4) Role světla a fytochromů ve vývoji a růstu rostlin

Podobné dokumenty
3) Role světla a fytochromů ve vývoji a růstu rostlin

9) Fotomorfogeneze RVR. Schäfer E, Nagy F (eds) (2006) Photomorphogenesis in Plants and Bacteria, 3rd ed., Springer

1) Úloha světla a fytochromů ve vývoji a růstu rostlin

3) Role světla a fytochromů ve vývoji a růstu rostlin

Úloha genu COP1 v rostlinné fotomorfogenezi a tumorogenezi u živočichů

MFPSB 1. b) Úloha COP1 ve fotomorfogenezi rostlin c) COP1 a tumorogeneze

4) Reakce rostlin k modrému světlu

6) Interakce auxinů a světla ve vývoji a růstu rostlin

4) Interakce auxinů a světla ve vývoji a růstu rostlin

RVR e) Fotobiologie reakcí zprostředkovaných modrým světlem f) Fotoreceptory g) Přenos signálu

2) Reakce rostlin k modrému světlu

19. století. b) Fotoreceptory c) Přenos signálu. b) Fotoreceptory modrého světla: Kryptochromy (cryptochromes) PHR

Základy molekulární biologie KBC/MBIOZ

5) Reakce rostlin k modrému světlu

VÝZNAM FUNKCE PROTEINŮ V MEDICÍNĚ

Buněčný cyklus. Replikace DNA a dělení buňky

BUŇEČNÝ CYKLUS A JEHO KONTROLA

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

7) Dormance a klíčení semen

VÝZNAM REGULACE APOPTÓZY V MEDICÍNĚ

Bílkoviny a rostlinná buňka

TUBULIN-FOLDING COFACTOR A (TFC A) u Arabidopsis

MBR ) Reprodukce rostlin. a) Indukce kvetení. b) Vývoj květu - stručná morfologie. c) Genetická a molekulární analýza vývoje květu

Struktura a funkce biomakromolekul

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

Regulace růstu a vývoje

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

Rostlinné hormony brasinosteroidy a jejich úloha ve vývoji a růstu rostlin

RŮST A VÝVOJ. Diferenciace rozlišování meristematických buněk na buňky specializované

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

VLIV SPEKTRÁLNÍHO SLOŽENÍ FOTOSYNTETICKY AKTIVNÍ RADIACE NA INDUKCI FOTOSYNTÉZY TERMOOPTICKÝ JEV

2. Z následujících tvrzení, týkajících se prokaryotické buňky, vyberte správné:

Rostlinné hormony brasinosteroidy a jejich úloha ve vývoji a růstu rostlin

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

Regulace metabolických drah na úrovni buňky

Exprese genetického kódu Centrální dogma molekulární biologie DNA RNA proteinu transkripce DNA mrna translace proteosyntéza

INTRACELULÁRNÍ SIGNALIZACE II

3) Membránový transport

MBR ) Reprodukce rostlin. a) Indukce kvetení. b) Vývoj květu - stručná morfologie. c) Genetická a molekulární analýza vývoje květu

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

Hořčík. Příjem, metabolismus, funkce, projevy nedostatku

Životní cyklus rostliny. a) Indukce kvetení. b) Vývoj květu - stručná morfologie. c) Genetická a molekulární analýza vývoje květu. a) Indukce kvetení

Vápník. Deficience vápníku: - 0,4-1,5% DW. - cytoplasmatická koncentrace vápníku velmi nízká (0,1-0,2µM)

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

Příběh pátý: Auxinová signalisace

Mechanismy hormonální regulace metabolismu. Vladimíra Kvasnicová

Exprese genetické informace

Buněčné jádro a viry

VORF Winslow Russel Briggs ( )

