2) Reprodukce rostlin

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

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

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

Detlef Weigel ( )

Bi8240 GENETIKA ROSTLIN

3) Role světla a fytochromů ve vývoji a růstu rostlin

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

Rostlinné hormony brasinosteroidy a jejich úloha ve vývoji a růstu rostlin

Rostlinné hormony brasinosteroidy a jejich úloha ve vývoji a růstu rostlin

4) Interakce auxinů a světla ve vývoji a růstu rostlin

4) Reakce rostlin k modrému světlu

Buněčný cyklus. Replikace DNA a dělení buňky

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

RŮST A VÝVOJ. Diferenciace rozlišování meristematických buněk na buňky specializované

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

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

Příběh pátý: Auxinová signalisace

6) Interakce auxinů a světla ve vývoji a růstu rostlin

7) Dormance a klíčení semen

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

Základy molekulární biologie KBC/MBIOZ

2) Reprodukce rostlin

Univerzita Palackého v Olomouci. Bakalářská práce

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

Regulace růstu a vývoje

Přechod rostliny do generativní fáze. Fotomorfogeneze, fotoperiodismus, vernalizace, regulace kvetení, vývoj květu

Úloha genu COP1 v rostlinné fotomorfogenezi a tumorogenezi u živočichů

12. ONTOGENEZE II : KVETENÍ, FOTOPERIODISMUS

Struktura a funkce biomakromolekul

3) Růst a vývoj. a) Embryogeneze a cytokineze b) Meristém a vývoj rostliny c) Vývoj listů a kořenů KFZR 1

6. Buňky a rostlina. Mají rostliny kmenové buňky?

2) Reprodukce rostlin

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

4) Reprodukce rostlin

4) Reprodukce rostlin

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

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

Úloha protein-nekódujících transkriptů ve virulenci patogenních bakterií

VÝZNAM REGULACE APOPTÓZY V MEDICÍNĚ

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

1) Úloha světla a fytochromů ve vývoji a růstu rostlin

7. Regulace genové exprese, diferenciace buněk a epigenetika

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Výuka genetiky na Přírodovědecké fakultě UK v Praze

4) Role světla a fytochromů ve vývoji a růstu rostlin

2) Exprese genů a přenos signálu

Auxin - nejdéle a nejlépe známý fytohormon

Rekapitulace. Rostlina vládne buňkám, ne(jen) buňky rostlině.

Téma: FYTOHORMONY. Santner et al Praktikum fyziologie rostlin

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

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

ONTOGENETIC TRANSITIONS (Leyser and Day Chap.9B)

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

Modelov an ı biologick ych syst em u Radek Pel anek

Apoptóza Onkogeny. Srbová Martina

RŮST A VÝVOJ ROSTLIN. Mgr. Alena Výborná Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou VY_32_INOVACE_01_1_11_BI1

Mgr. Veronika Peňásová Laboratoř molekulární diagnostiky, OLG FN Brno Klinika dětské onkologie, FN Brno

Dostupnost živin jako faktor utvářející morfologii kořenů (trofomorfogeneze) Vliv dusíkatých látek, fosfátů, síranů a iontů železa

2) Exprese genů a přenos signálu

7) Senescence a programová smrt buňky (PCD)

Tkáňové kultury rostlin. Mikropropagace

Struktura a funkce biomakromolekul

VLIV SPEKTRÁLNÍHO SLOŽENÍ FOTOSYNTETICKY AKTIVNÍ RADIACE NA INDUKCI FOTOSYNTÉZY TERMOOPTICKÝ JEV

Frideta Seidlová. Rostliny, obdivuhodné organismy naší planety. Přizpůsobení životu bez pohybu. 328 Vesmír 90, červen 2011

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

BUŇEČNÝ CYKLUS A JEHO KONTROLA

Příběh šestý: Co mají společného signální dráhy?

Téma: FYTOHORMONY. Santner et al Praktikum fyziologie rostlin

3) Role světla a fytochromů ve vývoji a růstu rostlin

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


IV117: Úvod do systémové biologie

9. Evo-devo. Thomas Huxley ( )

3) Senescence a programová smrt buňky (PCD)

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

2) Reakce rostlin k modrému světlu

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

Joanne Chory (1955) VORF-4.

