inhibovány triazolovými sloučeninami jako je paclobutrazol GA inhibitor. Fáze 3 v cytoplazmě: Vzájemné přeměny a inaktivace giberelinů. Jsou pod vývojovou kontrolou (světlo, teplo). Enzymy GA20 oxidázy a 3β-hydroxylázy. Inaktivace nejčastěji hydroxylací v poloze 2. či reverzibilní konjugací s cukry Taiz, Zeiger, Plant Physiology online

6 Gibereliny fyziologické účinky Stimulace prodlužovacího růstu stonku spojen zřejmě s okyselením buněčné stěny auxiny a aktivitou hydroláz. Samotné gibereliny okyselení nezpůsobují. Též podpořeno buněčné dělení v meristémech. Elongace listové pochvy u zakrslých semenáčků rýže po aplikaci GA 3 Elongace stonku u trpasličího semenáčku hrachu po aplikaci GA 3 Kontrola 100 pg GA 3 1 ng GA 3 Kontrola GA 3 Figs , 17.7.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

7 Elongace stonků obilovin v zemědělství One of the most significant accomplishments of 20 th century science was the development of semi-dwarf grain varieties which are deficient in GA synthesis or response Distinguished plant breeder and Nobel Laureate Norman Borlaug Photos courtesy of S. Harrison, LSU Ag center and The World Food Prize.

8 Tkáňově-specifické ovlivnění inaktivace giberelinů určuje výnos obilovin ACT PRO ::GA2OX Zvýšení inaktivace giberelinů v celé rostlině vede ke snížení produkce zrna GA3OX PRO ::GA2OX Zvýšení inaktivace giberelinů pouze v internodiích vede k dobré produkci zrna v zakrslých rostlinách Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: Nature Biotechnology. Hedden, P. (2003) Constructing dwarf rice. Nature Biotech. 21: , copyright 2003.

9 Gibereliny fyziologické účinky Též aplikace inhibitorů cytochrom P450 monooxygenáz sníží množství giberelinů v rostlině a způsobí cílenou zakrslost, praktické využití v zemědělství Poinssetia (vánoční hvězda) Kontrola Paclobutrazol

10 Gibereliny fyziologické účinky Stimulace kvetení navození kvetení v jinak neinduktivních podmínkách. Gibereliny jsou nezbytné při stimulaci kvetení u mrkve schopné kvést pouze v chladu tj. takové požadující tzv. jarovizaci. Chlad zde indukuje tvorbu giberelinů. -GA, bez chladu +GA, bez chladu -GA, v chladu Fig : Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

11 Gibereliny fyziologické účinky Pro indukci kvetení existují 4 vzájemně propojené dráhy indukované těmito 4 stimuly: Fotoperioda přes transportovatelný FT protein Počet listů a nízká teplota - přes represi transkr. faktoru FLC Sacharóza přes aktivaci transkr. faktoru SOC1 Gibereliny - přes aktivaci SOC1, jejich konverze na aktivní formy též pod kontrolou fotoperiody Taiz, Zeiger, Plant Physiology online

12 Gibereliny fyziologické účinky Stimulace klíčení semene gibereliny nahromaděny v embryu vyvíjejícího se semene. Na počátku klíčení se transportují do buněk aleuronové vrstvy, kde stimulují expresi enzymu a-amylázy hydrolyzující škrob. Vzniklé cukry poté stimulují prodlužování buněk hypokotylu klíčícího embrya. Taiz, Zeiger, Plant Physiology online

13 Gibereliny mechanismus účinku Specificky řízená degradace (podobně jako u auxinů) Transkripční represory DELLA (SLR1) jsou degradovány po navázání giberelinu na jaderný receptor GID1 a je tak spuštěna exprese genů odpovídajících na tento hormon. Receptor (GID1) pro gibereliny poprvé identifikován u rýže, mutantní rostliny (gid 1-1) jsou extrémně zakrslé Kontrola gid 1-1 Bishopp et al. 2006, Development 133,

14 Gibereliny mechanismus účinku Příklad komplexní regulace prostřednictvím GA 1 během stimulace klíčení semene: 1) Vazba GA 1 na hypotetický receptor v plasmatické membráně. 2) Spuštění signální kaskády přes heterotrimerický G protein, buď přes Ca 2+ a kalmodulin-dependentní proteinkinázy ovlivňující sekreci nebo přes cgmp. 3) Aktivace komplexu ubikvitin ligázy (SCF GID2 ) prostřednictvím vazby GA 1 na receptor GID1 v jádře. 4) Degradace DELLA represoru SLR1 a spuštění exprese transkripčního faktoru GAMYB. 5) Aktivace exprese a-amylázy pomocí GAMYB. 6) Tvorba a-amylázy a její sekrece do endospermu, kde dochází k hydrolýze škrobu. Taiz, Zeiger, Plant Physiology online