Buněčný cyklus a molekulární mechanismy onkogeneze

Bakalářské práce. Magisterské práce. PhD práce

Mendělejevova tabulka prvků

2) Exprese genů a přenos signálu

DUM č. 11 v sadě. 37. Bi-2 Cytologie, molekulární biologie a genetika

umožňují enzymatické systémy živé protoplazmy, nezbytný je kyslík,

Kosterní svalstvo tlustých a tenkých filament

Hořčík. Příjem, metabolismus, funkce, projevy nedostatku

Apoptóza Onkogeny. Srbová Martina

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

Úloha protein-nekódujících transkriptů ve virulenci patogenních bakterií

Chemie nukleotidů a nukleových kyselin. Centrální dogma molekulární biologie (existují vyjímky)

2) Reprodukce rostlin

P1 AA BB CC DD ee ff gg hh x P2 aa bb cc dd EE FF GG HH Aa Bb Cc Dd Ee Ff Gg Hh

ve srovnání s eukaryoty (životnost v řádu hodin) u prokaryot kratší (životnost v řádu minut) na životnost / stabilitu molekuly mají vliv

Bakalářské práce. Magisterské práce. PhD práce

Molekulární základy dědičnosti. Ústřední dogma molekulární biologie Struktura DNA a RNA

7. Regulace genové exprese, diferenciace buněk a epigenetika

5) Fyziologie rostlinných hormonů auxinů: receptory a signální dráhy

Bakteriální transpozony

2) Exprese genů a přenos signálu

Fotosyntéza Světelné reakce. Ondřej Prášil Mikrobiologický ústav AVČR Laboratoř fotosyntézy v Třeboni

Fotomorfogeneze: vliv světla na procesy vývoje rostlin ve výuce biologie na školách

Syntéza a postranskripční úpravy RNA

PŘENOS SIGNÁLU V BUŇCE. Nela Pavlíková

Auxin - nejdéle a nejlépe známý fytohormon

Obecný metabolismus.

RECEPTORY CYTOKINŮ A PŘENOS SIGNÁLU. Jana Novotná

Eva Benešová. Dýchací řetězec

FOTOSYNTÉZA. soubor chemických reakcí,, probíhaj v rostlinách a sinicích. z CO2 a vody jediný zdroj kyslíku ku pro život na Zemi

AUG STOP AAAA S S. eukaryontní gen v genomové DNA. promotor exon 1 exon 2 exon 3 exon 4. kódující oblast. introny

10. Minerální výživa rostlin na extrémních půdách

Bakalářské práce. Magisterské práce. PhD práce

PŘENOS SIGNÁLU DO BUŇKY, MEMBRÁNOVÉ RECEPTORY

Struktura a funkce biomakromolekul KBC/BPOL

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

Tyranovec královský Onychorhynchus coronatus SIGNALIZACE BUNĚČNÁ. B10, 2015/2016 Ivan Literák

Růst a vývoj rostlin - praktikum MB130C78

Proteiny Genová exprese Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D.

Genová etiologie nemocí

Struktura a funkce biomakromolekul KBC/BPOL

Nukleové kyseliny. DeoxyriboNucleic li Acid

DUM č. 10 v sadě. 37. Bi-2 Cytologie, molekulární biologie a genetika

METABOLISMUS SACHARIDŮ

pátek, 24. července 15 BUŇKA

1- Úvod do fotosyntézy

Biosyntéza sacharidů 1

Intracelulární Ca 2+ signalizace

12-Fotosyntéza FRVŠ 1647/2012

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

Projekt realizovaný na SPŠ Nové Město nad Metují

Transkript:

1 2010 4) Role světla a fytochromů ve vývoji a růstu rostlin c) Ekologické funkce fytochromů d) Buněčný a molekulární mechanismus funkce fytochromů Briggs WR, Spudich JL (eds) (2005) Handbook of Photosensory Receptors, Wiley-VCH Schäfer E, Nagy F (eds) (2006) Photomorphogenesis in Plants and Bacteria, 3rd ed., Springer Whitelam GC, Halliday KJ (eds) (2007) Light and Plant Development Blackwell Publishing

2 c) Ekologické funkce fytochromů R/F reverzibilní pigment Vlnové délky R a FR = informace pro rostlinu R : FR R : FR = Proud fotonů při 660 nm Proud fotonů při 730 nm + - + - 10 nm 10 nm UPDATE 2010 Franklin KA, Quail PH (2010) J Exp Botany 61: 11-24 Nové review of funkci fytochromů u Arabidopsis

