Signalizace u rostlin I Signály, signální dráhy, auxiny a cytokininy

Podobné dokumenty
Auxin - nejdéle a nejlépe známý fytohormon

Růst a vývoj rostlin - praktikum MB130C78

Regulace růstu a vývoje

Buněčné základy růstu a morfogeneze, signalizace u rostlin fytohormony

Příběh pátý: Auxinová signalisace

2012/2013. Fyziologie rostlin: MB130P14, kolektiv přednášejících Albrechtová a kol.

Hořčík. Příjem, metabolismus, funkce, projevy nedostatku

RŮST = nevratné přibývání hmoty či velikosti rostliny spojené s fyziologickými pochody v buňkách

5. Příjem, asimilace a fyziologické dopady anorganického dusíku. 5. Příjem, asimilace a fyziologické dopady anorganického dusíku

Mechanismy hormonální regulace metabolismu. Vladimíra Kvasnicová

CZ.1.07/1.1.00/

6. Buňky a rostlina. Mají rostliny kmenové buňky?

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

Signalizace a komunikace. Rostlinná cytologie - signalizace, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Bunka a bunecné interakce v patogeneze tkánového poškození

Laboratoř růstových regulátorů Miroslav Strnad. ové kultury. Olomouc. Univerzita Palackého & Ústav experimentální botaniky AV CR

Téma: FYTOHORMONY. Santner et al Praktikum fyziologie rostlin

Struktura a funkce biomakromolekul

Buněčný cyklus. Replikace DNA a dělení buňky

Bílkoviny a rostlinná buňka

Regulace metabolických drah na úrovni buňky

4) Interakce auxinů a světla ve vývoji a růstu rostlin

I rostliny mají hormony!... co a jak s auxinem. Eva Zažímalová Ústav experimentální botaniky AV ČR, Praha

FYZIOLOGIE ROSTLIN. Přednášející: Doc. Ing. Václav Hejnák, Ph.D. Tel.:

Průduchy regulace příjmu CO 2

6) Interakce auxinů a světla ve vývoji a růstu rostlin

INTRACELULÁRNÍ SIGNALIZACE II

Úvod do biologie rostlin Úvod PŘEHLED UČIVA

TRANSPORT PŘES MEMBRÁNY, MEMBRÁNOVÝ POTENCIÁL, OSMÓZA

3) Role světla a fytochromů ve vývoji a růstu rostlin

Téma: FYTOHORMONY. Santner et al Praktikum fyziologie rostlin

PREZENTACE ANTIGENU A REGULACE NA ÚROVNI Th (A DALŠÍCH) LYMFOCYTŮ PREZENTACE ANTIGENU

RŮST A VÝVOJ. Diferenciace rozlišování meristematických buněk na buňky specializované

Stomatální vodivost a transpirace

Hořčík. Příjem, metabolismus, funkce, projevy nedostatku

Úloha 5 k zápočtu z přednášky B130P16 (praktické základy vědecké práce)

Bakalářské práce. Magisterské práce. PhD práce

1. Napište strukturní vzorce aminokyselin D a Y a vzorce adenosinu a thyminu

Rostlinné hormony brasinosteroidy a jejich úloha ve vývoji a růstu rostlin

AUTOTROFNÍ A HETEROTROFNÍ VÝŽIVA ROSTLIN, VODNÍ REŽIM ROSTLIN, RŮST A POHYB ROSTLIN

5) Fyziologie rostlinných hormonů auxinů: receptory a signální dráhy

Minerální výživa na extrémních půdách. Půdy silně kyselé, alkalické, zasolené a s vysokou koncentrací těžkých kovů

umožňují enzymatické systémy živé protoplazmy, nezbytný je kyslík,

Bakalářské práce. Magisterské práce. PhD práce

Intermediární metabolismus. Vladimíra Kvasnicová

Fyziologie rostlin - maturitní otázka z biologie (3)

Respirace. (buněčné dýchání) O 2. Fotosyntéza Dýchání. Energie záření teplo BIOMASA CO 2 (-COO - ) = -COOH -CHO -CH 2 OH -CH 3

