SFR 1 2018 4) Interakce auxinů a světla ve vývoji a růstu rostlin Martin Fellner Laboratoř růstových regulátorů PřF UP v Olomouci a ÚEB AVČR
2 Vývoj organismu regulují signály (faktory) Vnitřní Vnější genetická info metabolismus hormony světlo teplota vlhkost plyny gravitace
3 Arabidopsis koleoptile Rajče mezokotyl Kukuřice kořeny
4 Ve 30.letech byl izolován auxin a bylo ukázáno, že stimuluje růst. Úhel zakřivení je úměrný množství auxinu v bloku Akumulace auxinu ze špiček koleoptile do agarových bloků...a ukázal, že materiál akumulovaný v agarových blocích je látka, která stimuluje růst. Indole-3-acetic acid, IAA Tento experiment ukazující stimulaci růstu auxinem byl použit jako základ pro purifikaci auxinu. 2010 American Society of Plant Biologists Redrawn from Went, F.W. (1935) Auxin, the plant growth-hormone. Bot. Rev. 1: 162-182
5 Růst ve tmě (etiolizovaný růst, skotomorfogeneze) Skoto = tma
6 Auxin Světlo Prodlužování buněk? Prodlužování buněk inhibováno Růst Růst
7 Auxinem indukované prodlužování během fototropismu ~ 180 minut Auxinový gradient Zakřivení koleoptile Auxin stimuluje expanzi buněk na zastíněné straně koleoptile => zakřivení koleoptile
8 Úrovně interakce světla a auxinů Hladina hormonů Transport hormonů Fotoreceptory Receptor Transport hormonů Jiné mechanizmy Mezičlánky Finální reakce Prodlužování
A. Světlem indukovaná kontrola růstu regulací hladiny endogenního auxinu 9 250 [ IAA] (pmol.g -1 FW) 200 150 100 50 D BL RL WL Změny hladiny auxinu IAA v mezokotylech kukuřice v závislosti na hybridu a světelných podmínkách. 0 307 317 3306 3366 3394 30. léta 60. léta 90. léta Mezokotyl 3394 307 Citlivost ke světlu Úhel listů
10 Tabák: mutanti pew1 a pew2 defekt v syntéze chromoforu Arabidopsis: mutant red1 - defekt v enzymu CYP83B1 (P450 monooxygenáza hydroxyluje IAOX) RL Indol glukosinoláty Snížená citlivost ke světlu [IAA] Kraepiel Y et al. (1995) Planta 197: 142 146 CYP83B1 N-hydroxylation Trp IAOx IAA Indole-3-acetaloxime Prodlužování Hoecker U et al. (2004) Planta (2004) 219: 195 200
Obecný princip: více světla => méně auxinů => slabší růst 11 Normální R:FR = 1,2 Shade avoidance = reakce rostlin k zastínění R FR R:FR = 1,2 phya, phyb, CRY1 R:FR = 0,8 [Auxin] [Auxin] Prodlužování Prodlužování
B. Prodlužovací růst jako důsledek světlem regulovaného transportu auxinů 12 Kukuřice Prodlužování kukuřičné koleoptile je inhibováno zvyšující intenzitou RL. Red Dark RL snižuje akumulaci radioaktivního auxinu v mezokotylu kukuřice. Jones AM et al. (1991) Plant Physiol. 97: 352-358 Bohn-Courseau I (2010) RL a FR redukují polární transport auxinu v mezokotylech kukuřice. Fellner M et al. (2003) Planta 216: 366-376
13 Arabidopsis 1) Etiolizované hypokotyly jsou necitlivé k NPA; de-etiolizované hypokotyly jsou citlivé k NPA. 2) Účinek NPA je snížen u rostlin s defektem ve vnímání světla (rostliny s mutací ve fotoreceptorech). Jensen PJ et al. (1998) Planta 116: 455-462 Fotoreceptory kontrolovaná inhibice růstu hypokotylu zahrnuje regulací polárního transportu.