15 Kyselina abscisová historie objevu a chemická struktura 60. léta 20. století látka identifikována nezávisle při studiu dormance u javoru jako dormin (navozující dormanci) a současně při studiu opadu mladých plodů bavlny jako abscisin (navozující opad). Dnes je úloha při stimulaci opadu přisuzována etylénu, ne ABA. Kyselina abscisová je seskviterpen, přirozeně se vyskytuje v podobě několika isomerů, aktivní je pouze (S)-ABA.

16 Kyselina abscisová - biosyntéza a metabolismus Biosyntéza probíhá buď z farnezylpyrofosfátu (C15) u některých houbových patogenů či z karotenoidu violaxantinu (C40) a přímý prekurzor xantoxin u vyšších rostlin. Tvorba v dormantních orgánech (pupeny, semena hlízy), ale též v rychle rostoucích pletivech. Transport floémem i xylémem. Obsah stoupá při nedostatku vody, zasolení, chladu či poranění. ABA představuje hormon odpovědi na stres. Konjugace ABA s glukózou inaktivace ve vakuole Degradace ABA oxidací za vzniku fazeové a dihydrofazeové

17 Kyselina abscisová fyziologické účinky Regulace vodního hospodářství snížením transpirace při nedostatku vody. Při nedostatku vody stoupá biosyntéza ABA v kořenech a transport xylémem do nadzemní části, kde ve svěracích buňkách průduchů dochází ke zvýšení výtoku iontů K + a uzavření průduchů. Kontrola ABA Commelina communis, pokožkové buňky s průduchy Fig : Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

18 Kyselina abscisová fyziologické účinky Regulace vodního hospodářství snížením transpirace při nedostatku vody. ABA aktivuje Ca 2+ kanály v plazmatické membráně, vzestup Ca 2+ otevře další Ca 2+ kanály na tonoplastu a indukuje aktivitu aniontových kanálů (Cl - ) transportujících anionty do apoplastu. Výsledná depolarizace membrány podpoří aktivitu kanálů transportujících K + ionty ven z buňky. Zmenšující se obsah iontů v buňce vede ke ztrátě vody a uzavírání průduchu. Julian Schroeder et al.

19 Kyselina abscisová fyziologické účinky Regulace vodního hospodářství snížením transpirace při nedostatku vody. Při nedostatku vody se zvýší ph v xylému a ABA je více disociována. Tím se sníží její schopnost procházet do mezofylových buněk a naopak je jí více přímo dopraveno do svěracích buněk průduchů, kde indukuje jejich zavření. Taiz, Zeiger, Plant Physiology online

20 Kyselina abscisová fyziologické účinky Regulace embryogeneze a zrání semen hromadění ABA předchází vlastní dehydrataci semena. Indukce proteinů LEA (late embryogenesis abundant), které mají roli v odolnosti proti desikaci. Současně ABA stimuluje produkci zásobních proteinů v semeni. Indukce dormance semen a pupenů, inhibice klíčení hromadění ABA v dormantních orgánech. V semenech vysoká hladina ABA brání klíčení, které nastane až po snížení její hladiny. Mutantní rostliny s poruchou biosyntézy ABA mají narušenou dormanci a projevují viviparii semen semena klíčí ještě na mateřské rostlině. Zvýšení odolnosti proti suchu, zasolení, chladu či poškození ABA působí na expresi hydrofilních, termostabilních proteinů ochraňujících strukturu biomembrán. Stimulace tvorby laterálních kořenů reakce na nedostatek vody. Inhibice prodlužovacího růstu a urychlení stárnutí. Zea mays, mutace v prekurzoru ABA Taiz, Zeiger, Plant Physiology online

21 Kyselina abscisová mechanismus účinku Cytosolický či jaderný receptor z rodiny PYR/PYL (PYRABACIN RESISTANCE) V nepřítomnosti ABA je protein fosfatáza (PP2C) aktivní, udržuje kinázy (SnRK2) v nefosforylovaném tj. neaktivním stavu. Navázání ABA na receptor inaktivuje PP2C a vyvolá tak fosforylaci SnRK2 a následně transkripčních faktorů jako jsou ABFs (ABA-responsive promoter elements), přímo i draselných (KAT1) a aniontových (SLAC1) kanálů Weiner et al., Current Opinion in Plant Biology 13, , 2010

22 Přechod rostlin na souš během evoluce je charakterizován prudkým vývojem složek signální dráhy ABA Reprinted from Umezawa, T., Nakashima, K., Miyakawa, T., Kuromori, T., Tanokura, M., Shinozaki, K., and Yamaguchi-Shinozaki, K. (2010). Molecular basis of the core regulatory network in ABA responses: Sensing, signaling and transport. Plant Cell Physiol. 51: with permission from the Japanese Society of Plant Physiologists.