Šetlík, Seidlová, Šantrůček 2. REGULACE RŮSTU

3. Fytohormony a růstové regulátory I. auxiny, gibereliny a cytokininy

Mendělejevova tabulka prvků

PŘENOS SIGNÁLU DO BUŇKY, MEMBRÁNOVÉ RECEPTORY

12. Fytohormony a regenerace rostlin mnohobuněčné organizmy Buňky pletiva orgány celek organizmus vzniká postupně genetického programu

Růst a vývoj rostlin - praktikum MB130C78

VÝZNAM FUNKCE PROTEINŮ V MEDICÍNĚ

glukóza *Ivana FELLNEROVÁ, PřF UP Olomouc*

Teoretický úvod: FOTOTROPISMUS. Praktikum fyziologie rostlin

Bakalářské práce. Magisterské práce. PhD práce

Rostlinné hormony brasinosteroidy a jejich úloha ve vývoji a růstu rostlin

10. Minerální výživa rostlin na extrémních půdách

Transport živin do rostliny. Radiální a xylémový transport. Mimokořenová výživa rostlin.

Auxin univerzální vývojový signál v životě rostlin

VÝZNAM REGULACE APOPTÓZY V MEDICÍNĚ

RNDr. David Novotný Ph.D Biologické přípravky na bázi bakterií

Rich Jorgensen a kolegové vložili gen produkující pigment do petunií (použili silný promotor)

IV117: Úvod do systémové biologie

Růst a vývoj rostlin

d) Kanály e) Přenašeče a co-transportéry, mediátory difúze a sekundární aktivní transport f) Intracelulární transport proteinů

Mendelova genetika v příkladech. Transgenoze rostlin. Ing. Petra VESELÁ, Ústav lesnické botaniky, dendrologie a geobiocenologie LDF MENDELU Brno

VORF Winslow Russel Briggs ( )

Univerzita Karlova v Praze - 1. lékařská fakulta. Buňka. Ústav pro histologii a embryologii

3) Membránový transport

7) Dormance a klíčení semen

7) Senescence a programová smrt buňky (PCD)

3 a) Fyzikální principy. 5 Chemický potenciál (µ s ) (volná energie na jeden mol: J/mol) * = chemický potenciál roztoku s za standartních podmínek

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

pátek, 24. července 15 BUŇKA

Toxikologie PřF UK, ZS 2016/ Toxikodynamika I.

Obecný metabolismus.

3. ČÁST - RŮST A VÝVOJ

Síra. Deficience síry: řepka. - 0,2-0,5% SH, nedostatek při poklesu obsahu síranů pod 0,01% SH

OBNOVA APIKÁLNÍ DOMINANCE NA KLÍČNÍCH ROSTLINÁCH HRACHU (Pisum sativum L.)

Regulace enzymové aktivity

FYZIOLOGIE ROSTLIN VÝŽIVA ROSTLIN 1) AUTOTROFNÍ VÝŽIVA ROSTLIN 2) HETEROTROFNÍ VÝŽIVA ROSTLIN

kvantitativní změna přirůstá hmota, zvětšuje se hmotnost a rozměry rostliny rostou celý život a rychleji než živočichové

Glykolýza Glukoneogeneze Regulace. Alice Skoumalová

BUŇKA ZÁKLADNÍ JEDNOTKA ORGANISMŮ

Molekulární biotechnologie č.12. Využití poznatků molekulární biotechnologie. Transgenní rostliny.

Dusík. - nejdůležitější minerální živina (2-5% SH)

Vodní režim rostlin. Mechanizmy pohybu průduchů. Obecné charakteristiky. Reakce průduchů na vlhkost vzduchu. Reakce průduchů na vodní stres

3. ČÁST - RŮST A VÝVOJ

Fyziologie AUTOFAGIE. MUDr. JAN VARADY KARIM FNO

2010/2011. Fyziologie rostlin: MB130P14, kolektiv pednášejících Albrechtová a kol.

Abiotický stres - sucho

Příběh šestý: Co mají společného signální dráhy?