6. Mikroelementy a benefiční prvky. 7. Toxické prvky Al a těžké kovy, mechanismy účinku, obranné mechanismy rostlin

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

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Bakalářské práce. Magisterské práce. PhD práce

RŮST A VÝVOJ ROSTLIN

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

Svět RNA a bílkovin. Transkripce. Transkripce TRANSKRIPCE. Úrovně regulace genové exprese eukaryot

Vztah genotyp fenotyp

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

"Učení nás bude více bavit aneb moderní výuka oboru lesnictví prostřednictvím ICT ". Základy genetiky, základní pojmy

BUNĚČNÁ TRANSFORMACE A NÁDOROVÉ BUŇKY

11. Období dospělosti vznik další generaci sporofytu redukčně dělí megaspory mikrospory megagametofyty mikrogametofyty gametofyty gametám stárnutí

VÝZNAM FUNKCE PROTEINŮ V MEDICÍNĚ

Ustavování polarity a os listu

Exprese genetické informace

VORF Winslow Russel Briggs ( )

Co nás učí nádory? Prof. RNDr. Jana Šmardová, CSc. Ústav patologie FN Brno Přírodovědecká a Lékařská fakulta MU Brno

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

Transport boru v rostlinách a živočiších. Jeho úloha v růstu a vývoji.

Nukleové kyseliny Replikace Transkripce translace

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

Obecná a srovnávací odontologie. Vývojové souvislosti 1: vznik a vývoj zubu jako produkt genetických regulačních kaskád, odontogenní regulační kód

Transkript:

2010 1 2) Reprodukce rostlin a) Indukce kvetení b) Vývoj květu - stručná morfologie c) Genetická a molekulární analýza vývoje květu

2 Životní cyklus rostliny

3 a) Indukce kvetení Indukce kvetení přeprogramování vegetativních meristémů: místo sekundárních výhonků se tvoří květní orgány Schopnost rostlin přepnout vývoj vegetativní na reprodukční ukazuje důležitý vývojový rozdíl mezi rostlinami a živočichy. Rostlina tímto přepnutím nastartuje svoje stárnutí a smrt Přeprogramování musí být přesně načasováno

4 Kvetení je indukováno fotoperiodou = poměrem mezi délkou dne a noci Krátkodenní rostliny kvetení je indukováno krátkým dnem a dlouhou nocí (např. chryzantémy, odrůdy jahod, špenát) Dlouhodenní rostliny kvetení je indukováno dlouhým dnem a krátkou nocí (např. pšenice, Arabidopsis) Neutrální rostliny kvetení není indukováno fotoperiodou (např. rajče)

5 List - vnímá fotoperiodický signál indukující přechod rostlin do fáze kvetení

6 Fytochromy = fotosensitivní pigmenty v cytoplazmě absorbují červené světlo; jsou zapojeny v indukci kvetení, klíčení a ve vnímání fotoperiody. Fytochromy jsou kódovány pěti geny: PHYA, PHYB, PHYC, PHYD, PHYE PHYA a PHYB regulují čas kvetení Mutant phyb kvete brzy Mutant phya kvete pozdě Mutant phyaphyb kvete dříve než phyb Kvetení je složitý proces + Kryptochromy vnímají modré světlo Fotosyntetické pigmenty

Světlo 7 Signál = florigen? Místo indukce kvetení Hormony: gibereliny cytokininy etylén?? Sacharóza Polyamidy Hypotéza multifaktoriálního spouštění: funkčnost jedné molekuly podmiňuje či ovlivňuje funkci jiné Pojem florigen Mikhail Chailakhyan, Rusko 1936 (experimenty 1932-1934) Corbesier and Coupland (2005) hypotéza: Florigen je RNA či protein translokován z listů do meristému

UPDATE 2005 Máme florigen? 8 Světlo (dlouhý den) AP1, AP3, etc. CO (CONSTANS) Světlo FT Huang T et al. (2005) Science 309: 1633-1772 CO protein (transkripční faktor) CO mrna FT (FLOWERING LOCUS T) Abe M et al. (2005) Science 309: 1052-1056 Wigge PA et al. (2005) Science 309: 1056-1059 Exprese FT Indukce kvetení AP1 AP3 LFY CAL + FD FT FD (FLOWERING LOCUS D) mrna of FT Stonkový vrchol! Mathieu UPDATE 2007 Jaeger KE, Wigge PA ( 2007) Cur Biol 17: 1-5 J et al. ( 2007) Cur Biol 17: 1055-1060 Protein FT transportovaný z listů postačuje k indukci kvetení

9 CONSTANS (CO) identifikován analýzou pozdě kvetoucího mutanta; Normální CO kóduje transkripční faktor a je up-regulován za dlouhého dne (LD = long day); CO aktivuje expresi květních genů Northern blot = množství RNA Konstrukt: silný promotor 35S + gen CO LD SD Kvetení indukováno i za krátkého dne Indukce kvetení CO funguje jako transkripční faktor i jako co-aktivátor

10 UPDATE 2008 Liu L-J et al. (2008) Plant Cell 20: 292-306 Krátký den (SD) CRY1 neaktivní => akumulace COP1 v jádře => ubiquitinuje CO => FT není exprimován => inhibice kvetení Dlouhý den (LD) CRY1 aktivní => translokace COP1 do cytoplazmy => akumulace CO v jádře => => FT je exprimován indukce kvetení

