3) Senescence a programová smrt buňky (PCD)



Podobné dokumenty
7) Senescence a programová smrt buňky (PCD)

7) Senescence a programová smrt buňky (PCD)

3) Senescence a programová smrt buňky (PCD)

8) Senescence a programová smrt buňky (PCD)

7) Senescence a programová smrt buňky (PCD)

3) Senescence a programová smrt buňky (PCD)

BUNĚČ ORGANISMŮ KLÍČOVÁ SLOVA:

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

Projekt realizovaný na SPŠ Nové Město nad Metují

Buněčný cyklus. Replikace DNA a dělení buňky

Fyziologie AUTOFAGIE. MUDr. JAN VARADY KARIM FNO

Vladimír Vinter

ROSTLINNÁ BUŇKA A JEJÍ ČÁSTI

Vakuola. Dutina uvnitř protoplastu, která u dospělých buněk zaujímá 30 až 90 % jejich

Buňka. Buňka (cellula) základní stavební a funkční jednotka organismů, schopná samostatné existence. Cytologie nauka o buňkách

- význam: ochranná funkce, dodává buňce tvar. jádro = karyon, je vyplněné karyoplazmou ( polotekutá tekutina )

7) Dormance a klíčení semen

Pletiva krycí, vodivá, zpevňovací a základní. 2/27

Biologie I. Buňka II. Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

Číslo a název projektu Číslo a název šablony

5) Klíčení semen a mobilizace rezerv

VÝZNAM REGULACE APOPTÓZY V MEDICÍNĚ

BUŇKA ZÁKLADNÍ JEDNOTKA ORGANISMŮ

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

Autofagie a výživa u kriticky nemocného pacienta

Endozóm Endozóm: soubor membránových organel, regulujících transport v rámci endomembránového systému.

Vitální barvení, rostlinná buňka, buněčné organely

Endozóm Endozóm: soubor membránových organel, regulujících transport v rámci endomembránového systému.

Morfogeneze rostlinné buňky. Rostlinná cytologie morfogeneze rostlinné buňky, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

4) Reakce rostlin k abiotickému stresu

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

Digitální učební materiál

Základy buněčné biologie

Regulace metabolických drah na úrovni buňky

Anotace: Materiál je určen k výuce přírodopisu v 6. ročníku ZŠ. Seznamuje žáky se základní stavbou rostlinné a živočišné buňky.

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

Buňka cytologie. Buňka. Autor: Katka Téma: buňka stavba Ročník: 1.

FOTOSYNTÉZA Správná odpověď:

RVR ) Vývoj květu a kontrola kvetení. d) Vznik gamet e) Mutace ve vývoji gametofytu f) Opylení, oplodnění

CZ.1.07/1.5.00/ Zefektivnění výuky prostřednictvím ICT technologií III/2 - Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

4. Eukarya. - plastidy, mitochondrie, cytoskelet, vakuola

DÝCHÁNÍ. uložená v nich fotosyntézou, je z nich uvolňována) Rostliny tedy mohou po určitou dobu žít bez fotosyntézy

Hořčík. Příjem, metabolismus, funkce, projevy nedostatku

Název: Fotosyntéza, buněčné dýchání

RŮST A VÝVOJ. Diferenciace rozlišování meristematických buněk na buňky specializované

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

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

Zemědělská botanika. Vít Joza

Název: POZOROVÁNÍ PLASTIDŮ,VAKUOL, BUNĚČNÉ STĚNY Autor: Paed.Dr.Ludmila Pipková

umožňují enzymatické systémy živé protoplazmy, nezbytný je kyslík,

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

BUNĚČNÁ STĚNA - struktura a role v rostlinné buňce

Mendělejevova tabulka prvků

Úvod do biologie rostlin Pletiva Slide 1 ROSTLINNÉ TĚLO. Modelová rostlina suchozemská semenná neukončený růst specializované části

Buňka buňka je základní stavební a funkční jednotka živých organismů

VAKUOLA. membránou ohraničený váček membrána se nazývá tonoplast. běžná u rostlin, zvířata specializované funkce či její nepřítomnost

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Aplikované vědy. Hraniční obory o ţivotě

MEMBRÁNOVÉ STRUKTURY EUKARYONTNÍCH BUNĚK

2) Reprodukce rostlin

4) Reprodukce rostlin

Buňka. Autor: Mgr. Jitka Mašková Datum: Gymnázium, Třeboň, Na Sadech 308

Látky jako uhlík, dusík, kyslík a. z vnějšku a opět z něj vystupuje.