Regulace metabolizmu lipidů

Propojení metabolických drah. Alice Skoumalová

3) Senescence a programová smrt buňky (PCD)

STRUKTURNÍ SKUPINY ADHEZIVNÍCH MOLEKUL

Energetický metabolizmus buňky

Text zpracovala Mgr. Taťána Štosová, Ph.D PŘÍRODNÍ LÁTKY

Transkript:

Fyziologie rostlin, LS 2013 Přednáška 5 Signalizace u rostlin I Signály, signální dráhy, auxiny a cytokininy Jan Petrášek, PřFUK

Signalizace - dráždivost Bohumil Němec: Vztahy rostlin k vnějšímu světu, J.Otto, Praha 1907 Životní zjevy, které na rostlinách pozorujeme, lze rozdělit ve čtyři skupiny: Předně ve zjevy vzrůstu a formálního utváření se těla rostlinného. Druhá skupina životních pochodů obsahuje pochody týkající se výživy a výměny látek. Třetí skupina životních pochodů vztahuje se na dráždivost rostlin. Poslední skupina životních pochodů zahrnuje zjevy rozplozovací.

Co víme po více než sto letech? o typech signálů, které rostlina přijímá? o mechanizmech jejich zpracování? o způsobech a nástrojích předávání informace mezi buňkami, pletivy a orgány? o způsobech a nástrojích komunikace mezi rostlinnými organizmy resp. rostlinou a organizmy jinými?

Přenos signálu v rostlinách Typy signálu lze členit dle různých hledisek - externí, interní, biotické a abiotické Reakce rostliny spočívá v amplifikaci signálu, jeho přenosu a následně ve změnách růstu a metabolismu Fig. 18.1, 2.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

Přenos signálu v rostlinách Signál míra informace v čase či prostoru Modulace signálu je dána vývojovým stádiem rostliny, jejím předchozím ovlivněním na stanovišti, ale též vnitřními hodinami. Důležitost časování odpovědi na signál lze dobře dokumentovat na příkladu klíčení semen. Protože nelze tento proces zastavit, v případě jeho špatného načasování nedojde ke správnému růstu a vývoji. Přenos signálu je to komplexní proces zahrnující veškeré děje od přijetí signálu receptorovými strukturami, přes přenos pomocí systému druhých poslů až po specifickou aktivaci buněčné odpovědi často pomocí specifické genové exprese. Interakce více signálů kooperace mezi dvěma či více druhy signálů je u rostlin např. známa v případě signalizace červeným a modrým světlem, vnímání gravitace a světla, světla a dostupnosti nitrátů, kooperace růstových regulátorů (fytohormonů) a též různých minerálních látek. Existence společných mechanismů pro více signálních drah

Přenos signálu v rostlinách Přenos signálu sestává z jeho zachycení receptorem s následnou aktivací druhých poslů a vyvoláním odpovědi buňky

Přenos signálu v rostlinách Hlavními společnými složkami signálních drah u rostlin spouštěných vazbou regulační molekuly na receptor jsou především vápenaté ionty (Ca 2+ ) a regulační protein kinázy a fosfatázy. Změny v vnitrobuněčné koncentraci Ca 2+ jsou určující v procesech jako je např. uzavírání průduchů či směrování růstu pylové láčky, protein kinázy regulují procesy prostřednictvím specifické fosforylace proteinů. Fig. 18.3.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

Úrovně signalizace v rostlinném těle Komplexita regulace signálních drah je dále určena existencí složitých vztahů na úrovni dalších druhých poslů (IP 3, DAG, G- proteiny), metabolických reakcí, přestavbou podpůrných struktur cytoskeletu a membránového systému. Fig. 18.71.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

Úrovně signalizace v rostlinném těle Odpověď na signál není vždy dána přesně určeným projevem konkrétního genu (A), většinou se jedná o kombinace projevů složitého systému epistatických a pleiotropníchc genů ústící vlivem působení mnoha faktorů do celkově epigenetického charakteru odpovědi (B). Fig. 18.6.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

Přenos signálu v rostlinách - receptory Příjem signálu u rostlin je realizován buď pomocí receptorů v plazmatické membráně, cytosolu či jádře nebo vlastní změnou membránového potenciálu, která otevírá iontové kanály Fig. 18.13.: 18.10.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

