Dostupnost živin jako faktor utvářející morfologii kořenů (trofomorfogeneze) Vliv dusíkatých látek, fosfátů, síranů a iontů železa
Co je ovlivněno? Primární kořen Laterální kořen Kořenové vlásky (tvoří až 70% povrchu kořene)
Ionty železa dostatečná koncentrace Fe Podobný fenotyp jako u fosfátů neostatek železa vede k nárůstu délky kořenových vlásků a zvýšení jejich hustoty až 5x (zvýšená diferenciace epidermálních buněk) Jiná signální dráha mutant axr2 (auxin resistant) netvoří vlásky ani na plném ani Fe-deficientním mediu rozdíl proti fosfátu nízká koncentrace Fe
Sírany Nízká koncentrace síranů podporuje větvení kořenového systému Větší hustota zakládání laterálních kořenů Blíže ke kořenové špičce Aktivace enzymu nitrilázy, která se podílí na tvorbě IAA- zvýšení koncentrace auxinu.
Příjem nitrátů -Dobře rozpustné (v půdě 1-10 mm) -A.thaliana nemá mykorhizu veškerý transport se děje pomocí kořenů -Příjem nitrátů způsobí dpeolarizaci membrány kotransport H+, elektrofyziologická měření, 7 NRT genů u A.th -Dva mechanismy příjmu nitrátů vysokoafinitní a nízkoafinitní (nesaturovatelný) -Oba mechanismy regulované mnoha faktory, nitrát aktivující (hlavně VA) do určité míry pak inhibující, amonné ionty inhibují - Příjem nitrátů je centrálněřízen
Signalizace nitrátů -Asimilace nitrátů dusičnan dusitan amonný iont -Co je detekováno? -Ovlivnění exprese genů metabolismus dusíku, metabolismus sacharidů -Ovlivnění morfogeneze kořenového systému (poč. 70. léta n ječmeni, později generalizace) -Metabolická teorie rostoucí kořeny odčerpávají živiny ostatním, neplatí i mutanti v NR odpovídají na změny hladiny nitrátů
Vliv nerovnoměrné distribuce nitrátů v půdě (jako příklad navigace kořenů prostředím)
U arabidopsis se během indukovaného růstu LK neměníčetnost zakládaných kořenů ani rychlost jejich růstu během prvních stadií. Nedochází k zvětšování buněk, jen nárůst aktivity meristemu.
Dvě paralelní dráhy nitrátů jako signálních molekul Systémová řízená poměrem C:N v kořeni a prýtu, saturovatelnost (1mM nitrát vyvolá stejnou odpověď jako 50mM), nově založené LK, reverzibilní. Nezávislá na metabolizaci nitrátů, ale NR mutace zvyšuje citlivost na celkovou inhibici nitráty. - Změna obsahu auxinu v kořenech a prýtu během signalizace. -systémový efekt je oslaben v abi (ABA insensitive) mutantech (abi4-1,4-2, 5)
Lokální řízená transkripčními faktory, všechna stadia LK ANR1 Arabidopsis NITRATE REGULATED -MADS box transkripční faktor, akumulace mrna při nadbytku nitrátů, není v deficitních kořenech - NRT geny jako regulátory odpovědi AtNRT1.1 upstream k ANR1, podobná specifická odpověď na lokální nitráty, regulace dalších NRT genů -mutanti ANR1 neodpovídají na lokální zvýšení N, ale podrží si negativní odpověď na zvýšenou koncentraci nitrátu hypersenzitivita už 0,1 mm nitrát proti 10 mm ve WT.
-auxinový mutant axr4 také neodpovídá na lokální zvýšení nitrátu - U nodulujících rostlin je regulace nodulace a tvorby laterálních kořenů (hypernodulation aberrant root1- HAR1) - Amonné ionty blokují růst kořenů ve vysoké koncentraci a v závislosti na dosažitelnosti K+ - nejasná funkce - Glutamát jako zdroj dusíku vede k celkovému zkrácení kořenového systému a bohatšímu větvení. Druhově specifická reakce.
K čemu je to rostlině dobré? N jako indikátor obecné dostupnosti živin? N rychle difunduje a je dobrý indikátor kompetice?? poměr C/N... fotosyntéza/min. výživa... nadzemníčásti/kořen
Poměr C:N Uhlík z fotosyntézy nebo media, dusík z media Akumulace auxinu v hypokotylu LIN1 gen regulující rovnováhu, lin1 větví kořeny i při nízké fotosyntéze LIN1 je NRT2.1- vysokoafinitní transporter nitrátu
det3 mutant je na vysokém nitrátu deficientní v dlouživém růstu, s jiným zdrojem N na půdě se stejnými osmotickými vlastnostmi je srovnatelný s WT. Vliv na prýt
Asimilace a signalizace fosfátů Často nerozpustné anorganické sloučeniny, organicky vázaný Kyselé fosfatázy, organické kyseliny, vysokoafinitní transporter
Za normálních okolností stačí malá plocha kořene, při nedostatku jsou iniciovány kořenové vlásky, mutant v jejich tvorbě. rhd2 výrazně zaostává na deficientním mediu, ale ne na plném mediu. Signální dráha odlišná od železa mutant axr2 tvoří na fosfátově deficitním mediu normální vlásky.