14 Mutace ve phya a phyb vede k zesílené expresi PIN3 a PIN7 Overexprese phya a B vede k redukci exprese PIN3 a PIN7 phya, phyb Devlin et al. (2003) Plant Physiol 133: 1617 1629 Exprese PIN3, PIN7 Proces de-etiolizace je spojen s redukcí polárního transportu auxinu. Tím dochází k redukci auxinemindukovaného prodlužování. Transport auxinu Redukce polárního transportu auxinu světlem je zprostředkována fytochromy. Prodlužování
Auxinové transportéry ABCB 15 Transport auxinů je regulován také pomocí ABCB proteinů (ABC = ATP-Binding Cassete; transmembránové glykoproteinové transportéry; dříve PGP nebo MDR proteiny) Overexprese ABCB1 => prodloužení hypokotylu Knockout ABCB1 => zkrácení hypokotylu Geissler M et al. (2005) Plant J 44: 179-194 Knockout abcb1 mutanti mají silně inhibovaný růst na světle. Lin R and Wang H (2005) Plant Physiol 138: 949-964 Exprese ABCB1 je redukována světlem.
16 Exprese ProDR5:GUS abcb19 mutant ABCB19-overexpressed CRY1 phyb ABCB19 [Auxin] [IAA] [IAA] Růst hypokotylu Růst hypokotylu Wu et al. (2010) Plant Journal 62: 179-191
17 Ale! Světlo zesiluje polární transport auxinů v hypokotylu Arabidopsis blokací COP1, který je negativním regulátorem auxinového transportéru PIN1. Výsledky vysvětlují stimulaci růstu kořene na světle a inhibici růstu kořene v tmě. Data jsou však v rozporu se staršími výsledky ukazujícími, že světlo inhibuje polární transport auxinu. Nutné další výzkumy mechanizmu polárního transportu auxinů Sassi M et al. (2012) Development 139: 3402-3412
18 C. Signální elementy společné pro signální dráhy světla a auxinů 1) Společné geny regulované auxinem a světlem Primární geny pro růst a vývoj GH3 exprese stimulovaná auxinem během 5 minut; geny fungují v IAA konjugaci; exprese GH3 odráží množství endogenního auxinu Aux/IAA exprese stimulovaná auxinem během 6 60 minut; vzniklý protein žije asi 7 minut. SAUR exprese stimulovaná auxinem během 2 5 minut; exprese nevyžaduje syntézu nových proteinů; geny neobsahují introny, kódují velmi podobné peptidy neznámé funkce.
GH3 podobné geny 19 FIN219 rychle indukován auxinem; fin219 dlouhý hypokotyl na FR FR fenotyp FR phya WT cop1 fin219 cop1fin219 [FIN219] cop1 COP1 Dark fenotyp Hsieh H-L et al. (2000) Genes and Development 14: 1958-1970 HY5 Světlo Tma Tma
20 WES1 kóduje auxin-konjugační enzym (inaktivuje auxiny) a tím redukuje prodlužování hypokotylu regulované phyb Světlo WES-over-expressing mutant wes1-d hypersensitivní ke světlu phyb Exprese WES1 je up-regulována ve phyb mutantu. WES1 [Auxin] Prodlužování Park J-E et al. (2007) Plant Cell Physiol. 48(8): 1236 1241
21 Aux/IAA geny Exprese Aux/IAA genů je stimulována auxinem, ale inhibována světlem. Světlo Auxin OsIAA Prodlužování Aplikace 30 µm IAA. Thakur JK et al. (2001) DNA Res 8:193 203 SAUR geny Velice málo informací
2) Elementy signální dráhy sdílené auxiny a světlem 22 TIR1 systém Ub UbUb 26S Proteasome A TIR1 auxin F-box podjednotka E3-ubiquitin ligázy; auxinový receptor represor transkripce auxinem-indukovaných genů A TIR1 ASK1 Ub Ub CUL1 Ub E2 RBX1 E1 Ub E1 Ub ARF transkripční faktor (aktivátor exprese genů) Auxinem-indukované geny obsahují AuxRE = auxin responsivní element Podobné mechanizmy pro F-box proteiny: TIR1 A TIR1 A A TIR1 A A A A A A COP1 CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOG. 1 COI CORONATINE INSENSITVE 1 ARF AuxRE Auxin inducible gene de-repression ARF AuxRE e.g. AUX/IAA, SAUR, GH3, etc. ZTL ZEITLUPE, etc. [Auxin] Plant development
23 Mechanizmus kontroly aktivity Aux/IAA světlem není zcela znám. Světlo phya, phyb Transkripce SHY2/IAA3 1) Světlo phya Fosforylace Aux/IAA Colon-Carmona A et al. (2000) Plant Physiology124: 1728 1738 2) SHY2/IAA3 + phyb Tian Q et al. (2003) Plant Journal 36: 643-651 Fytochromy ovlivňují expresi Aux/IAA.