Přenos signálu v rostlinách - receptory Typická lokalizace v plazmatické membráně a membránách ER, také v jádře (fytochrom) či cytoplazmě (kryptochrom) A receptor vázaný na trimerický G protein (percepce naznačena u giberelinů a ABA) B - receptor vázaný na enzym, receptorové dvoukomponentní histidinové kinázy, např. receptor pro cytokinin či etylén Fig. 18.11.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000 Fig. 18.11.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

Přenos signálu v rostlinách - receptory Hybridní receptorové kinázy zprostředkují signál pomocí fosforylace His na receptorové kináze a Asp na tzv. regulátoru odezvy s následným ovlivněním transkripce. Příkladem je receptor pro plynný hormon etylén či cytokininy. Fig. 18.18.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

Přenos signálu v rostlinách - receptory C proteinkinázové receptory, RLK (receptor-like kinases), u rostlin většinou Ser/Thr typu. Dělení dle povahy extracelulární domény. Mezi receptory typu LRR-RLK (leucin-rich repeat) patří např. receptor brassinosteroidů (BRI1) či bakteriální elicitorů (FLS2). http://faculty.washington.edu/ktorii/rlkoverview04.html

Přenos signálu v rostlinách - receptory D receptory červeného (fytochrom) a modrého světla (phototropin, kryptochrom) O nich více v přednášce č. 8 a 9 (Vývoj I a II). Koordinace vývoje na světle a ve tmě pomocí receptorů červeného (fytochrom) a modrého světla (kryptochrom). Aktivita fotoreceptorů na světle blokuje aktivitu ubikvitin ligázy COP1 a v důsledku toho nedochází k degradaci transkripčního faktoru HY5. Tento transkripční faktor je schopen navodit světelný vývoj za všech podmínek. Lau and Deng, Current Opinion in Plant Biology 2010, 13:571 577

Přenos signálu v rostlinách - receptory Koordinace vývoje na světle (fotomorfogeneze) a ve tmě (skotomorfogeneze) pomocí receptorů červeného a modrého světla. Aktivita fotoreceptorů na světle blokuje aktivitu ubikvitin ligázy COP1 a v důsledku toho nedochází k degradaci transkripčního faktoru HY5. Tento transkripční faktor je schopen navodit světelný vývoj za všech podmínek. Fig. 18.4.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

Přehled důležitých signálních drah u rostlin Fosfatidyl inositolový signální systém Fosfolipáza C je aktivována v reakci na signál přenesený trimerickým G proteinem. Výsledkem její aktivity štěpení fosfatidylinositol 4,5 bisfosfátu (PIP 2 ) na inositol 1,4,5 trisfosfát (IP 3 ) a diacyl glycerol (DAG). IP 3 aktivuje Ca 2+ kanály v membránách endoplazmatického retikula a výsledný signál je zprostředkován přes kalmodulindependentní protein kinázy. Fig. 18.33.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

Přehled důležitých signálních drah u rostlin Protein kinázové kaskády jsou nejrozšířenějším způsobem regulace genové exprese MAPK - protein kinázy aktivující mitogeny v podobě transkripčních faktorů, návazné fosforylace slouží k zesílení signálu a případné další regulaci. Aktivace transkripčních faktorů v cytoplazmě či přímo v jádře. Fig. 18.63.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000 2012 Katedra exp. biol. rostlin, PřF UK, Jan Petrášek

Přehled důležitých signálních drah u rostlin Řízená proteolýza signálních molekul, např. transkripčních faktorů. Protein (např. transkripční faktor) určený k degradaci je označen ubikvitinem ve třech následných krocích. Aktivační enzym E1 za spotřeby ATP aktivuje ubikvitin, konjugační enzym E2 ho dále napojí na komplex ubikvitin ligázy E3, kde je již vázán protein určený k degradaci. Tento komplex může obsahovat též receptory pro fytohormony jako je auxin či giberelin. Po jejich navázání se tak ovlivňuje přímo aktivita celého komplexu. Degradace proteinů následně probíhá v proteasomu. Fig. 9.44.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