Pohlavní rozmnožování. Gametogeneze u rostlin a živočichů.

Genetická kontrola prenatáln. lního vývoje

Bu?ka - maturitní otázka z biologie (6)

Inovace profesní přípravy budoucích učitelů chemie

Vznik dřeva přednáška

4) Reprodukce rostlin

Bílkoviny a rostlinná buňka

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

- pro učitele - na procvičení a upevnění probírané látky - prezentace

ontogeneze listu zpočátku všechny buňky mají meristematický charakter, růst všemi směry (bazální, marginální a apikální meristémy listu)

Stavba dřeva. Základy cytologie. přednáška

1 (2) CYTOLOGIE stavba buňky

IMUNOGENETIKA I. Imunologie. nauka o obraných schopnostech organismu. imunitní systém heterogenní populace buněk lymfatické tkáně lymfatické orgány

BUNĚČNÁ TRANSFORMACE A NÁDOROVÉ BUŇKY

5) Klíčení semen a mobilizace rezerv

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a Státním rozpočtem ČR InoBio CZ.1.07/2.2.00/

METABOLISMUS SACHARIDŮ

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

Úvod do biologie rostlin Úvod PŘEHLED UČIVA

Abiotický stres - sucho

Rostlinné hormony brasinosteroidy a jejich úloha ve vývoji a růstu rostlin

2) Reprodukce rostlin

Zvyšování kvality výuky technických oborů

DUM VY_52_INOVACE_12CH33

Autophagie a imunitní odpověd. Miroslav Průcha Klinická imunologie Nemocnice Na Homolce, Praha

prokaryotní Znaky prokaryoty

Rostlinné hormony brasinosteroidy a jejich úloha ve vývoji a růstu rostlin

Program kursu Rostlinná buňka

Buňka. Kristýna Obhlídalová 7.A

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

Bi8240 GENETIKA ROSTLIN

Autor: Katka Téma: pletiva Ročník: 1.

Střední průmyslová škola strojnická Olomouc, tř. 17. listopadu 49. Výukový materiál zpracovaný v rámci projektu Výuka moderně

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

Intermediární metabolismus. Vladimíra Kvasnicová

VÝZNAM FUNKCE PROTEINŮ V MEDICÍNĚ

Transkript:

1 2010 3) Senescence a programová smrt buňky (PCD) a) Typy buněčné smrti b) PCD v životním cyklu rostlin Gray J (2003) Programmed Cell Death in Plants. University of Toledo, Dept. of Biological Sciences http://www.blackwellpublishing.com/book.asp?ref=1841274208 UPDATE 2008 Obr. knihy Reape TJ et al. (2008) Programmed cell death in plants: distinguishing between different modes Journal of Experimental Botany 59: 435-444

2 Programová smrt - Programmed Cell Death (PCD) - je nezbytná část růstu a vývoje eukaryotických organismů a jejich reakcí ke stresům Organismus sám kontroluje iniciaci a proces smrti => programová smrt Příklady PCD u rostlin: - buněčná smrt spojená s hypersensitivní reakci - senescence

a) Typy buněčné smrti 3 PCD u rostlin je odlišná od PCD u živočichů. Živočichové apoptická buňka je absorbována fagocytózou Rostliny rostlinná buňka neprovádí fagocytózu (buň. stěna; absence fagocytů) Autofagie = proces, kterým se rostliny zbavují části cytoplazmy UPDATE 2010 Pro-life funkce Van Doorn et al. (2010) TIPS 15: 361-362 Úvaha o úloze autofagie v PCD - remobilizace nutričních látek v době nedostatku cukru a dusíku - degradace oxidovaných proteinů během oxidačního stresu - využití proteinových agregátů - odstranění poškozených proteinů a organel během normálních růstových podmínek 1. Autofagozómy (AB) = vezikuly, které pohlcují část cytozolu Autofagozómy jsou pohlceny centrální vakuolou (V) a rozloženy hydrolytickými enzymy. Saccharomyces Rostliny (svlačec)