23 Etylén historie objevu a chemická struktura 1901 Dimitrij Neljubov, popsal aktivní složku svítiplynu, etylén, která indukovala v blízkosti plynových lamp opad listů 30. léta 20. století důkaz tvorby ethylenu rostlinami, v té době již využíván na defoliaci a dozrávání plodů Jediný plynný fytohormon Nejjednodušší uhlovodík H 2 C=CH 2

24 Etylén - biosyntéza a metabolismus Biosyntéza z L-methioninu přes S-adenosylmethionin (SAM) a kyselinu 1- aminocyklopropan-1- karboxylovou (ACC). Oxidací ACC vzniká etylén. Biosyntéza ACC je regulována dalšími fytohormony (auxiny, cytokininy, brasinosteroidy) a též stresovým působením. Produkce etylénu téměř všemi částmi rostlin, nejvíce v rostoucích částech. Největší produkce během zrání, stárnutí a opadu plodů a květů a při stresu. Transportován je ACC, případně jeho konjugáty s glukózou, plynný etylén v mezibuněčných prostorech

25 Etylén fyziologické účinky Trojná odezva v reakci na aplikaci etylénu: - inhibice dloužení (A, B) - stimulace radiálního růstu (D) - ztráta gravitropismu (E) Arabidopsis thaliana E Semenáčky hrachu +ACC -Etylén +Etylén +ACC +ACC Arabidopsis book, 2002, 1:e0071

26 Etylén fyziologické účinky V kořeni i stonku přítomnost etylénu zamezí elongaci - projev trojné odpovědi C 2 H 4 C 2 H 4 C 2 H 4 C 2 H 4

27 Etylén fyziologické účinky Stimulace dozrávání plodů aktivace hydrolytických enzymů Ethylene Co zahrnuje zrání: Změny ve struktuře buněčné stěny Hromadění pigmentů Tvorba aromatických látek Přeměna škrobu na cukry

28 Etylén fyziologické účinky Stimulace dozrávání plodů biosyntéza etylénu před dozráváním Ethylene accumulation Giovannoni, J.J. (2004). Genetic regulation of fruit development and ripening. Plant Cell 16: S

29 Etylén fyziologické účinky Stimulace dozrávání plodů zablokování klíčového enzymu znemožní dozrávání Rajče nesoucí antisense-acc-oxidázu wt Fig : Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

30 Etylén fyziologické účinky Stimulace ochranných mechanismů zaplavení kořenového systému, syntéza etylénu je zvýšena aktivací ACC syntázy Normally, soil has air pockets from which plant roots can take up oxygen When flooded, roots cannot take up oxygen, and become hypoxic oxygen deprived O 2 O 2 C 2 H 4 C 2 H 4 Hypoxia induces ACC synthase and ethylene production

31 Etylén fyziologické účinky Stimulace ochranných mechanismů zaplavení kořenového systému, syntéza etylénu je zvýšena aktivací ACC syntázy O 2 O 2 C 2 H 4 C 2 H 4 Ethylene induces cell death or cell separation and formation of aerenchyma air channels through which oxygen can move into roots Photo Author: Gordon Beakes University of Newcastle upon Tyne Image courtesy LTSN Bioscience. A darkfield micrograph of a transverse section of a stem of Hippuris spp., showing aerenchyma.

32 Etylén fyziologické účinky Stimulace ochranných mechanismů zaplavení kořenového systému, syntéza etylénu je zvýšena aktivací ACC syntázy Epinastie listů je ochranou proti oxidativnímu poškození, oslabené rostliny nejsou schopny zpracovat světelnou energii tak rychle C 2 H 4 C 2 H 4 In some plants ACC moves through the xylem into the shoot where it is converted to ethylene by ACC oxidase ACC C 2 H 4 Leaf epinasty, caused by differential growth of the petiole, C 2 reduces H 4 light absorption by the leaves

