Hormony v rostlinách. Jaké jsou a co dělají?

Transkript

1 Hormony v rostlinách. Jaké jsou a co dělají? Radomíra Vaňková Ústav experimentální botaniky AV ČR, Praha

2 Rozdíl mezi rostlinami a živočichy Přisedlý způsob života x mobilní Autotrofní výživa (fotosyntéza) x heterotrofní (býložravci, masožravci) Tvarová různorodost x předem definovaný tvar Totipotence buněk

3 Rozdíly mezi rostlinnými a živočišnými hormony tvorba hormonů v různých částech rostliny x biosyntéza ve specializovaných žlázách Každý hormon ovlivňuje více procesů x působení na určitý specifický proces Jeden proces je ovlivňován více hormony

4 Důsledek přisedlého způsobu života Velmi dynamické chování intenzivní interakce s prostředím (dostupnost živin, reakce na stresy)

5 Abiotické stresy

6 Biotické stresy

7 Rostlinné hormony positivní regulátory růstu Auxiny Cytokininy Gibereliny Brasinosteroidy Strigolaktony stresové hormony Kyselina abscisová Etylén Kyselina salicylová Kyselina jasmonová Peptidové hormony

8 Auxin - byl objeven při studiu fototropismu Ohyb za světlem, zdrojem energie Kyselina indol-3-octová (IAA) auxin

9 Auxiny G 2 CDK CDC 25 - Stimulace buněčného dělení - Prodlužování buněk M G 0 G 1 S - Gravitropismus a fototropismus - Apikální dominance CYTOKININS - Stimulace tvorby kořenů sucrose Cyc D E2F RBR CDK

10 Gravitropismus reakce na gravitaci V nadzemní části akumulace auxinu způsobí růst a prodlužování buněk ohyb auxin V kořenech způsobí akumulace auxinu inhibici růstu

11 Koordinace mezi nadzemní částí a kořeny Auxiny a cytokininy

12 zdroj auxinu Apikální dominance Odstraněn vrchol (zdroj auxinu) Cytokininy stimulují růst větví náhrada vzrostného vrcholu

13 Praktické využití Zakořeňování řízků, sazenic Herbicidy na bázi auxinu

14 Cytokininy Definovány jako látky stimulující buněčné dělení v přítomnosti auxinu ( Skoog a Miller, 1955) trans-zeatin

15 Tkáňové kultury Převaha auxinu diferenciace kořenů Převaha cytokininů diferenciace výhonků Vyrovnaný poměr nediferencované kalusové pletivo Plant Phys. 38(3): 291, 1963.

16 Aplikace cytokininu na zakořeněný kus stonku hrachu - inhibice tvorby laterálních kořenů, - stimulace tvorby postranních pupenů

17 Snížení hladiny cytokininů (např. konstitutivní exprese CKX) Zpomalení růstu nadzemní části, zvýšení růstu kořenů

18 Funkce cytokininů Stimulace buněčného dělení Zpomalení stárnutí Zpomalení degradace chlorofylu Stimulace diferenciace chloroplastů Stimulace větvení antagonismus s auxinem Zvýšení síly sinku (atrakce živin)

19 Stimulace buněčného dělení CDK CDC 25 CYTOKININS Přechod G1/S i G2/M M G 2 G 1 S G 0 E2F RBR CYTOKININS sucrose Cyc D CDK

20 Zpomalení stárnutí Zpomalení degradace chlorofylu dlouhověká rostlina R. Amasino Rostlina začne stárnout Vypne se SAG promotor Spustí se promotor SAG + gen kódující isopentenyltransferázu Zvýší se hladina cytokininů Zrušení programu senescence

21 SARK:IPT rostliny, zvýšená odolnost vůči suchu Praktická aplikace SAG:IPT kasava (prodloužení skladovatelnosti hlíz)

22 Zvýšení síly sinku (atrakce živin) Ochrana apexu a mladých listů ve stresu

23 Gibereliny Plíseň Gibberella fujikuroi sekretuje látku, která stimuluje dlouživý růst rýže, ale eliminuje tvorbu zrn - ekonomicky velmi významná choroba. v r identifikován giberelin A1 ve vyšších rostlinách (Phaseolus coccineus) dosud identifikováno přes 136 GA

24 Není ovlivněna aktivita Pouze vzácně ve vyšších rostlinách GA 7 (= GA 3 13C OH)

25 7) Funkce A) Stimulace dlouživého růstu stonku především růst stonku z růžice listů, překonání zakrslosti B) Indukce kvetení C) Regulace embryogeneze, klíčení semen D) Stimulace buněčného dělení a elongace buněk G) Vývoj plodů - partenokarpie