4 2. Autofagie v aleuronové vrstvě semen obilnin - malé vakuoly shromažďující proteiny (PSV) fúzují v centrální vakuolu. Jak jsou buněčné organely ve vakuole zlikvidovány není známo. Vakuolární enzymy: - enzymy ukazující aktivitu kaspázy 1 Kaspáza1 = cystein proteáza; enzym konvertující IL-1b (interferon); kaspáza 1 hraje roli v apoptóze a proteolyticky štěpí cytokiny na jejich aktivní formy - VPE = vacuolar processing enzyme (asparaginyl endopeptidáza) - proteáza s kaspázovou aktivitou

5 3. Autofagie při diferenciaci tracheid tracheidy po diferenciaci umírají. Vakuola praská, z ní se vylijí hydrolázy (proteázy, nukleázy, fosfatázy) a ty degradují organely a další obsah buňky. Pro-death funkce Živočichové: Utlumení genů ATG (AUTOPHAGY) Exprese genů ATG (AUTOPHAGY) Snížení rychlosti PCD Zvýšení rychlosti PCD Rostliny? Je PCD u rostlin zprostředkována aktivací genů ATG (AUTOPHAGY)? NEVÍME Utlumení genů ATG3, ATG6 a ATG7 Rychlá smrt rostliny při bakteriální a virové infekci = pro-life funkce Mění indukci, pohyb a rozpoznávání signálů vedoucích k PCD Autofagie Usnadňuje degradaci signálů vedoucích k PCD Reaktivní kyslík NO oxid dusnatý Hlavní signály zprostředkující PCD

6 PCD specifická pro rostliny Tvorba endospermu u obilnin škrobový endosperm obklopený aleuronovou vrstvou; endosperm akumuluje zásobní látky; při zrání endosperm umírá; mrtvé endospermové buňky se nerozpadají jsou mumifikovány; aleuron zůstává živý; při klíčení jsou mumifikované buňky rozkládány enzymy aleuronu. PCD = procesy vedoucí k PCD + procesy vlastního aktu smrti Rostliny: procesy vedoucí k PCD jsou vratné

b) PCD v životním cyklu rostlin 7 Všechny fáze životního cyklu rostliny jsou ovlivněny PCD + Procesy PCD probíhají při reakcích k patogenům a stresům PCD vede k vývojové plasticitě

8 PCD v reprodukčním vývoji Vývoj květu je radikálně ovlivněn PCD rostliny s jednopohlavními květy (kukuřice) Raná stádia vývoje květu primordia samičích (gynoecium) i samčích (prašníky) pohlavních orgánů existují v obou květech. Další vývoj květu primordia jednoho pohlavního orgánu zanikají = PCD Mutant tasselseed2 v latě (tassel) se vyvíjí gynoecium Gen TASSELSEED2 kontroluje PCD gynoecia v latě - TASSELSEED2 exprimován v buňkách gynoecia těsně před PCD tasselseed2 WT - TASSELSEED2 kóduje hydroxysteroid dehydrogenázu Steroidy signál v PCD (?) UPDATE 2009 Acosta IF et al. (2009) Science 232: 262-265 TS1 gen kóduje enzym lipoxygenázu, která je zapojena v syntéze jasmonové kyseliny (JA) => JA ovlivňuje vývoj samčích pohlavních orgánů

9 Vývoj samičího gametofytu (megaspory) z nezralého vajíčka se vyvíjí embryonální zárodečný vak. Během vývoje 3 ze 4 buněk umírají = PCD Mikrosporogeneze (vývoj pylu) tapetální buňky umírají, cytoplazmatický obsah (proteiny, lipidy) se ukládají na povrch pylového zrna; smrt tapeta = PCD Vývoj embrya zygota se dělí na 2 buňky, jedna dává vznik embryu, druhá suspenzoru; suspenzor po vytvoření embrya zaniká = PCD

10 PCD ve vegetativním vývoji Růst embrya před klíčením brání růstu embrya buňky endospermu, po smrti buněk endospermu embryo může růst; smrt buněk endospermu = PCD Diferenciace tracheid xylému živé tracheální elementy nemají vodivou funkci; cytoplazma tracheálních elementů umírá a je odstraněna; mrtvé buňky se stávají vodivými tracheidy; smrt tracheálních elementů = PCD Tvorba orgánů smrt buněk v určitých částech listů dává vznik typickému tvaru listů Monstery (Swiss cheese plant); smrt listových buněk = PCD Monstera (Monstera deliciosa)

11 Tvorba trichomů, trnů, atd. zelené stonky kaktusu jsou nahrazeny listy, tyto listy jsou redukovány na trny; redukce listů = PCD Tvorba žláz na povrchu plodů - buňky na povrchu plodů umírají = PCD; mrtvé buňky se plní silicemi a oleji = lysigenie (schizogenie); vznikají žlázy

12 PCD jako součást reakcí rostlin ke stresům Tvorba aerenchymu rostliny vystaveny nedostatku buněčného kyslíku (hypoxie) => buněčná stěna a protoplast kořenových buněk umírají = PCD; vytváří se kanály pro transport vzduchu ze stonku.