Transkripční faktor HY5 Světlo 24 phya, phyb HY5 AUX/IAA HY5 se váže k promotorům genů AUX/IAA a ARF Auxinová signalizace hy5 nízká exprese genů AUX/IAA Sellaro et al. (2011) Plant J 68: 919 928 Prodlužování hypokotylu
25 Transkripční faktor ATHB2 Exprese ATHB-2 je indukována nízkým R:FR (zastíněním) prostřednictvím phyb a phye. Rostliny OE-ATHB2 = phy mutanti: Carabelli M et al. (1993) Plant J 4: 469-479 Antisense rostliny athb-2: ATHB-2 Tvorba laterálních kořenů je indukovaná auxinem Exprese ATHB2 indukovaná nízkým R:FR vede k redukci polárního transportu auxinů a k redukci exprese auxinem-indukovaných genů. ATHB-2 je spojujícím elementem signální dráhy světla a auxinů
26 Transkripční faktory PIF4, PIF5 Pozitivní regulátory shade-avoidance reakce => jsou exprimovány při nízkém R/FR (= zastínění) Geny YUCCA pozitivní regulátory syntézy auxinů Syntéza auxinů Promotor YUCCA8 Nízký R/FR (= stín) PIF5 PIF4 Syntéza auxinů Promotor YUCCA8 Prodlužování Hornitschek P et al. (1993) Plant J 71: 699-711
27 Transkripční faktor PIF7 Li L et al. (2012) Genes Dev 26: 785-790 Při nízkém R/FR (= stín) se defosforylovaný PIF7 váže na G-box genů YUCCA8 a YUCCA9 zapojených v syntéze auxinů a indukuje jejich expresi. Zvýšená syntéza auxinů pak vede k prodlužování rostliny.
28 Transkripční faktor REVEILLE 1 (RVE1) Rawat R et al. (2009) PNAS 106: 16883-16888 Světlo RVE1 YUCCA8 [Auxin] Prodlužování
29 ABP systém Jones AM et al. (1991) Plant Physiol 97: 352-358 ABP1 Expanze buněk Prodlužování Růst ve tmě Růst na světle Exprese ABP1: Im KH et al. (1991) Maydica 45: 319-325
30 Světlo reguluje expresi genů a/nebo proteinu ABP1 a ABP4 v kukuřici BL inhibuje expresi ABP1 v koleoptiĺe starého hybridu kukuřice 307. BL redukuje množství ABP1 proteinu v mezokotylu starého hybridu kukuřice 307. R e l a tiv n í e x p r e s e g e n u A B P 1 (1 8 S ) 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 D dark blue BLlight 307 3394 Hybrid Hybrid 307 3394 Dark BL Čudejková M et al. (2012) Current Topics in Plant Biology 13: 21-34 R a FR stimulují expresi ABP4 v mezokotylu starého hybridu kukuřice 307. Exprese ABP4 není indukována světlem v moderním hybridu 3394. Fellner M et al. (2006) Plant Signaling and Behavior 1: 201-211
Pěkné Vánoce
32 Bílé světlo redukuje expresi genu pro fytochrom B. Exprese je závislá na funkčnosti genů ABP1 a ABP4. Auxin inhibuje expresi PHYB v etiolizovaných rostlinách, a to prostřednictvím ABP1 a ABP4 Model - Auxin: Exprese PHYB De-etiolizace (= inhibice růstu) + Auxin: Exprese PHYB Etiolizace (= stimulace růstu) Bořucká J, Fellner M (2012) Plant Growth Regulation 68: 503-509
33 Update 2013 Effendi Y et al. (2013) J Exp Botany 64: 5065-5074 ABP1 stimuluje aktivitu phyb. Aktivní phyb potlačuje expresi genů zapojených v prodlužování.
34 Bohn-Courseau I (2010) C. R. Biologies 333: 290 296 Rychlá auxinem-indukovaná inhibice endocytózy membránových proteinů Plazma membrána Endozom PIN1 Auxin PIN1 Paciorek T et al. (2005) Nature 435: 1251-1256
35 Robert S et al. (2010) Cell 143: 111-112 Endocytóza PIN1 je nezávislá na TIR1, ale vyžaduje ABP1. ABP1 stimuluje endocytózu PIN1 proteinů závislou na proteinu clathrinu. Negativní účinek auxinu na internalizaci PIN1 proteinů je zprostředkován ABP1. + ABP1 Sauer M, Kleine-Vehn J (2011) Plant Cell 23: 2033-2043 Hypotéza: Světlo může inhibovat polární transport auxinů (tedy v důsledku růst) tím, že inhibuje množství receptoru ABP1.