33 Etylén mechanismus účinku Receptor ETR1 (ethylene receptor) je dvousložková histidinová kinása lokalizovaná v membráně ER Bez vazby etylénu je zřejmě prostřednictvím kaskády fosforylačních reakcí a negativní regulace prostřednictvím kinázy CTR1 (constitutive triple response) inhibována aktivita proteinu EIN2 lokalizovaného v jaderné membráně. Transkripční faktory EIN3 jsou degradovány v proteazómu prostřednictvím ubikvitinačního komplexu SCF EBF1/2. Vazba etylénu na receptor ETR1 vyvolá sled fosforylačních reakcí přes kinázu CTR1 a aktivuje transmembránový protein EIN2 a následně spustí expresi etylénem řízených genů pomocí EIN3. Mutant v receptoru etylénu ein4 nevykazuje trojnou odpověď wtein4 Bishopp et al. 2006, Development 133,

34 Brasinosteroidy historie objevu a chemická struktura 40. léta - extrakt z pylu stimuloval buněčnou elongaci v pletivu POLLEN EXTRACT CONTROL Beans treated with pollen extract showed dramatic stem and cell elongation as compared to control beans. Mitchell, J.W., and Whitehead, M.R. (1941) Responses of vegetative parts of plants following application of extract of pollen from Zea mays. Bot. Gaz. 102:

35 Brasinosteroidy historie objevu a chemická struktura 1979 první rostlinný steroidní rostlinný regulátor brassinolid (BR) izolován z pylu řepky Starting with pollen collected by bees, brassinolide was purified and its structure determined (1979). Brassinolide (BL) Reprinted by permission from Macmillan Publishers Limited, Nature: Grove, M.D., Spencer, G.F., Rohwedder, W.K., Mandava, N., Worley, J.F., Warthen, J.D., Steffens, G.L., Flippen-Anderson, J.L., and Cook, J.C. (1979). Brassinolide, a plant growth-promoting steroid isolated from Brassica napus pollen. Nature 281: copyright 1979.

36 Brasinosteroidy historie objevu a chemická struktura 1982 kastasteron izolován z kaštanu Dnes popsáno více než 40 příbuzných látek Jsou to rostlinné steroidní látky, přítomné ve velmi nízkých koncentracích M 230 kg pollen 10 mg BL Reprinted with permission from from Mandava, N., Kozempel, M., Worley, J.F., Matthees, D., Warthen, J.D., Jacobson, M., Steffens, G.L., Kenney, H., and Grove, M.D. (1978). Isolation of brassins by extraction of rape (Brassica napus L.) pollen. Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev. 17: , copyright 1978 American Chemical Society.

37 Brasinosteroidy biosyntéza a metabolismus Vychází z izopentenylpyrofosfátu, přes squalen a cykloartenol První biologicky aktivní je kampesterol Nejsou transportovány na dlouhé vzdálenosti, biosyntéza hlavně v nadzemní části

38 Brasinosteroidy fyziologické účinky Stimulace buněčného dělení a dlouživého růstu Vývoj vodivých a dalších pletiv Zvýšení tolerance ke stresu a patogenům Odpověď na světlo Reprinted from Yang, C.-J., Zhang, C., Lu, Y.-N., Jin, J.-Q. and Wang, X.-L. (2011). The mechanisms of brassinosteroids' action: From signal transduction to plant development. Mol. Plant. 4: by permission of Oxford University Press

39 Brasinosteroidy fyziologické účinky Stimulace buněčného dělení a dlouživého růstu Exogenous BL: nm 0.04 nm 0.4 nm 4 nm BR deficiency or insensitivity leads to reduced leaf growth, and an amino acid substitution in the BRI1 receptor can enhance leaf growth A small amount of exogenous BL stimulates root growth, but more is inhibitory. BRs affect cell cycle persistence and meristem size, as indicated by arrows in the lower panel Oh, M.-H., Sun, J., Oh, D.H., Zielinski, R.E., Clouse, S.D. and Huber, S.C. (2011). Enhancing Arabidopsis leaf growth by engineering the BRASSINOSTEROID INSENSITIVE1 receptor kinase. Plant Physiol. 157: ; González-García, M.-P., Vilarrasa-Blasi, J., Zhiponova, M., Divol, F., Mora-García, S., Russinova, E. and Caño-Delgado, A.I. (2011). Brassinosteroids control meristem size by promoting cell cycle progression in Arabidopsis roots. Development. 138: see also Hacham, Y., Holland, N., Butterfield, C., Ubeda- Tomas, S., Bennett, M.J., Chory, J. and Savaldi-Goldstein, S. (2011). Brassinosteroid perception in the epidermis controls root meristem size. Development. 138:

40 Brasinosteroidy fyziologické účinky Stimulace dlouživého růstu např. odklonění čepele listu rýže (lamina inclination test) dané zvětšováním buněk na adaxiální straně po aplikaci BR. Kontrola před testem Aplikace BR Fig : Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

41 Brasinosteroidy fyziologické účinky Stimulace dlouživého růstu mutanty s postiženou biosyntézou brassinolidu jsou zakrslé wt det2 dim Fig : Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

42 Brasinosteroidy mechanismus účinku Při nízkých hladinách BR fosforyluje kináza BIN2 transkripční regulátory BES1 a BZR1 a ty jsou tak degradovány ubikvitinací. Po vazbě BR na membránový heterodimer receptorových kináz BRI1 a BAK1 dochází k inhibici kinázy BIN2 a defosforylované BES1 a BZR1 se hromadí v jádře, kde regulují genovou expresi aktivací (BES1) či represí (BZR1). Rostliny s mutovaným receptorem bri1 jsou zakrslé wt bri1 Bishopp et al. 2006, Development 133,

43 Kyselina salicylová Kyselina salicylová (SA) byla jako aktivní látka izolována již v 19 století z vrbové kůry, její hlavní využití je v medicíně jako analgetikum (aspirin). Biosyntéza v chloroplastech U rostlin je účinek SA především spojen s ochranou před patogeny, SA indukuje tvorbu proteinů (pathogenesis-related) zvyšujících rezistenci k virovému, houbovému či bakteriálnímu napadení. Produkce SA je součástí systemické odpovědi rostlin na napadení patogenem. Biosyntéza v chloroplastech Monomerický jaderný receptor NPR1 (NONEXPRESSOR OF PATHOGENESIS-RELATED GENES1) váže SA a spouští se tak exprese PR proteinů Wu, Y., Zhang, D., Chu, J.Y., Boyle. P., Wang, Y., Brindle, I.D., De Lucy, V. and Després, C. (2012) The Arabidopsis NPR1 protein is a receptor for the plant defense hormone salicylic acid. Cell Rep. 1:

44 Kyselina salicylová Regulace genové exprese prostřednictvím SA In the absence of SA and activated NPR1, negative regulators repress defense genes NO SA In the presence of SA and activated nuclear NPR1, positive regulators activate defense genes + SA NPR1 -WRKYs -TGAs +WRKYs +TGAs +TGAs

45 Kyselina jasmonová (jasmínová) Poprvé u rostlin izolována z esenciálních olejů Jasminum grandiflorum Biosyntéza z kyseliny linolenové, hladina Ja stoupá při stresových reakcích po poranění či napadení patogenem, přes signální protein systemin Kyselina jasmonová (Ja) Methylester Ja (MeJa)

46 Kyselina jasmonová (jasmínová) Nejaktivnější jsou konjugáty s AMK - hlavně Ile Jasmonic acid (JA) JA-Isoleucine (JA-Ile) OH (3R,7S)-jasmonic acid a.k.a. (+)-7-iso-jasmonic acid JA-Ile Methyl jasmonate (MeJA) OCH 3 Yan, J., Zhang, C., Gu, M., Bai, Z., Zhang, W., Qi, T., Cheng, Z., Peng, W., Luo, H., Nan, F., Wang, Z., and Xie, D. (2009). The Arabidopsis CORONATINE INSENSITIVE1 protein Is a jasmonate receptor. Plant Cell 21:

47 Kyselina jasmonová (jasmínová) Receptor Ja podobný receptoru auxinu COI1 F-box protein, i mechanismus účinku podobný JA-Ile binding by the COI1-JAZ coreceptor Ubiquitination and degradation of JAZ Transcriptional activation by MYC2 and others JAZ Z MYC2 BD AD J SCF COI1 JA- Ile MYC2 BD AD Gene expression

48 Kyselina jasmonová (jasmínová) Stimulace genů pro inhibitory proteáz (proteiny PI) produkovaných herbivorními organismy. Ty pak nejsou schopné natrávit dané pletivo. Elevated PIs were recorded from unwounded leaves as well suggesting a mobile signal 103 Control plant Plant infested with herbivore extract from distant leaf 336 Green, T.R., and Ryan, C.A. (1972). Wound-induced proteinase inhibitor in plant leaves: A possible defense mechanism against insects. Science 175:

49 Strigolaktony Strigolaktony terpenoidní látky odvozené od karoteonidů Stimulují klíčení parazitických rostlin (Striga tropická fotosyntetizující, zárazy - nezelené) Stimulují prorůstání mykorhizních hub signál pro jejich větvení Hrách setý Orobanche vulgaris Striga Inhibují větvení stonku rostlin Transportovány z kořenů do nadzemních částí Umehara et al., Gomez-Roldan et al., Nature 455, 2008 wt Biosyntetický mutant

50 Strigolaktony Mechanismus účinku opět závisí na degradaci transkripčních represorů Model of SL signal transduction A current model is that SLs promote the interaction between DAD2/D14 and MAX2, leading to degradation of a putative repressor Note the similarity of this model with those for auxin, jasmonate and gibberellin signalling Hamiaux, C., Drummond, R.S., Janssen, B.J., Ledger, S.E., Cooney, J.M., Newcomb, R.D. and Snowden, K.C. (2012). DAD2 is an α/β hydrolase likely to be involved in the perception of the plant branching hormone, strigolactone. Curr Biol. 22: ;Nelson, D.C., Scaffidi, A., Dun, E.A., Waters, M.T., Flematti, G.R., Dixon, K.W., Beveridge, C.A., Ghisalberti, E.L. and Smith, S.M. (2011). F-box protein MAX2 has dual roles in karrikin and strigolactone signaling in Arabidopsis thaliana. Proc Natl Acad Sci USA. 108:

51 Polyaminy Studovány u eukaryotních organismů již přes 50 let, v rostlinách nejčastěji putrescin, spermin a spermidin. Biosyntéza z aminokyselin argininu a ornitinu či S- adenozylmethioninu (SAM) jeho dekarboxylací SAM dekarboxylázou. Nejvíce se vyskytují v meristémech. Stimulace klíčení, růstu kalusu, somatické embryogeneze atd. Díky polykationtovému charakteru se váží na DNA, ovlivňují její konformaci a regulují genovou expresi Zablokování exprese SAM dekarboxylázy malý vzrůst, malé listy, předčasná senescence u bramboru. Fig : Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000 wt Antisense SAM

52 Peptidové hormony Příkladem peptidového hormonu (faktoru) je systemin role při odpovědi na poranění patogenem, je transportován floémem do míst, kde ještě poranění není a zde spouští syntézu Ja, která vyvolá tvorbu ochranných inhibitorů proteáz. Vazba peptidového hormonu na receptorové kinázy v plazmatické membráně

53 Interakce hormonálních signálů Možné úrovně interakce hormonálních signálů: - transkripční a translační ovlivnění exprese určitého genu a proteinu (např. pro biosyntetický enzym či transportní membránový přenašeč hormonu atp.) - metabolická jednotlivé hormony ovlivňují celkový vývoj prostřednictvím jejich metabolismu, výsledek je dán rovnováhou mezi nimi Benková and Hejátko, Plant Molecular Biology 69, , 2008

54 Interakce hormonálních signálů Specifická degradace proteinů pomocí komplexu ubiquitin ligázy je společným mechanismem, který využívají na více úrovních prakticky všechny fytohormony Propojuje také hormonální regulaci se signály z okolí jako je kvalita světla či světelná perioda. Vierstra et al., 2009, Nature reviews, Molecular Cell Biology 10,

55 Interakce hormonálních signálů Degradace transkripčních faktorů DELLA po aplikaci GA jako příklad integrace velké množství signálů GA, through the GID1 receptor and DELLAs, interacts with other endogenous and exogenous cues PD, protein degradation; PPI, protein protein interaction; TC, transcription Reprinted from Sun, T.-p. (2011). The molecular mechanism and evolution of the GA GID1 DELLA signaling module in plants. Curr. Biol. 21: R338-R345 with permission from Elsevier.

56 Interakce hormonálních signálů - buněčné dělení x elongace Auxiny-cytokininy regulace polarity buněčné expanze při regeneraci protoplastů Tao and Verbelen, 1998

57 Interakce hormonálních signálů - buněčné dělení x elongace Auxiny-cytokininy Stimulace buněčného dělení v explantátových kulturách Poměr hladin auxinu (A) a cytokininu (CK) určující pro organogenezi: - převaha A kořeny, vyrovnaný poměr kalus, převaha CK diferenciace prýtu; model organogeneze in vitro Skoog a Miller 1957

58 Interakce hormonálních signálů - buněčné dělení x elongace Auxiny-cytokininy auxin stimuluje expresi ARR7 a ARR15, negativních regulátorů odezvy na cytokininy (typ A) důsledkem je blokování dělení v místech, kde je to nežádoucí, např. v klidovém centru koř. meristému, tato situace již založena během embryogeneze Benková and Hejátko, Plant Molecular Biology 69, , 2008 Muller and Sheen, Nature 453, , 2008