Rostlinná neurobiologie Nově formovaná oblast rostlinné fyziologie, která si klade za cíl studovat podstatu adaptivního chování rostlin. Alternativní název Sensorická biologie rostlin či biologie vnímání rostlin. Sdružuje více pohledů: - buněčná a molekulární biologie - elektrofyziologie - ekologie Oblasti studia: - anatomie, adaptace, signalizace během symbiózy a reakce na patogeny, rostlinná imunita, paměť a učení, komunikace mezi rostlinami, rostlinná inteligence Jméno rostlinná neurobiologie podle Brenner et al. 2006 - Rostliny odpovídají na okolní svět změnami v morfologii, pohyby, reagují na elektrické podněty, přenášejí akční potenciál, tvoří signální molekuly a ovlivňující chování jiných organismů Brenner E, et al (2006) Plant neurobiology: an integrated view of plant signaling. Trends Plant Sci 11: 413-419

Fytohormony Julius von Sachs (1832-1897) hypotéza chemických signálů (morfogenů) Signální molekuly s růstově regulační funkcí Základní šest skupin: - auxiny - cytokininy - gibereliny - kyselina abscisová - etylén - brasinosteroidy Další látky s růstově-regulační funkcí: - kyselina jasmínová - kyselina salicylová - strigolaktony - polyaminy - peptidové hormony - oxid dusnatý Santner et al. 2009, Nature Chemical Biology 5 (5), 301-307

Fytohormony Signální molekuly v podobě organických nízkomolekulárních látek Přítomné v nízkých koncentracích (10-6 až 10-9 M) Vývojové procesy jsou zajištěny změnou koncentrace určitého typu fytohormonu a současně modulací citlivosti pletiv k němu Spolupůsobení faktorů okolního prostředí (světelné a tepelné záření, gravitace, elektrická pole) Podrobněji o fytohormonech pojednává semestrální přednáška KFR PřFUK Fytohormony B130P15 2012 Katedra exp. biol. rostlin, PřF UK, Jan Petrášek

Analogie živočišných a rostlinných hormonů sporná Velmi obecný mechanismus účinku je společný: Biosyntéza HORMON Metabolismus Receptor Aktivace výkonných struktur (systém druhých poslů) a případné následné ovlivnění genové exprese Živočišné hormony: - syntéza ve specializovaných tkáních - transportovány na přednostní místo spotřeby - vyvolávají relativně specifickou fyziologickou odpověď - působí v úzké koncentrační škále mezi 10-8 až 10-10 M Rostlinné hormony: - není jasně patrný rozdíl mezi místem biosyntézy a spotřeby - mají značně pleiotropní účinky - koncentrační rozmezí širší mezi 10-6 až 10-9 M 2012 Katedra exp. biol. rostlin, PřF UK, Jan Petrášek

Syntetické látky s růstově-regulační funkcí Struktura podobná fytohormonům či jejich antagonistům, často stabilnější, lépe aplikovatelné, proto použití v zahradnictví. Mohou mít společný mechanismus účinku a působit tak jako analoga, nebo mohou narušovat transport konkrétního hormonu. 2012 Katedra exp. biol. rostlin, PřF UK, Jan Petrášek

Nároky na fytohormony...aneb čím izolovanější buňka je, tím závislejší se stává na tom co jí dodáme zvenčí. Rostlina Zvýšení nároků na exogenní fytohormony Buňka Kalus, buněčná kultura Protoplast Protoplastová kultura Snížení nároků na exogenní fytohormony Buňka Organogeneze, embryogeneze Rostlina

Auxiny historie objevu Nejdéle známé fytohormony Darwin 1880, Paal 1919, Went 1928 pokusy s koleoptilí ovsa prokázali existenci účinné látky podporující prodlužování buněk (auxein=růst) Kögl 1933 identifikoval tuto látku v lidské moči jako kyselinu indolyl-3- octovou (IAA), teprve 1946 potvrzena ve vyšší rostlině

Auxiny historie objevu F.W. Went, 1924-1928, koleoptilový test na auxiny

Auxiny - chemické struktura IAA IBA 4-Cl-IAA Kyselina indolyl-3-octová Kyselina indolyl-3-máselná Kyselina 4-chlor-indolyl-3-octová Kyselina fenyloctová Kyselina 2,4-dichlorfenoxyoctová Kyselina 1-naftyloctová PAA 2,4-D NAA