3 R : FR různých prostředí

4 Shade avoidance (únik ze stínu) = reakce rostlin k zastínění R FR R:FR = 1.2 Shade-avoidance reakce R:FR = 0.8 - prodlužování - redukce velikosti listů - úbytek chlorofylu - redukce tvorby sec. výhonů

5 FR Pfr V Pr V Pfr:P total Indukce prodlužování Pfr FR

6 Denní rytmy (circadian rythms) Denní rytmy = rytmické změny, při kterých se fáze vyšší aktivity střídají s fázemi o nižší aktivitě Přetrvávají i bez přítomnosti exogenních faktorů => endogenní Nutnost existence vnitřních stimulátorů (pacemakers) Endogenní oscilátory - rostliny - živočichové - (ne)závislé na teplotě => funkční v různých klimatických podmínkách - modulovány světlem => denní rytmus: 24 hodin

7 Nyctinastie (spící pohyby rostlin) (nyctinasty) Světlo Tma Mimosa

8 R (červené) a B (modré) světlo stimuluje otevírání listů; FR ruší efekt R Fytochromy jsou zapojeny

9 Fyziologický mechanismus pohybu listů změny v turgoru buněk pulvinia Změny v turgoru buněk dorzálních a ventrálních buněk = změny v proudění K + a Cl - Akumulace K + a Cl - ve ventrálních buňkách => nafouknutí buněk => otevírání listů Ventrální buňky ztrácí K + a Cl - => smršťování buněk => zavírání listů Světlo Tma

10 Exprese genů a denní rytmy Geny skupiny LHCB light harvesting chlorophyll a/b-binding proteins of photosystem II Exprese LHCB je regulována fytochromy + denním rytmem Př. 1: Hladina mrna LHCB u hrachu osciluje v průběhu dne a noci; max. ráno, min. večer. Fytochrom přerušuje cyklickou oscilaci mrna Př. 2: Rostliny pšenice přeneseny z 12-hod cyklu do tmy => amplituda rytmu se zeslabuje; ozáření červeným světlem před umístěním do tmy však zeslabování amplitudy eliminuje

11 Geny denního rytmu u Arabidopsis T-DNA mutanti => charakterizace mutantů => identifikace genů zapojených v denních rytmech Konstrukt Promotor LHCB LUC LUC = kóduje enzym luciferázu Luciferáza rozkládá substrát luciferin Transformace rostlin Emise světla Sledování exprese LHCB v buňkách a pletivech Lokalizace genu Mutant toc = timing of CAB (LHCB) => gen TOC1 hraje roli v oscilačním mechanismu

12 Specializace fytochromů Geny PHYA PHYE jsou velice podobné, funkčně se však liší PHYB identifikován analýzou mutanta hy3 (nyní phyb) dlouhý hypokotyl v bílém světle; PHYB mrna redukována, protein phyb není syntetizován; normální exprese PHYA. Mutant phyb: - nereaguje na stín - nereaguje k FR aplikovanému na konci dne - není schopen reagovat na R/FR reverzibilní indukci klíčení PHYB je zodpovědný za citlivost rostlin k R a zprostředkuje fotoreverzibilní klíčení semen

13 FR-HIR požaduje fotolabilní fytochrom typu I = phya => phya je receptor kontinuálního FR. Mutant phya: - neukazuje reakci k FR - vytváří vysoký a tenký fenotyp = fenotyp mutantů s defektem v chromoforu či phyb Obtížné selektovat mutanta se specifickým defektem pouze v proteinu PHYA FR R Mutanti s deficitem v PHYA FR-resistentní mutanti Mutanti s deficitem v chromoforu a nebo v PHYB