Sytémová reakce na nedostatek fosfátů Na deficientním mediu vytváří většina rostlin klastry laterálních kořenů s determinovaným meristemem (několik dní) a následnou tvorbou množství kořenových vlásků. U A.thaliana roste množství laterálních kořenů až 50x (1uM x 1mM fosfát). Laterální kořeny na konci vývoje ztrácí citlivost na auxin a mitotickou aktivitu.
Odpověď na deficit fosfátů DR5 cycb PHOSPHATE TRANSPORTER2
Low phosphate insensitive (LPI) 11genů, neznámá funkce Ovlivňují expresi genů zodpovědných za správnou funkci meristemu (PLETHORA, SCARECROW, CRE, SHORT- ROOT)
Necitlivý k fosfátu - PHO3 Neznámá funkce, stálá nízká hladina interního fosfátu, hyperakumulace sacharidů, škrobu, anthokyanů. Ovlivnění sekrece?
Phosphate response regulator PHR1 transkripční faktor Myb, porucha regulace poměru kořen:prýt a exprese odpovídajících genů při fosfátovém hladovění. PHO2 je neobvyklá E2 ubiquitin transferáza a spolu s neg. regulátorem mikro RNA mir-399 tvoří signální fosfátovou dráhu. Hladovění vede k akumulaci P v listech. Phosphate defficiency response2 (PDR2). Monitoruje hladinu fosfátu a reguluje aktivitu meristemu. Mutant vykazuje hypersenzitivitu k fosfátovému hladovění.
Low phosphate root LPR oxidáza obsahující měď, zastaví růst prim. kořene v oblasti chudé na fosfáty. Phosphate starvation regulator - SUMOylovaný MYB traskripční faktor, aktivator genů fosfátového hladovění.
Další faktory ovlivňující odpověď na fosfátové hladovění Auxin se účastní tvorby laterálních kořenů inhibice TIBA,NPA, ale snížená citlivost. vyšší senzitivita primárních kořenů k inhibici auxinem a vyšší senzitivita laterálních kořenů k auxinu (10-100x). Zapojení TIR1 do signalizace deficience (zvýšení exprese, overexprese napodobuje deficientní fenotyp, mutace tir1-1 neindukuje laterální kořeny) ARF7 a 19 jsou esenciální pro tvorbu LK Cytokinin je negativním regulátorem laterálních kořenů při hladovění. Ethylen zodpovědnost za ukončení funkce meristemu Sacharidy
Jarovizace (vernalizace, vernalisation, яровизация) absolutní fakultativní
(Nešťastné) dějiny jarovizace Jev znám minimálně od zač. 20. století (J. Tournois 1910-13, + na frontě) Gassner, G. (1918). Beiträge zur physiologiischen Charakteristik sommer- und winterannueller Gewächse, insbesondere der Getreidepflanzen. Z. Bot. 10, 417 480. 1928 (1929?) T. D. Lysenko - jarovizace ozimů (nevymrznou, ale možná zplesniví) zásluhou N.I. Vavilova - bosonohý akademik Trofim Děnisovič Lysenko (1898-1976) Nikolaj Ivanovič Vavilov (1887-1943)
N. I. Vavilov + v gulagu 1943 (hlady?) O situaci v biologii - 1948
Chladový signál Aklimace rostliny se stávají odolné vůči mrazu, uvolnění vápníku a aktivace TCH genů, tvorba kryoprotektantů (sacharidy, polyaminy) Změna membránové fluidity Propojení vernalizace a aklimace HOS1- negativní regulátor chladové odpovědi (intenzita odpovědi, teplota) Mutanti vykazují chladovou odpověď při 19 C a kvetou výrazně dříve, omezená citlivost k vernalizaci E3 ligáza, cyklování podobné COP1
Mitotická stabilizace vernalizačního signálu DNA methylace C v GC páru Reset reprodukcí, dědí se v rámci buněčné linie Methylace je neg. regulátor vernalizace vede k poklesu methylace. Inhibice methylace vede k urychlení kvetení. Demethylace je katalyzovaná DNA- glykosylázami z rodiny DEMETER. Celkový vzorec methylací DNA je prakticky dán demethylací.