26 A) Stimulace dlouživého růstu druhy tvořící vegetativní růžici listů, jednoděložné především růst stonku z růžice listů, překonání zakrslosti jednoděložné růst interkalárních meristémů synergismus s auxinem, antagonismus vůči ABA

27 GA nahradí dlouhý den u dlouhodenních rostlin, příp. vernalizaci B) Květní indukce

28 C) Regulace klíčení a tvorbu embryí - mobilizace zásobních látek z endospermu, - stimulace rozkladu škrobu - zrušení dormance (nahražení světla nebo chladu)

29 Vliv GA z embrya na tvorbu hydrolytických enzymů a štěpení škrobu během klíčení semene

30 G) Vývoj plodů partenokarpie GA iniciují růst plodů po opylení i bez opylení (partenokarpie hrozny bez semen) Protažení tvaru některých plodů (např. jablka)

31 Praktické aplikace GA Stimulace hydrolytických enzymů -Tvorba sladu - GA ji urychlí stimulací tvorby hydrolytických enzymů Regulace dlouživého růstu - zvýšení výnosu cukrové třtiny (třtina netvoří škrob, uchovává cukry jako sacharozu, kterou skladuje v centrálních vakuolách parenchymu internodií - stimulace prodloužení internodií (třtina o 20 t/ha, cukr o 2 t/ha) - inhibice růstu - omezení polehávání obilovin, kompaktní vzrůst květin - tvorba plodů - prodloužení délky stopek umožní větší nárůst bobulí vína - protažení tvaru jablek (Golden delicious) - oddálení senescence citrusů prodlouží období sklizně

32 Zablokování signální dráhy giberelinů umožnilo odstranit polehávání pšenic s vysokým výnosem (Norman Borlaug, zelená revoluce)

33 Brasinosteroidy Nalezeny v extraktu z pylu řepky olejky (Brassica napus) jako látky stimulující růst nazvány brassiny V biotestu na druhém internódu fazolu byla zjištěna řada účinků: Prodlužování buněk Buněčné dělení Ohyb Bobtnání Rozštěpení druhého internódu Svébytný, nový druh hormonů Z 227 kg pylu řepky olejky byly získány 4 mg brassinu nazvaného brassinolid (1979) 1982 získán castasteron (prekurzor brassinolidu )

34 Brasinosteroidy

35 Strigolaktony 1972 strigol a strigyl acetát nalezeny v kořenových exudátech bavlníku, identifikovány jako sloučeniny, které stimulují klíčení rostlin parazitujících na kořenech plodin Parazité: Striga lutea, Orobanche Plodiny: kukuřice, sorghum, proso, rýže, Rajčata, tabák, mrkev, okurka, slunečnice, luštěniny deoxystrigol izolován jako látka, která stimuluje větvení arbuskulární mykorhizní houby (symbiont poskytuje fosfáty, bere si cukry) Striga hemonthica

36 Terpenoidní laktony ABC kruh spojený labilním etherovým můstkem s D kruhem

37 1. Atrahuje symbionty, kteří poskytují fosfáty Tvorba strigolaktonů (SL) je stimulována nedostatkem fosfátů Dostatek Pi jsou sorbovány kořeny větvení je stimulováno Nedostatek Pi zvýšení tvorby SL 1. Větvení je inhibováno 2. Ve starších listech je aktivována senescence, 3. živiny (včetně Pi) translokovány do apexu a mladých listů 4. Arbuskulární mykorhizní plísně (AMF) poskytují nedostatkový Pi (výměnou za cukry) Umehara, Plant Biotechnology 2011

38 Kyselina abscisová Regulace růstu a vývoje positivní i negativní regulátory inhibice růstu za nepříznivých podmínek ABA = negativní regulátor růstu a otevírání průduchů zvyšuje odolnost vůči dehydrataci/desikaci (obrana proti vodnímu deficitu zavření průduchů, stimulace obranných drah dormance semen a pupenů, vývoj semen,)

39 Struktura kyseliny abscisové Fyziologicky aktivní: (+)-S-cis-isomer Nezbytné : - cis-konfigurace postranního řetězce - dvojná vazba v kruhu - hydroxylová skupina v poloze 1

40 Mechanismus působení ABA 1) Krátkodobé působení regulace otevřenosti průduchů 2) Dlouhodobé působení - změny exprese genů (potlačení růstu, vývoj semen)