Auxiny - biosyntéza Biosyntéza probíhá v mladých rychle se dělících buňkách, tj. meristémech, embryu, vyvíjejících se plodech 1) Biosyntéza vycházející z L- tryptofanu: - u vyšších rostlin nejčastěji přes indolylpyruvát

Auxiny - biosyntéza 2) Biosyntéza nezávislá na L- tryptofanu: - Prekurzorem indol či indolylglycerol

Auxiny - biosyntéza 3) Biosyntéza z indolylacetamidu: - Prekurzorem L-tryptofan, probíhá v symbiotických bakteriích Agrobacterium tumefaciens v jejich T-DNA jsou geny iaam a iaah - podobné též v dalších patogenech (Pseudomonas savastanoi), kde ještě navíc gen iaal pro IAA lysin syntázu konjugace IAA s lysinem

Auxiny - metabolismus Konjugace IAA: - navázání nízkomolekulárních látek - glukosylestery - myoinositol estery - konjugáty s s aminokyselinami (např. aspartát, alanin) - je reverzibilní Funkce konjugátů: - zásobní pool auxinu (klíčící semena), až 50-90% celkového obsahu IAA - detoxifikační - transportní - ochrana před degradací

Auxiny - metabolismus Ireverzibilní degradace (katabolismus IAA): 1) dekarboxylační peroxidáza/iaa oxidáza - inaktivace 2) nedekarboxylační IAAoxygenáza - může obsahovat konjugační kroky

Auxiny fyziologické účinky Stimulace prodlužovacího růstu segmenty koleoptilí ovsa H 2 O IAA

Auxiny fyziologické účinky Regulace tropismů pozitivní gravitropismus kořene a negativní gravitropismus stonku Gravitropismus kořene ohyb dolů: - hromadění auxinu na spodní straně, kde je taková koncentrace inhibiční pro buněčnou elongaci Gravitropismus stonku ohyb nahoru: - hromadění auxinu na spodní straně, kde je taková koncentrace aktivační pro buněčnou elongaci Paciorek et al. 2005, Nature 435 (7046), 1251-1256 Friml 2003, Current Opinion in Plant Biology 6, 1-6

Auxiny fyziologické účinky Regulace tropismů fototropismus stonku: - hromadění auxinu na od světla odvrácené straně, kde je taková koncentrace aktivační pro buněčnou elongaci - souvisí se signalizací prostřednictvím fosforylace receptoru modrého světla fototropinu DR5::GUS světlo Ding et al., 2011, Nature Cell Biology 13, 447-452

Auxiny fyziologické účinky Udržování apikální dominance vzrostný vrchol produkcí auxinu a jeho transportem bazipetálně udržuje svou dominanci

Auxiny fyziologické účinky Regulace embryogeneze, zakládání laterálních orgánů Tanaka et al.,.cell. Mol. Life Sci. 63, 2738 2754, 2006

Auxiny fyziologické účinky Indukce buněčného dělení v explantátových kulturách + Auxin - Auxin Suspenzní kultura tabáku BY-2 2012 Katedra exp. biol. rostlin, PřF UK, Jan Petrášek

Auxiny fyziologické účinky Stimulace zakořeňování a podpora tvorby hlíz či plodů Callis 2005, Nature 435, 436-437

Auxiny - mechanismus účinku Auxinem stimulovaná aktivace H + -ATPázy: - umožňuje snižovat ph buněčné stěny a rozvolňovat tak její strukturu, důsledkem je tzv. kyselý růst

Auxiny mechanismus účinku Auxinem stimulovaná specifická degradace transkripčních represorů Aux/IAA blokujících transkripci přes proteiny ARF (auxin response factors). Degradace je řízena ubiquitinací prostřednictvím komplexu ubiquitin ligázy E3 obsahující receptor pro auxin protein TIR1 a směrována do proteasomu. Při nízkých hladinách auxinu (a) jsou geny odpovídající na auxin reprimovány pomocí Aux/IAA represorů, auxin spustí degradaci Aux/IAA a expresi auxinemindukovaných genů (b). tir1 mutant Bishopp et al. 2006, Development 133, 1857-1869 Santner et al. 2009, Nature Chemical Biology 5 (5), 301-307