59 Interakce hormonálních signálů - buněčné dělení x elongace Auxiny-cytokininy spolupráce na úrovni kontroly exprese pozitivních (ARR-B) a negativních regulátorů (ARR-A) odezvy na cytokininy pomocí auxinů je provázána s kontrolou exprese AUX/IAA represorů cytokininy. Moubayidin et al., Trends in Plant Science 14, , 2009

60 Interakce hormonálních signálů - buněčné dělení x elongace Auxiny-cytokininy cytokinin může snižovat expresi proteinů transportujících auxin z buněk (proteiny PIN) Výsledkem je snížený přítok auxinu a ovlivnění buněčného dělení a elongace Kořenová špička Arabidopsis thaliana Kontrola PIN1-GFP Aplikace cytokininu snížená tvorba PIN1-GFP Růžička et al., PNAS 106, , 2009

61 Interakce hormonálních signálů - buněčné dělení x elongace Auxiny-cytokininy vývoj laterálních orgánů (postranních kořenů, listů, květů) je pod stálou kontrolou více hormonálních faktorů - Auxin transportovaný bazipetálně inhibuje expresi genu IPT, jehož produkt je klíčovým enzymem biosyntézy cytokininů, proto není dostatek cytokininů potřebných k iniciaci laterálního orgánu, též naopak zvyšuje tvorbu cytokinin oxidázy, která degraduje stávající cytokininy - po odstranění apikálního části rostliny je tato inhibice oddálena a postranní orgán prorůstá - postupná tvorba auxinu v postranním orgánu opět sníží tvorbu ipt a podpoří jeho apikální dominanci Kontrola Dekapitace Obnovený tok auxinu Shimizu-Sato et al., Plant Mol Biol 69, , 2008

62 Interakce hormonálních signálů - buněčné dělení x elongace Auxiny-cytokininy-strigolaktony vývoj laterálních orgánů (postranních kořenů, listů, květů) je pod stálou kontrolou více hormonálních faktorů - zřejmě se účastní i strigolaktony - jsou transportovány vzhůru a jejich biosyntéza pomocí enzymů typu cytochrom P450 (MAX1,2,3,4) regulována auxiny přes TIR1-dependentní dráhu Leyser, Plant Cell Environment, 2009 Hayward et al., 2009, Plant Physiol. 151(1):

63 Interakce hormonálních signálů - buněčné dělení x elongace Auxiny-brasinosteroidy BR stimulují prodlužování buněk prostřednictvím spolupráce s auxiny, ukázka spolupráce dvou hormonů na jednom procesu prostřednictvím stimulace ne úplně se překrývajících se drah Auxin BRs Auxin induces the expression of CPD, a BR-biosynthesis enzyme Gene expression ARF Gene expression Gene expression BR activates ARF2, an auxin-induced transcription factor, and expression of other auxin signaling genes Auxin and BR activate similar but mostly non-overlapping sets of genes that promote cell elongation Cell elongation

64 Interakce hormonálních signálů - buněčné dělení x elongace Auxin-etylén - etylénem-řízená genová exprese v elongační zóně kořene je zprostředkována auxinem Auxin-signaling is required for ethyleneinduced gene expression in the elongating region of the root. EBS GUS A reporter construct for ethylene-induced gene expression Stepanova, A.N., Yun, J., Likhacheva, A.V., and Alonso, J.M. (2007). Multilevel interactions between ethylene and auxin in Arabidopsis roots. Plant Cell 19:

65 Interakce hormonálních signálů - buněčné dělení x elongace Auxin-etylén - účinek etylénu v elongační zóně kořene je zprostředkován auxinem Stepanova, A.N., Yun, J., Likhacheva, A.V., and Alonso, J.M. (2007). Multilevel interactions between ethylene and auxin in Arabidopsis roots. Plant Cell 19:

66 Interakce hormonálních signálů - buněčné dělení x elongace Auxin-etylén etylén stimuluje expresi genů pro enzymy účastnící se biosyntézy auxinu, současně může modifikovat expresi membránových přenašečů auxinu (PIN) - etylén snižuje schopnost buněk se prodlužovat v prodlužovací zóně kořene, zvýšený transport auxinu do kořenové špičky prostřednictvím jeho přenašečů poté stimuluje auxinovou dráhu, která ústí v potlačení buněčné elongace Růžička et al., Plant Cell 19, , 2007