11 Geny určující identitu květních meristémů LEAFY (LFY) TERMINAL FLOWER1 (TFL1) APETALA1 (AP1) CAULIFLOWER (CAL) lfy LEAFY (LFY) mutant lfy produkuje více květních stvolů než WT; květy jsou zelené a mají pouze orgány podobné sepal a petals Ektopická (a konstitutivní) exprese LFY1 => předčasné kvetení; stonky se mění v květy 35S::LFY1 NEdeterminovaný růst Normální funkce LFY = přepíná nedeterminovaný růst na determinovaný Determinovaný růst

12 1 TFL1 mutant tfl1 kvete brzy; vytváří primární květní stvol, netvoří boční stvoly = fenotyp opačný k lfy; TFL1 exprimován v apikálním meristému, místo v květních primordiích WT tfl1 Normální funkce TFL1: udržuje Nedeterminovaný růst TFL1 řach LFY TFL1 a LFY produkty působí proti sobě Funkce LFY se v ranných fázích vývoje květu podobá funkcím genů AP1, AP2 a CAL a vzájemně se zesilují.

13 Indukce kvetení 5 vývojových drah 1. Fotoperiodická (fytochromy, kryptochromy, CO, FT, mrna FT, FT/FD protein, SOC1) SOC1 = Suppressor Of Constans1; transkripční faktor obsahující MADS box 2. Autonomní a vernalizační Autonomní Interní signály = počet listů redukuje expresi FLOWERING LOCUS C (FLC) => stimulace SOC1 UPDATE 2009 Ripoll JJ et al. ( 2009) Developmental Biology 333: 251-262 FLK PEP FLC SOC1 FLK = FLOWERING LOCUS K PEP = PEPPER

14 Vernalizační: nízká teplota - redukce represoru FLOWERING LOCUS C (FLC) => stimulace SOC1 3. Karbohydrátová - odráží metabolický stav rostliny = cukr stimuluje kvetení indukcí SOC1 => exprese LFY 4. Giberelinová vyžadována pro předčasné kvetení a pro kvetení za krátkého dne - gibereliny indukuji transkripční faktor typu GAMYB => stimulace LFY - gibereliny interagují přímo se SOC1 => aktivace LFY - aktivním giberelinem je GA 4

15 1 UPDATE 2010 Fornava et al. ( 2010) Cell 14: 550-550e 5. Věková - odráží věk rostliny Mladá rostlina => vysoká hladina mir-156 SPL LFY SOC1 Indukce kvetení Dráhy 1 5 se soustřeďují v SOC1 Indukce LFY a AP1 Indukce květních homeotických genů (model ABC)

16 1 b) Vývoj květu stručná morfologie Modelová rostlina Arabidopsis => 1. přednáška MBR Struktura květu Arabidopsis a jeho vývoj Signál => indukce kvetení => apikální meristém produkuje květy Primární květenství Sekundární květenství Stonkový list Stamen

17 1 Květy se tvoří ve spirále kolem centrálního meristému Anther (prašník) Gynoecium (carpels = pestíky)

c) Genetická a molekulární analýza vývoje květu 18 1 Analýza genetických mutací, které mění specifikaci vývoje květu umožňuje definovat a odlišit základní procesy na molekulární úrovni ABC model Díky mutacím (knihovna T-DNA mutantů), které vedou k redukci, změně či změně polohy květních orgánů, byly nalezeny 4 geny, které hrají klíčovou roli ve vývoji květních orgánů: AP2, AP3, PI, AG. Izolace a charakterizace mutantů Klonování genů a návrh ABC modelu Bowman JL et al. (1991) Development 112: 1-20 Prof. M. Koornneef (Wageningen, Holandsko) Prof. John Bowman http://www.dbs.ucdavis.edu/ Prof. Elliot Meyerowitz http://www.its.caltech.edu/~plantlab/

19 1 Geny hrající klíčovou roli ve vývoji květních orgánů (květní homeotické geny, flower homeotic genes): Květní fenotypy mutantů Mutant ap2 : sepals carpels petals stamens Mutant ap3 : Mutant pi : petals sepals stamens carpels Mutant ag : stamens petals carpels 2. ag květ AP2, AP3, PI, AG byly nazvány homeotické geny, protože byly nalezeny i u jiných rostlinných druhů. Na rozdíl od klasických homeotických genů však nekódují proteiny s homeodoménou.