13 Hypersensitivní reakce reakce rostliny k patogenní infekci; hostitelská buňka a buňky okolní prochází rychlou PCD => chrání ostatní buňky pletiva před infekcí Pathogen Hypersensitivní reakce Akumulace fenolických látek => smrt buňky (PCD) Nekrotická rána (necrotic lesion) Hexokinázy katalyzují fosforylaci cukru - 1. krok v metabolismu hexóz receptory hladiny glukózy - signál do jádra Kontrolní rostlina Hxk1-silenced plant Gene silencing genu HXK1 Hexokinázy spojené s mitochondriemi kriticky regulují proces PCD Metabolismus glukózy je spojen s PCD

14 Senescence (stárnutí) příklad PCD regulované vnějšími faktory UPDATE 2007 Gan S (2007) Senescence Processes in Plants. Blackwell Publishing. http://onlinelibrary.wiley.com/book/10.1002/9780470988855 UPDATE 2007 Lim PO et al. (2007) Annu Rev Plant Biol 58: 115 136 Vyčerpávající review zabývající se senescencí listů

15 Senescence a smrt jsou závěrečnou fází vývoje všech orgánů. Senescence - přirozený, na energii závislý, proces kontrolován vlastním genetickým programem rostliny. Senescence je však dramaticky regulována vnějšími faktory (délka dne, teplota)

16 Rychlá senescence - senescence květních orgánů během jednoho dne: otevření květů 5.00 hod, odpoledne uzavíráni, změna barvy a tvaru, stárnutí a umírání. Povíjnice (Ipomoea tricolor)

17 Pomalá senescence - listy (jehlice) borovice Pinus longaeva se vyměňují po 45 letech Mechanismus integrace senescenčních programů do vývoje a života orgánů či celé rostliny není znám. Hypotéza die now signál die now je neustále přítomen buňky, pletiva, orgány na něj reagují až v okamžiku, kdy k tomu dá příkaz jejich individuální program. Signál die now jistých buněk může indukovat senescenci v jiných buňkách

18 Fenotypy genetických variant, hybridů či mutantů: - stay green - nekrotický - nemocný Mutace v genech, které regulují časování nebo lokalizaci normální senescence či PCD Analýza mutantů: odhalení procesů kontrolující senescenci či buněčnou smrt cad1 constitutively activated cell death 1; fenotyp, který je podobný poranění zřetelnému při hypersensitivní reakci; 32x zvýšená hladina kyseliny salicylové; kóduje protein zapojený v imunitních reakcích živočichů WT Stay-green

19 Senescence je vysoce regulovaný proces tři základní fáze Iniciační fáze Aktivace a inaktivace genů Reorganizační fáze Rediferenciace buněčných struktur a remobilizace materiálu Konečná fáze Iniciace nevratných procesů

20 Senescence listů a plodů je charakterizována dramatickými změnami hlavních organel, zvláště plastidů mezofylových buněk a parenchymu perikarpu plodů. Chloroplasty Gerontoplasty Grana se rozpadají, přibývá plastoglobulů Grana zůstávají zachovány, plastoglobuly se nevyskytují WT Stay green

Mochyně 21 Chloroplasty Chromoplasty Foto: http://botanika.wendys.cz Chromoplast plodu židovské třešně buňka má velice slabou cytoplazmu; celá buňka je vyplněna plastidy obsahujícími karotenoidy Karotenoidy Cytoplazma

22 Dělohy a endosperm jsou zásobárnou proteinů během senescence se malé vakuoly mění ze zásobních organel na velkou centrální vakuolu Dělohy a endosperm jsou také zásobárnou lipidů. Lipidy jsou shromažďovány v organelách - oleosomech Během senescence dochází k tvorbě glyoxyzómů hrají roli v glukoneogenezi = tvorba cukrů z lipidů