67 Interakce hormonálních signálů - klíčení ABA-Gibereliny alfa amyláza blokována ABA, stimulována GA Dodání ABA působí inhibičně na celý proces indukce klíčení giberelinem, tj. na transkripci a syntézu α-amylázy a rovněž na její sekreci z aleuronových buněk do endospermu. Působení GA je v přímém protikladu stimuluje produkci α-amylázy a následné rozvolnění endospermu pomocí hydroláz

68 Interakce hormonálních signálů - klíčení Kooperace světla a hormonů při klíčení - transkripční faktor PIL5, světlený stimul přijímaný přes receptor fytochrom (PHY) je nutný k iniciaci klíčení. In the absence of light, PIL5 inhibits GA, ethylene and brassinolide pathways, and production of cellwall modifying enzymes, while it promotes expression of germination- inhibiting pathways, including ABA Oh, E., H. Kang, et al. (2009). Genome-wide analysis of genes targeted by PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 3-LIKE5 during seed germination in Arabidopsis. Plant Cell 21:

69 Interakce signálů - reakce na světlo Transkripční regulace světlo-giberelinycytokininy auxiny - ABA Integrace kontroly exprese transkripčního faktoru HY5, který je klíčovým pro světelný typ vývoje (fotomorfogenezi). Zatímco světlo a cytokininy inhibují tvorbu COP1(E3 ubiquitin ligáza), gibereliny ji aktivují. HY5 aktivuje expresi transkripčních regulátorů signální dráhy giberelinů, auxinů a ABA. Lau and Deng, Current Opinion in Plant Biology 2010, 13:

70 Interakce signálů - reakce na světlo Kooperace světla a brasinosteroidů - BR blokují geny související se světelným vývojem, naopak světelný stimul blokuje biosyntézu BR WT det 2 + BL det2 The original BR synthesis mutants were identified by their de-etiolated growth pattern in the dark LIGHT BRs Light responsive genes and growth patterns BRs interfere with light responses, and light interferes with BR synthesis and promotes its inactivation

71 Interakce signálů - opad listů Stimulace opadu listů u stárnoucích listů s poklesem hladiny auxinu dochází ke zvýšené tvorbě etylénu v opadové zóně

72 Interakce signálů - obranné reakce Kooperace jasmonátů a kyseliny salicylové kyseliny stimulace jasmonátů dává vznik inhibitorům proteáz, naopak salicyláty navozují tvorbu ochranných proteinů. Patogenní organismy využívají vzájemně inhibičního postavení Ja a SA, existují specializace v odpovědi na konkrétní patogen - JA a SA navozují odlišné strategie There is considerable cross-talk between JA and SA signaling pathways Jasmonates Salicylates

73 Pohyby rostlin - dělení Fyzikální pohyby mohou být hygroskopické (např. pohyb šupin šišek jehličnanů) či kohezní (otvírání sporangií kapradin) Vitální pohyby mohou být lokomoční (u vyšších rostlin pouze např. spermatozoidy u jinanu) a nebo ohybové, které se dělí na paratonické, vyvolané vnějším podrážděním a autonomní (nutační pohyby). Paratonické pohyby dělíme na tropismy (schopnost pohybovat se za zdrojem podráždění) a nastie (schopnost pohybovat se z důvodu podráždění).

74 Pohyby rostlin - dělení Druhy tropismů: Gravitropismus negativní u stonku, pozitivní u kořene Fototropismus pozitivní za světelným stimulem Hydrotropismus pozitivní ohyb kořene za vlhkostí Tigmotropismus pozitivní ohyb za dotykovým podrážděním Heliotropismus pozitivní ohyb za sluncem Další jsou např. Chemotropismus či termotropismus Druhy nastií: Epinastie - horní strana listu roste rychleji a list se ohýbá dolů Hyponastie - dolní strana listu roste rychleji a list se ohýbá nahoru Termonastie (otevírání květů na teple) Fotonastie (otevírání květů na světle, uzavírání ve tmě) Seizmonastie (otřesem vyvolané změny turgoru vedoucí např. ke sklopení chlupů u rosnatky) Nyktinastie (turgorové spánkové pohyby listů)

75 Pohyby rostlin Podstata pohybu: 1) Diferenciální růst např. ohybové reakce stonku během fototropismu či gravitropismu

76 Pohyby rostlin Podstata pohybu: 2) Činnost specializovaných buněk tzv. motorové buňky, např. u tigmonastie Mimózy či zavírání pastí masožravé Mucholapky. Motorové buňky jsou schopny rychlé změny obsahu vody (turgoru) v důsledku změn toků iontů pře jejich membránu.