14 Role fytochromů C, D a E ve vývoji rostlin Funkce phyc, D a E se překrývají s funkcemi phya a phyb- hrají doplňkové role: Analýza double a triple mutantů: - phyd a phye pomáhají zprostředkovat reakci shade-avoidance (primárně kontrolována fytochromem B) - phyd reguluje prodlužovací růst řapíku a kvetení (primárně phyb) - phye doplňuje phyb a phyd v růstu řapíku a kvetení a doplňuje funkci phya a phyb v inhibici růstu internodů Analýza quadruple mutanta phyaphybcry1cry2 = fenotyp rostlin rostoucích ve tmě ALE transkripční analýza ukázale expresi světlem regulovaných genů!!! Mutant ukazuje reakce denního cyklu!!! Fotoreceptory phyc, D, E a nový receptor ZEITLUPE zprostředkují tuto expresi a reakce denního cyklu. Perelman et al. (2003) Plant Physiol 133: 1717-1725

15 Interakce phya a phyb v shade-avoidance reakci Přímé sluneční světlo: Hodně R => de-etiolizace řízena phyb Stín: Hodně FR => zpočátku de-etiolizace řízena phya. PhyA je labilní => později de-etiolizace řízena phyb

16 Funkční domény fytochromu Skupina genů kódujících fytochromy => různé reakce jsou regulovány specifickými fytochromy, nebo interakcí fytochromů Strategie: - overexprese fytochromů v GMO => vysoká hladina fytochromů => studium funkce fytochromů - nahrazení či změna sekvencí fytochromu v GMO => studium funkce domén fytochromu

17 N-terminální doména: nese místo vázající chromofor a PEST doménu = fotocitlivé části molekuly; rozhodují o reakci k R či FR. C-terminální doména: obsahuje regulační oblast, a dimerizační a ubikitinační místo; přenáší signál na další proteiny ve fytochromové signální dráze.

18 d) Buněčný a molekulární mechanismus funkce fytochromů Světlo pigment C-terminální sekvence Další komponenty signální dráhy Finální reakce = změny v růstu a vývoji Rychlé reakce (turgorovéproudění iontů) Pomalejší reakce (dlouhodobé, i exprese genů)

19 Regulace membránového potenciálu a proudění iontů zprostředkované fytochromy Lag fáze zavírání listů ~ 5 minut => krátká doba na expresi genů => přímá indukce změny propustnosti membrány prostřednictvím fytochromů Ztráta K + a Cl - Světlo Tma H + proudí dovnitř buňky => ph apoplastu se zvyšuje H + pumpa ventrálních buněk je deaktivována Akumulace K + a Cl - v buňce H + proudí ven z buňky => ph apoplastu se snižuje H + pumpa dorzálních buněk je aktivována

20 H + pumpa a ph vně buňky = apoplast + + + + - - - - H + Hyperpolarizace membrány + + + + + + + - - - - H + + - 160 mv Vně buňky přibývá H + = snižuje se ph vně buňky = acidifikace (okyselování) (aktivace pumpy) - 100 mv uvnitř buňky = cytoplazma Depolarizace membrány + + + + + - - - - H + + + + + + Vně buňky H + ubývá = zvyšuje se ph vně buňky = alkalyzace (více zásadité) (deaktivace pumpy) - 50 mv

21 Denní rytmus pohybu listů má původ v denním rytmu otevírání K + kanálů zprostředkovaného fytochromy. Proces je rychlý, nikoliv však okamžitý => fytochromy nepůsobí přímo na membráně Fytochrom neobsahuje transmembránovou doménu => nevyskytuje se v membráně => výskyt v cytoplazmě Existence dalších kroků v signální dráze K přenosu signálu na membránu je potřeba sekundární přenašeč Cytoplazmatická hladina Ca 2+

22 Fytochrom reguluje expresi genů Procesy fotomorfogeneze a de-etiolizace Tvorba a degradace chlorofylu, změny v metabolických procesech Potřeba exprese genů Rychlé exprese genů: fytochrom řídí aktivaci transkripčních faktorů. Transkripční faktory vstupují do jádra a stimulují transkripci specifických genů. Exprese ranných genů = genů primární reakce (primary response genes) - nezávislá na syntéze proteinů Exprese pozdějších genů = genů sekundární reakce (secondary response genes) - závislá na syntéze proteinů Fotoregulace je soustředěna na nukleární geny kódující informace pro syntézu chloroplastů: - small subunit of ribulose-1,6-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) RBCS - ligh-harvesting chlorophyll a/b-binding proteins: LHCB