23 Tyto změny v buněčné kompartmentaci dokazují vysokou organizovanost procesu senescence Aktivace specifických genů kontrolujících předem dané buněčné události Rozpad organel: První: chloroplasty (tylakoidní proteiny, stromatální enzymy) Poslední: jádra Senescence-down-regulated genes (SDGs) geny, které jsou tlumeny během senescence (proteiny zapojené ve fotosyntéze) Senescence-associated genes (SAGs) geny, která jsou aktivovány během senescence (hydrolytické enzymy proteázy, ribonukleázy, lipázy, chloroplast degrad. enzymy )

24 Klasifikace SAG podle funkční aktivity proteinů, které kódují: 1) Geny kódující proteolytické enzymy tři druhy cystein proteáz: a) enzymy indukující klíčení u obilovin b) enzymy podobné papainu = enzym z papaje c) enzymy upravující proteiny 2) Geny kódující komponenty proteolytického systému (aspartic proteázy, ubiquitin) 3) Geny kódující proteiny hrající roli v obraně rostlin proti patogenům antifungální proteiny, chitinázy, pathogenesis-related proteiny 4) Geny kódující proteiny, které chrání buňku proti oxidativnímu poškození vyvolaného ionty kovů

25 Variabilita v expresi SAG geny exprimované: - v různých stádiích senescence - jen ve stárnoucích nebo naopak jen v nestárnoucích orgánech - pouze ve specifických orgánech - vlivem stresů, hormonů (ABA, etylén), nedostatkem karbohydrátů Stádia listové senescence u Brassica napus YG plně rozvinuté listy MG1 listy z kvetoucích rostlin MG2 listy z rostlin vytvářejících tobolky SS1 listy s 98% chlorofylu SS2 listy s 60% chlorofylu SS3 listy s 35% chlorofylu

Mutanti v genech zapojených v senescenci 26 - geny regulující iniciaci celého senescenčního programu = geny fungující na počátku senescenčních signálních drah - geny kódující individuální enzymy metabolických drah = geny fungující hlouběji (později) v signální dráze Gregor Mendel studium senescence u hrachu gen I (dříve B) - reguluje stupeň zelenosti děloh Mutant v genu I má deficit v enzymu (PaO), který degraduje chlorofyl. Ukazuje zpožděnou senescenci. Protein I u hrachu = protein SGR (Stay Green Rice) u rýže; exprese SGR je indukována ABA a inhibována cytokininy stejně jako enzym PaO sgr mutant u hrachu funkčnost listů klesá, i když hladina Chl a a Chl b je vysoká v pozdní fázi senescence => SGR je primárně zapojen v degradaci chlorofylu. Mutant rajčete v genu GREENFLESH exprimován v listech a plodech

27 Mutanti stay-green blokáda v časování aktivity enzymů, které degradují chlorofyl Rostliny jsou dlouho zelené Stay-green obilniny ekonomický význam 1985 rekordní výnos kukuřice v Illinois (24 tisíc kg/ha) stay-green varieta WT Stay-green Stay-green variety jsou významné v ekonomicky chudých zemích

28 Analýza stay-green mutanta sid vedla k identifikaci biochemické dráhy kontrolující degradaci chlorofylu Degradace chlorofylu je složitý proces zahrnující komplexní enzymatickou dráhu a probíhající v několika subcelulárních částech. Kritické body: - enzymatické odstranění Mg 2+ - otevření kruhu a vznik bezbarvého tatrapyrolu UPDATE 2008 Ougham H et al. (2008) Plant Biology 10: 4-14 Review o faktorech, které kontrolují katabolismus chlorofylu a jeho význam v senescenci listů.

29 Ztráta chlorofylu je spojena se snižováním obsahu nebo naopak akumulací karotenoidů, v závislosti na druhu rostliny. Degradace chlorofylu Odhalování vrstvy karotenoidů (žluto-oranžové barvivo) Barevné kombinace podzimních listů UPDATE 2008 Ougham H et al. (2008) New Phytologist 179: 9-13 Otázka: Proč dochází k zabarvování listů nejen v zimě, ale i v létě. Konference: Origin and evolution of autumn colours, Oxford, březen 2008. Téma význam zabarvování listů pro rostlinu Funkce anthocyaninů: - fyziologická (fotoprotektivní, antioxidativní, zásobní) - signální žlutá barva přitahuje mšice, červená ne

30 Analýza mutantů s abnormálně zbarvenými plody či listy Klonovány důležité geny hrající roli v biosyntéze karotenoidů Xantofyly: zeaxantin Receptor modrého světla zprostředkující otevírání stomat