Remodelace chromatinu euchromatin x heterochromatin Heterochromatin tvoří spolu s inaktivovanými geny chromocentra
Pro tvorbu chromocenter je důležitá metylace DNA (DDM1- faktor chromatinové remodelace, MET1- methyltransferáza). Během života rostliny roste podíl HC ( u ddm1 méně) Rozvolnění center během dediferenciace (např. protoplastování) a tvorby kalusů. Porucha v tvorbě kalusů Kryptonite (KRP) H3K9 methylace Nutná pro fomování kalusů. ALE ddm1 může kalusy tvořit také. Negativní regulace tvorby kalusů Curly leaf (CLF) H3K27 methyltransferáza, mutanti spontánně tvoří struktury nediferencovaných buněk. Podobně LHP1 Like heterochromaitin protein 1) protein vážící methylovaný histon působí proti dediferenciaci.
Epigeneticky řízené geny FLC flowering locus C MADS TF, konstitutivní exprese, negativní regulátor, hladina snížená vernalizací přetrvává Modifikace hromatinu acetylace H3K9 a methylace H3K14 jsou znaky ativního genu - Methylace H3K9 a H3K27 jsou znaky neaktivního, reprimovaného genu FRI frigida mutant má redukovanou hladinu FLC
Odlišná citlivost ekotypů A.thaliana k vernalizaci je daná expresí funkčních FLC a FRI
Geny dále zapojené ve vernalizaci VIN3 -vernalization insensitive mrna jen po dobu chladu, TF podobná doména pro remodeling chromatinu, vin3 mají modifikace jako nevernalizované rostliny VRN2 polycomb protein, vrn2 nemají represivní modifikace, součást Polycomb repression complex (PRC2), kde je curly leaf, swinger and Fertilization independen endosperm komplex zajišťující represi FLC VRN1- DNA vážící, jednostranný nárůst metylace H3K27 VRN5- interaktor VIN3, stejný fenotyp,
FLC aktivátory 2 skupiny nezávislé na autonomní dráze a závislé na autonomní dráze Závislé na FRI genu frigida-like, frigida-essential, FLC v těchto mutantech není exprimován nepotřebují vernalizaci Nejasná funkce. Suprese mutace autonomních genů FLC je exprimván i na pozadí fri1. Mutace v těchto genech opět umlčí FLC. Geny pro remodelaci chromatinu (PAF1 komplex u kvasinek) snížení methylace H3K4, H3K36 EFS protein podobná funkce jako PAF komplex SWR1 komplex váže H2A, přítomnost tohoto histonu je markerem aktivního genu
Geny autonomní dráhy blokují expresi FLC RNA vážící proteiny TF a remodelace chromatinu Mutace vede k vysoké hladině FLC a hyperacetylaci H3a H4 (př. Flowering locus D je histon-deacetyláza)
Alternativní dráhy vernalizace MAF proteiny paralogy FLC, 5 členů -obecné represory kvetení -sdílí některé regulátory s FLC x některé jsou specifické -MAF1, 2, 3 jsou chladem reprimovány, MAF 5 je indukován a MAF4 neovlivněn -Mutace maf2 způsobuje zkrácení doby chladu nezbytné pro vyvolání odezvy -Overexprese MAF2 vede k necitlivosti k vernalizaci
Alternativní dráhy vernalizace AGL24 a SVP MADS-box TF -Fungují jako aktivátory kvetení v odpověď na vernalizaci -Vzájemná aktivace se SOC1 -Mutanti mají opožděný nástup kvetení -Obecná exprese ve vegetativních orgánech
Alternativní dráhy vernalizace AGL 19 agamous-like 19 (homolog SOC1) Ektopická exprese indukuje kvetení Nezávislé na SOC1, FLC Stejný vernalizační mechanismus jako FLC Represivní H3K27 methylace před vernalizací, méně po
Rozdílný mechanismus jednoděložné x dvojděložné Jednoděložné využívají proteinů světelné dráhy, vernalizační signál lze nahradit dlouhodobým SD.
VRN1 MADS TF, homolog APETALA1 VRN2 podobnost s genem CONSTANS, obsahuje tzv. CCT doménu, cíl vernalizace VRN3 homolog FT VRT2 - homolog SVT, represe VRN1 společně s VRN2 Není zatím jasné, v kteréčásti se vernalizace odehrává. Není jasný mechanismus paměti. Prozatím byly objeveny homology VIN3 s podobným akumulačním chováním.
Závěr Vernalizace se vyvinula později v evoluci nezávisle u jednoa dvojděložných. Využívá původního konzervovaného mechanismu regulace kvetení na základě délky fotoperiody. Vlastní mechanismus vernalizace využívá rozdílné skupiny proteinů v jedno- a dvojděložných rostlin.