20 1 ABC model vývoje květních orgánů Květní primordium jsou 3 koncentrické a překrývající se pole genové aktivity: A, B, C B A C AP2 řídí pole A = sepals + petals AP3 / PI řídí pole B = petals + stamens AG řídí pole C = stamens + carpels

211 ABC model vysvětluje vývoj jednotlivých orgánů v mutantech WT : všechny geny fungují normálně

22 1 ABC model vysvětluje vývoj jednotlivých orgánů v mutantech WT ag AG gen je off => AG nepůsobí proti AP2 => AP2 expanduje do části 3 a 4 => stamens petals carpels sepals

23 1 ABC model vysvětluje vývoj jednotlivých orgánů v mutantech WT ap2 AP2 gen je off => AP2 nepůsobí proti AG => AG expanduje do části 1 a 2 => sepals carpels petals stamens

24 1 ABC model vysvětluje vývoj jednotlivých orgánů v mutantech WT ap3 / pi AP3 / PI geny jsou off => AP3/PI nepůsobí v kombinaci s AP2 v 2 ani v kombinaci s AG v části 3: petals sepals stamens carpels

25 1 Pozorované fenotypy Fenotypy na základě ABC modelu Odchylka od pozorovaného fenotypu Odchylka od pozorovaného fenotypu ABC model dobře koresponduje z pozorovanými fenotypy mutantů. Ne však na 100%. Revize modelu

ABC model byl revidován na základě studie exprese genů pomocí in situ hybridizace v průběhu vývoje květu. 26 1 Exprese genů v orgánech WT rostlin 3 1 2 4 Exprese AP2 v 1 a 2 OK. Ale, exprese v 3 a 4 nečekaná; model předpokládá potlačení vlivem AG Avšak, když je AP2 exprimován v 3 a 4, pak by měl v těchto částech potlačit expresi genu AG ale nepotlačuje! OK, AP3 / PI je exprimován ve 2 a 3 Revize modelu: neznámý gen X + gen AP1

27 1 Další revize ABC modelu Nalezen mutant sup (superman) exprese genu AP3 / PI je rozšířena do kruhu 4, kde se začaly tvořit stamens. Tzn., že gen SUP negativně reguluje AP3 / PI Revidovaný ABC model Původní ABC model Sakai H et al. (2000) Plant Cell 12: 1607-1618 Nakagawa H et al. (2004) Plant Cell 16: 920-932

28 1 Produkty homeotických genů = proteiny AG, PI, AP1, AP3 skupina evolučně konzervovaných transkripčních faktorů. Každý z nich obsahuje konzervovanou DNA-binding doménu: MADS box. Tyto transkripční faktory kontrolují expresi jiných genů specifických pro květní orgány. UPDATE 2006: AP3/PI Sundström et al. 2006, Plant Journal 46: 593-600 AP3 PI Promotor AP1

29 1 SUP transkripční faktor, který se váže specificky pomocí Cys2 His2 zinc-finger motiv, a tak kontroluje utváření rozhraní stamen carpel u Arabidopsis. SUPERMAN protein s Cys2-His2 zinc-finger motivem Dathan N et al. (2002) Nucleic Acids Research 15: 4945-4951 http://nar.oupjournals.org/cgi/content/full/30/22/4945 AP2 není podobný žádnému ze známých proteinů. Patří k nové velké skupině proteinů schopných vázat se k DNA. Obsahuje serine-rich acidic doménu, která se váže k DNA. Okamuro JK et al. (1997) PNAS USA 94: 7076-7081 http://www.pubmedcentral.gov/picrender.fcgi?tool=pmcentrez&action=stream&blobtype=pdf&artid=21287

30 1 Základní principy kontroly vývoje květů na základě genetické a molekulární analýzy homeotických genů: 1) Geny, kódující transkripční faktory kontrolují celou řadu genů, které specifikují osud květů 2) Tyto geny fungují ve vzájemné kombinaci 3) Produkty některých z těchto genů (např. AP2 a AG; AP3/PI a AP1) kontrolují vzájemně svoji aktivitu

311 Negativní regulátory genové exprese CLF (curly leaf) vypnutí funkce genu CLF uvolňuje expresi AG EMF (embryonic flower) vypnutí funkce genu EMF uvolňuje expresi genů AG a AP1 TFL (terminal flower) normální gen TFL brzdí kvetení Pozitivní regulátory genové exprese LFY a AP1 normální geny urychlují kvetení Další geny regulující počet a tvar květních orgánů CLAVATA1 kóduje povrchovou receptor-kinázu; zvyšují počty orgánů CLAVATA3, ETTIN kódují faktor citlivý k hormonu auxinu, auxin-response factor; zvyšují počty orgánů TOUSLED snižuje počet a velikost orgánů a jejich tvar

32 1 Použitá literatura Buchanan BB et al. (2000) Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists, Rockville, Maryland Taiz L, Zeiger E (2006) Plant Physiology. 4th Edition, Sinauer Asociates, Inc. Publishers, Sunderland, Massachusetts Review shrnující informace o molekulárních mechanismech vývoje květu: Krizek BA and Fletcher JC (2005) Molecular mechanisms of flower development: an armchair guide. Nature Reviews - Genetics 6: 688-698