41 Lokalizace a transport ABA Volná ABA v chloroplastech a v cytoplasmě, Světlo transport protonů do gran, zvýšení ph stromatu, disociace ABA, pro ABA - je membrána neprůchodná, pasivní difuzí nedisociovaná ABA do chloroplastů Vodní deficit zvýšení ph cytoplasmy, transport z chloroplastů do cytoplasmy a dále do apoplastu

42 Nedostatek ABA v semenech klíčení již na poli na rostlině - viviparie

43 Dormance pupenů umožní přežít zimu bez poškození

44 Etylén Plynný hormon Žloutnutí stromů v blízkosti lamp na svítiplyn 1901 Dimitrij Neljubov identifikoval etylén jako aktivní složku svítiplynu (pozoroval triple response u klíčních rostlin hrachu pěstovaných v laboratoři) 1910 H.H. Cousins sloučenina uvolňovaná pomeranči urychluje zrání banánů (zřejmě produkce Penicilliem) 1934 identifikace etylénu jako přírodního produktu, klasifikován jako hormon

45 Struktura a výskyt Nejjednodušší olefin, Plyn, lehčí než vzduch, hořlavý Snadný transport mezibuněčným prostorem (difuse) H H C = C H H Snadno uniká z tkání

46 L) Reakce na stres a poranění (účastní se odezvy rostlin na stres sucho, zatopení, zvýšená teplota, chlad, zasolení, ozón, infekce, exprese PR-genů) Funkce etylénu A) Indukce tloustnutí a zkracování stonku B) Stimulace dlouživého růstu ponořených vodních rostlin C) Tvorba apikálního háčku u etiolovaných klíčních rostlin trojná odezva F) Indukce tvorby kořenů a kořenového vlášení G) Stimulace abscise listů H) Urychlení senescence květů a listů I) Urychlení zrání plodů ( klimakterických )

47 B. Stimulace dlouživého růstu ponořených vodních rostlin Ponoření způsobuje zvýšení hladiny etylénu (nemůže unikat) Etylén stimuluje elongaci stonků a řapíků horní části rostlin, až se listy se dostanou nad hladinu Diferenciace aerenchymu (podobně např. i při nedostatku síry) Vodní rostliny + rýže

48 escape strategy ERF subgroup VII Interakce GA a etylénu quiescence strategy Stabilizace DELLA proteinů inhibuje odezvu na GA GRASS doména J Plant Res 2010, 123:

49 C. Tvorba apikálního háčku Etiolované klíční rostlinky (dvouděložné) mají apikální meristém při průchodu zemí chráněn ohnutím, tj. tvorbou apikálního háčku Způsobeno asymetrickým růstem rychlá elongace vnější strany, inhibice vnitřní strany Světlo inhibuje tvorbu etylénu zvýší rychlost elongace na vnitřní straně Otevření háčku

50 E. Indukce tvorby kořenů a kořenového vlášení A Kořenové vlášení se za normálních okolností tvoří z buněk epidermis, které jsou nad rozmezím buněk kortexu B - exogenní aplikace (ACC) nebo C -konstitutivní odezva Vlášení vzniká ze všech epidermálních buněk D Aplikace antagonisty etylénu (Ag +) inhibuje diferenciaci

51 F. Stimulace abscise listů Zóna abscise 2 3 řady buněk, specifické chování Etylén - Indukce celulázy Cell wall hydrolysis, Round protoplasts increase volume Cell separation Leaf abscision

52 G. Zrychlení senescence květů Aplikace Ag + (antagonistu etylénu) ve formě thiosulfátu stříbrného k řezaným karafiátům zpomaluje výrazně jejich vadnutí

53 I. Zrání plodů Rostliny, u nichž šíření semen závisí na přenosu zvířaty, vytváří jedlé plody - během zrání: rozvolnění buněčných stěn (aktivace pektináz a galakturonidáz) zvýšení obsahu rozpustných pektinů hydrolýza škrobu, akumulace cukrů degradace chlorofylu, přeměna chloroplastů na chromoplasty tvorba antokyanů a karotenoidů (upoutání pozornosti) tvorba chuťových a aromatických látek snížený obsah organických kyselin a fenolických látek, včetně taninů Během zrání klimakterických plodů se zvyšuje hladina etylénu, zvýšení respirace klimakterické plody: avokado, banán, jablko, fíky, oliva, broskev, hruška, švestka, rajče, neklimakterické plody: citrusy, ananas, třešně, jahody