23 Fytochromem řízená regulace exprese genů MYB a LHCB Tma Světlo Fytochrom Transkripční faktor MYB LHCB MYB promotor LHCB MYB geny primární reakce Carré IA, Kim J-Y (2002) J Exp Bot 53: 1551-1557 http://jxb.oupjournals.org/search.dtl LHCB gen sekundární reakce

24 CCA1 (circadian clock associated1) (patří k MYB genům) reguluje expresi LHCB pomocí denního rytmu; konstitutivní exprese potlačuje denní rytmy, expresi LHY a expresi sám sebe Mutace v CCA1 vede k narušení regulace exprese LHCB denním rytmem a fytochromem LHY (late elongated hypocotyl) (patří k MYB genům) transkript osciluje s denním rytmem CCA1 a LHY hrají roli v denních rytmech

25 Denní oscilátor - transkripčně-translační negativní zpětná vazba nalezen u bakterií, hub, hmyzu a savců; synchronizuje fyziologické a vývojové události rostliny s denními a ročními změnami v okolním prostředí Denní oscilátor u Arabidopsis Tma Alabadí D et al. (2001) Science 293: 880-883 Světlo ZTL CHE Model interakce genů LHY a CCA1, plus genu TOC1 (slide 11), navržen v r. 2001: ZTL / PRR1 GI Světlo a TOC1 aktivují expresi LHY a CCA1 světlo působí jako zesilovač TOC1 LUX ELF4 CRY1, CRY2 PhyA, B, D, E) Nové informace Boikoglou E, Davis SJ (2009) Signaling in Plants. Signaling and Communication in Plants. In: Baluška F, Moncuso S (eds), Springer-Verlag Berlin, str. 261 UPDATE 2009 Prunela-Paz JL et al. (2009) Science 323: 1481-1485 CHE (CCA1 Hiking Expedition) - TF, blokuje expresi CCA1 vazbou k jeho promotoru. TOC1 se váže k CHE, blokuje CHE a uvolňuje expresi CCA1.

26 Regulační sekvence kontrolují světlem regulovanou transkripci Transkripční faktory = trans-acting faktory Transkripční iniciační faktor RNA polymeráza DNA GGGCGG GCCCCAATCT TATAAA Gen X - 100-80 Spacer DNA - 25 GC box CAAT box TATA box RNA transkript Proximální promotorové sekvence (cis-acting regulační sekvence) Vlastní promotor Podle Taiz L and Zeiger E (2002) Plant Physiology, 3rd ed. Geny regulované fytochromy mají velké množství cis-regulačních sekvencí => široké spektrum regulace reakcí rostlin ke světlu a interakcí s fytochromy => široké spektrum trans-acting faktorů Identifikováno 50 regulačních faktorů fungujících v ranných signálních drahách (phya a phyb) i pozdních signálních drahách, společných pro více fytochromů

27 Fytochrom funguje v jádře aktivuje transkripční faktory. Je však lokalizovaný původně v cytoplazmě => musí být přemísťěn do jádra. Sharma R (2001) Current Science 80: 178-188 http://www.ias.ac.in/currsci/jan252001/178.pdf Vizualizace pomocí GFP (green fluorescent protein; GFP aktivovaný světlem emituje fluorescenční záření) Fytochrom se přemísťuje do jádra vlivem světla! - Pohyb phyb indukován R, inhibován FR; do jádra putuje pouze ve formě Pfr, pohyb je pomalý - Pohyb phya indukován FR; putuje v obou formách; pohyb je rychlý. Konstrukt Promotor PHYB GFP Transformace rostlin phya-gfp phyb-gfp Sledování exprese PHYB v buňkách a pletivech