Polární transport auxinů - regulační funkce Rostlina Kořen Směr toku auxinu Přenašeč auxinu ven z buňky Přenašeč auxinu do buňky Parenchymatické buňky protofloému (Podle Grebe, BioEssays 26, 719, 2004)

Polární transport auxinů regulační funkce Chemiosmotická teorie transportu auxinu z buňky do buňky: - Odlišná prostupnost IAA a IAA - přes plasmatickou membránu (a) - Disociace molekul IAA vyšší v cytosolu oproti buněčné stěně vlivem vyššího ph (c) - IAA - je zachytávána v cytoplasmě v tzv. aniontové pasti, pokud má být transportována, musí se tak dít pomocí aktivního přenašeče (b, d, e) - Polarita toku tedy dána umístěním přenašečů Petrášek and Friml, 2009, Development 136, 2675-2688

Polární transport auxinů transportní molekuly Molekuly auxinu jsou kromě pasívní difúze transportovány systémem aktivních přenašečů - AUX1/LAX přenašeče auxinu dovnitř buňky (a) - PINs přenašeče auxinu ven z buňky (b) - ABCBs (MDRs, PGPs) (c) přenašeče auxinu ven z buňky Luschnig 2006, Trends in Plant Science 7, 329-332

Přenašečové molekuly podléhají konstitutivnímu cyklování Přenašečové molekuly recyklují mezi plasmatickou membránou a endomembránovým systémem: - regulace inhibitory transportu auxinu (PBA, TIBA) - regulace samotnými auxiny Kleine-Vehn et al. 2006, Plant Cell 18, 3171-3181

Přenašečové molekuly jako distributory auxinu v rostlině Polární transport zprostředkovaný přenašečovými molekulami hraje úlohu v embryogenezi Petrášek and Friml, 2009, Development 136, 2675-2688

Přenašečové molekuly jako distributory auxinu v rostlině Polární transport zprostředkovaný přenašečovými molekulami hraje úlohu v postembryonálním vývoji utváření stonku a kořene, vývoj laterálních orgánů, gravitropické odpovědi, diferenciace vodivých pletiv) Petrášek and Friml, 2009, Development 136, 2675-2688

Přenašečové molekuly jako distributory auxinu v rostlině Polární transport zprostředkovaný přenašečovými molekulami hraje úlohu v postembryonálním vývoji utváření stonku a kořene, vývoj laterálních orgánů, gravitropické odpovědi, diferenciace vodivých pletiv) Petrášek and Friml, 2009, Development 136, 2675-2688

Auxiny shrnutí mechanismů Paciorek and Friml, 2006 J Cell Sci 119, 1199-1202

Cytokininy - historie objevu Haberlandt 1913 látka v cévních svazcích stimulující buněčné dělení Overbeek 1940 látka v mléčném endospermu z nezralých ořechů kokosu Skoog 1950 pokusy s in vitro kulturami tabáku, stimulace dělení po aplikaci částí vaskulárního pletiva na explantát, úspěch i s kvasničným extraktem a autoklávovanou DNA Miller 1954 izolace účinné látky z klávované DNA slanečka, pojmenována kinetin první syntetický cytokinin Letham 1963 první přirozeně se vyskytující se cytokinin (zeatin) izolován z nezralého endospermu kukuřice

Cytokininy - historie objevu Kontrola Kinetin Amasino, R. (2005) 1955: Kinetin Arrives. The 50th Anniversary of a new plant hormone. Plant Physiol. 138: 1177-1184

Cytokininy chemická struktura N 6 -substituované deriváty adeninu podle postranního řetězce se dělí na isoprenoidní a aromatické Sakakibara, Annu Rev Plant Biol 2006.57, 431

Cytokininy biosyntéza Vychází z isopentenyl pyrofosfátu (IPP) Isopentenyl transferáza U rostlin enzym isopentenyl transferáza (IPT) katalyzuje první krok přeměny dimethylallyl difosfátu (DMAPP) a ADP či ATP na cestě k isopentenyl adeninu (ip) ipt se nachází též v symbiotických bakteriích (Agrobacterium tumefaciens) Probíhá hlavně v kořenech, embryích, mladých listech a plodech, všude tam, kde se buňky dělí.