54 Tvorba etylénu a intenzita dýchání u banánu

55 Regulace zrání rajčat pomocí etylénu 1. Prodloužení skladovatelnosti plodů pomocí inhibice biosyntézy etylénu (AVG) 2. Zrychlení zrání plodů zvýšením hladiny etylénu 1. Zpomalení zrání Změknutí následkem zvýšení polygalakturonidázy 2. Uspíšení (případně synchronizace ) zrání

56 Využití v praxi Aplikace etylénu ve formě ethrelu synchronizace zrání, OH Synchronizace opadu listů a plodů Cl CH 2 CH 2 O P O OH Zablokování biosyntézy zpomalení zrání plodů Zablokování dráhy zpomalení stárnutí květů

57 Kyselina salicylová Známa více jako lék než jako rostlinný hormon Kyselina salicylová (SA) se nachází v řadě rostlin (vrba, myrta, topol, tužebník jilmový), které se již od 4. století př.n.l. (Hippocrates) používají k tišení bolesti (horečka, reumatismus), při nachlazení Ve 20. letech 19. stol. izolována aktivní látka z kůry vrby a z libavky (Gaultheria procumbens), identifikována jako salicin (glukosid SA) kyselina salicylová nazvána podle Salix (vrby) 1852 SA syntetizována chemicky (levnější), ale hořký - zdravotní potíže při delším užívání (podráždění žaludku) 1898 kyselina acetylsalicylová = aspirin Současná světová produkce mnoho tisíc tun/rok v rostlinách je součástí obrany po napadení pathogeny, rovněž součástí odezvy na abiotické stresy

58 Struktura hydroxyderivát kyseliny benzoové

59 Funkce Thermogeneze zvýšení SA až 100x SA indukuje expresi alternativní oxidázy zvýšení aktivity alternativní respirační dráhy v mitochndriích (omezení konzervace energie do ATP, velká část uvolněna jako teplo) SA zvýší během anthese teplotu až o 14 C, dojde k volatilizaci látek, které atrahují opylovače (u užovníku nebo zmijovce - vůně tlejícího masa)

60 Obrana rostlin po napadení pathogeny Lokální odezva - hypersensitivní odezva: vznik nekrotických lézí (programovaná buněčná smrt) - zabrání šíření pathogena v rostlině Stimulace exprese obranných genů tvorba pathogenesis-related proteins - PR-proteiny Krátce po napadení pathogenem (minuty) - virulentním i avirulentním Zvýšení hladiny superoxidu (O 2- ) a H 2 O 2 Peroxidasy v apoplastu oxidační vzplanutí ( oxidative burst ) Přímé ničení pathogenů, stimulace lignifikace buněčných stěn, Stimulace tvorby SA Ta zpětně stimuluje tvorbu ROS + inhibice katalasy a APX Positivní feed-back loop Amplifikace signálu, HR Druhá fáze u avirulentních p. PCD, exprese obranných genů Interakce s NO

61 Biotrophs Cell death control JA/Et SA auxins CK ABA Halting patogen colonization Nutrient and water demands Biotrofní pathogeny produkují auxiny nebo cytokininy nebo stimulují jejich biosyntézu/snižují degradaci v rostlinách Pseudomonas syringae - Coronatine analog JA-Ile, potlačuje dráhu SA

62

63 Kyselina jasmonová kyselina jasmonová (JA) izolována jako inhibitor růstu rostlin z filtrátu plísně Botryodiploidi theobromae 80. léta JA a metyljasmonát nalezeny v mnoha druzích jako látky stimulující senescenci a inhibující růst, odlišné od ABA metyljasmonát a cis-jasmon jsou složkami vůně jasmínu, parfémy

64 Struktura hlavní jasmonáty jsou (-)-kyselina jasmonová (JA) a (-)-metyljasmonát (těkavý, snadná konverze)

65 1) Obrana vůči okusu a nekrotrofním patogenům proteolytické enzymy, obranné proteiny ( vadí býložravcům a pathogenům)

66 Funkce 1. Zvyšuje resistenci vůči hmyzu a chorobám (akumulace JA po zranění, elicitory, systemin) Zvyšuje resistenci vůči nekrotrofním pathogenům 2.. Zvyšuje expresi obranných proteinů proti plísním (např. osmotin, thionin) 4. Indukce inhibitorů proteáz (cílených proti hmyzu i ve vzdálených listech) Váží se do aktivního místa proteolytických enzymů (trypsin, chymotrypsin), zabrání trávení, housenky mají nedostatek živin Antisense transgeny housenky je zkonzumují daleko rychleji 5. Indukuje tvorbu sekundárních metabolitů - alkaloidů a fenolických látek, včetně pigmentů 6. JA inhibuje buněčné dělení

67 Děkuji za pozornost!