28 Regulace genové exprese fytochromem B PhyB je syntetizován v cytolazmě ve formě PrB PIC iniciuje transkripci MYB genů (CCA1, LHY) 1) Regulace genové exprese přímo PfrB 2) Regulace genové exprese prostřednictvím PIF3 PIF3 (phytochrome interacting factor3) - transkripční faktor bhlh reagující s G- boxem (= část promotoru genu MYB) - reaguje s C- terminálním koncem PfrB => PIF3 a PfrB tvoří komplex Ve formě PfrB je fytochrom transportován do jádra PfrB se váže k dimeru PIF3 Transkripční faktor MYB aktivuje transkripci LHCB

29 Regulace genové exprese fytochromem A 1) Regulace genové exprese přímo PfrA 2) Regulace genové exprese prostřednictvím PIF3 3) Regulace genové exprese prostřednictvím COP1 Tma: Akumulace COP1 v jádře Represe exprese fotomorfogenních genů díky ubiquitinaci transkripčních faktorů (HY5, HFR1, LAF1, ) Světlo: Transport COP1 z jádra do cytoplazmy předáním ubiquitinu proteinu PfrA Obnovení exprese fotomorfogenních genů odblokováním transkripčních faktorů (HY5, HFR1, LAF1, ) UPDATE 2010 Jang I-CH et al. (2007) Plant Cell 22: 2370-2383 PIF3 stimuluje ubiquitinaci phyb indukovanou COP1 stimuluje interakci COP1/phyB

30 UPDATE 2008 http://www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=110725&org=nsf Regulace transportu fytochromu A do jádra Transkripční faktory: FHY3 a FAR1 řídí produkci proteinů FHY1 a FHL Proteiny: FHY1 a FHL vazba na phya regulace transportu phya do jádra Transport phya do jádra spouštění světelných reakcí (klíčení, kvetení, atd.) + regulace produkce transkripčních faktorů FHY3 a FAR1 => zpětná vazba: phya ovlivňuje svůj vlastní transport do jádra

31 Pomocí biochemických přístupů byly nalezeny mechanismy fungující v signální dráze fytochromů G-proteiny (viz KFZR2, slide 25) sekvence je známa, gen klonován; a-podjednotka váže GTP - pro funkci G-proteinu je nutná hydrolýza GTP na GDP; G-protein funguje po fytochromu (tj. downstream) Signální dráha se po G-proteinu rozděluje na dvě: - signální dráha závislá na Ca 2+ (sekundární přenašeč, KFZR2) - požaduje calmodulin; exprese genů a vývoj chloroplastů - signální dráha nezávislá na Ca 2+ - syntéza anthocyaninů Cyklický GMP (cyklický guanosine monofosfát) sekundární přenašeč Update 2007 Temple BRS, Jones AM (2007)Annu Rev Plant Biol 58: 249 266 Vyčerpávající review o funkci rostlinného heterotrimerického komplexu G proteinu Alan M. Jones University of North Carolina

32 Fosforylace důležitý mechanismus fungující v řadě signálních drah, včetně fytochromů Fosforylace reguluje aktivitu transkripčních faktorů (a jiných enzymů) (KFZR2d-f) Fosforylace = připojení fosfátové skupiny k amikokyselinovému zbytku nějakého proteinu Protein kináza = ATP-závislý enzym, který připojuje fosfátovou skupinu k proteinu. Protein se stává fosforylovaným a tím aktivním. Bakteriální fytochrom = histidin kináza, závislá na světle, funguje jako senzorový protein, fosforyluje regulátorový protein

33 Rostlinný fytochrom = serin/threonin kináza, kromě jiných proteinů fosforyluje i sám sebe PKS1 (phytochrome kinase substrate) protein fosforylován fytochromem A v cytoplazmě Autofosforylace NDPK2 (nukleotid disphosphate kinase2) protein fosforylován fytochromem B, kinázová aktivita se zvyšuje v případě Pfr; lokalizace není známa Fosforylace jiného proteinu

Faktory zapojené v expresi genů regulované fytochromy 34 UPDATE 2007 Kevei E et al. (2007) J Exp Botany 58: 3113-3124