Cytokininy - metabolismus Metabolismus cytokininů: - CKs přítomny jako volné látky (trans formy) či v trna (v cis formě) - vratné přeměny volných bazí na ribosidy či ribotidy - O- a N- glykozylace - oxidační degradace cytokinin oxidázou odejme postranní řetězec

Cytokininy fyziologické účinky 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 Převaha auxinu Převaha cytokininu

Cytokininy fyziologické účinky Stimulace buněčného dělení v meristémech, narušení apikální dominance Rostlina tabáku exprimující ipt gen narušena apikální dominance na úkor laterálních meristémů a potlačena senescence Fig. 17.34.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

Cytokininy fyziologické účinky Zpomalení stárnutí rostliny tabáku exprimující gen ipt pod kontrolou promoru indukovaného senescencí jsou nesmrtelné. Cytokininy stimulují tvorbu chlorofylu.

Cytokininy fyziologické účinky Zvýšení odolnosti ke stresům zvýšená tvorba cytokininů též napomáhá rostlinám odolávat abiotickým stresům jako jsou sucho či chlad Zvýšení exprese IPT vyvolané suchem na něj zvyšuje odolnost Wild-type Elevated CK Ošetření cytokininy zvýší odolnost k mrazu CK pretreatment Control Before freezing After freezing Numbers of plants surviving, out of 10 Rivero, R. M. et al. (2007) Delayed leaf senescence induces extreme drought tolerance in aflowering plant. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104: 19631-19636 Copyright National Academy of Sciences; Nishiyama, R., et al., (2011). Jeon, J., Kim, N.Y., Kim, S., Kang, N.Y., Novák, O., Ku, S.- J., Cho, C., Lee, D.J., Lee, E.-J., Strnad, M. and Kim, J. (2010). A subset of cytokinin two-component signaling system plays a role in cold temperature stress response in Arabidopsis. J. Biol. Chem. 285: 23371-23386.11

Cytokininy fyziologické účinky Regulace příjmu minerálních živin a jejich alokace Sink Sink Source Source CO 2 Shoot systems are a source of sugars and primary metabolites that are distributed to nutrient sinks including flowers and fruits, roots, and young leaves Root systems take up mineral nutrients such as nitrate, sulfate and phosphate NO 3 - SO 4 2- PO 4 3- Sink

Cytokininy fyziologické účinky Regulace příjmu minerálních živin a jejich alokace Sink Source Elevated levels of nitrate or phosphate increase the rate of CK synthesis, which ultimately decreases root growth rate. In turn, elevated CK represses nutrient uptake NO 3 - SO 4 2- PO 4 3- Sink Source Sink CO 2 Elevated CK levels increase expression of photosynthetic enzymes and delay leaf senescence

Cytokininy mechanismus účinku Vazba na receptor CRE1 (cytokinin receptor) - CRE1 je dvousložková histidinová kinása lokalizovaná v plazmatické membráně - existují ještě další dvě histidinové receptorové kinázy vážící cytokininy (AHK2, AHK3) - vyvolání sledu fosforylačních reakcí přes proteiny AHP (Arabidopsis histidin phosphotransfer protein) - výsledkem je aktivace transkripčních faktorů (ARR typu A a B; Arabidopsis response regulators) ARR typu A jsou negativními regulátory odpovědi na cytokininy, ARR typu B jsou pozitivními stimulátory genové exprese Wt cre1/ah k3/ahk2 triple Santner et al. 2009, Nature Chemical Biology 5 (5), 301-307

Cytokininy mechanismus účinku Spektrum hsitidinových kináz AHP kináz je obrovské, též regulátorů odezvy ARR, toto tedy představuje širokou možnost regulace signálu Ferreira and Kieber, Current Opinion in Plant Biology 2005, 8:518

Cytokininy - mechanismus účinku Spektrum hsitidinových kináz AHP kináz je obrovské, též regulátorů odezvy ARR, toto tedy představuje širokou možnost regulace signálu Identifikace jednotlivých genů pod kontrolou cytokininů pomáhá pochopit mnoho dalších procesů v rostlinách Reprinted from Werner, T., and Schmülling, T. (2009). Cytokinin action in plant development. Current Opinion in Plant Biology 12: 527-538, with permission from Elsevier copyright 2009.