Hormony v rostlinách. Jaké jsou a co...

Hormony v rostlinách.

Jaké jsou a co dělají?

Radomíra Vaňková

Ústav experimentální botaniky AV ČR, Praha

Rozdíl mezi rostlinami a živočichy

Přisedlý způsob života x mobilní

Autotrofní výživa (fotosyntéza) x heterotrofní (býložravci, masožravci)

Tvarová různorodost x předem definovaný tvar

Totipotence buněk

Rozdíly mezi rostlinnými a živočišnými hormony

tvorba hormonů v různých částech rostliny x biosyntéza ve

specializovaných žlázách

Každý hormon ovlivňuje více procesů x působení na určitý

specifický proces

Jeden proces je ovlivňován více hormony

Důsledek přisedlého způsobu života

Velmi dynamické chování

intenzivní interakce s prostředím (dostupnost

živin, reakce na stresy)

Abiotické stresy

Biotické

stresy

Rostlinné hormony

„positivní regulátory růstu“

Auxiny

Cytokininy

Gibereliny

Brasinosteroidy

Strigolaktony

„stresové hormony “

Kyselina abscisová

Etylén

Kyselina salicylová

Kyselina jasmonová

Peptidové hormony

Ohyb za světlem,

zdrojem energie

auxin

Auxin

- byl objeven při studiu

fototropismu

Kyselina indol-3-octová (IAA)

Auxiny

- Stimulace buněčného dělení

- Prodlužování buněk

- Gravitropismus a fototropismus

- Apikální dominance

- Stimulace tvorby kořenů CYTOKININS

sucrose

CDKCDC 25 CYTOKININS

M

CDK

E2F

G1

G0

Cyc D

SM

G2

RBR

Gravitropismus – reakce na gravitaci

V nadzemní části akumulace

auxinu způsobí růst a

prodlužování buněk

ohyb

auxin

V kořenech způsobí

akumulace auxinu

inhibici růstu

Koordinace mezi nadzemní částí a kořeny

Auxiny a cytokininy

zdroj auxinu

Odstraněn vrchol (zdroj auxinu)

Cytokininy stimulují růst větví –

náhrada vzrostného vrcholu

Apikální dominance

Praktické využití

Zakořeňování řízků, sazenic

Herbicidy na bázi auxinu

• Cytokininy

Definovány jako

látky stimulující

buněčné dělení v

přítomnosti auxinu

( Skoog a Miller, 1955)

trans-zeatin

Plant Phys. 38(3): 291, 1963.

Tkáňové kultury

Převaha auxinu –

diferenciace kořenů

Převaha cytokininů –

diferenciace výhonků

Vyrovnaný poměr –

nediferencované kalusové

pletivo

Aplikace cytokininu na zakořeněný

kus stonku hrachu

- inhibice tvorby laterálních kořenů,

- stimulace tvorby postranních

pupenů

Snížení hladiny cytokininů (např. konstitutivní exprese CKX)

Zpomalení růstu nadzemní

části, zvýšení růstu kořenů

Funkce cytokininů

Stimulace buněčného dělení

Zpomalení stárnutí

Zpomalení degradace chlorofylu

Stimulace diferenciace chloroplastů

Stimulace větvení – antagonismus s

auxinem

Zvýšení síly sinku (atrakce živin)

CYTOKININS

sucrose

CDKCDC 25 CYTOKININS

M

CDK

E2F

G1

G0

Cyc D

SM

G2

RBR

Stimulace buněčného dělení

Přechod G1/S i

G2/M

Zpomalení stárnutí

Zpomalení degradace chlorofylu

Rostlina začne stárnout

Spustí se promotor SAG +

gen kódující isopentenyltransferázu

Zvýší se hladina cytokininů

Zrušení programu senescence

„dlouhověká rostlina“

R. Amasino

Vypne se SAG promotor

SARK:IPT rostliny,

zvýšená odolnost

vůči suchu

Praktická aplikace

SAG:IPT kasava

(prodloužení

skladovatelnosti hlíz)

Zvýšení síly sinku (atrakce živin)

Ochrana apexu a mladých listů ve stresu

Gibereliny

Plíseň Gibberella fujikuroi sekretuje látku, která stimuluje dlouživý růst

rýže, ale eliminuje tvorbu zrn - ekonomicky velmi významná

choroba.

v r. 1958 identifikován giberelin A1 ve vyšších rostlinách (Phaseolus

coccineus)

dosud identifikováno přes 136 GA

Pouze vzácně ve vyšších rostlinách

GA7 (= GA3 – 13C OH)

Není ovlivněna aktivita

7) Funkce

A) Stimulace dlouživého růstu stonku

především růst stonku z růžice listů, překonání zakrslosti

B) Indukce kvetení

C) Regulace embryogeneze, klíčení semen

D) Stimulace buněčného dělení a elongace buněk

G) Vývoj plodů - partenokarpie

A) Stimulace dlouživého růstu

druhy tvořící vegetativní růžici listů,

jednoděložné

především růst stonku z růžice listů,

překonání zakrslosti

jednoděložné – růst interkalárních meristémů

synergismus s auxinem,

antagonismus vůči ABA

B) Květní indukce

GA nahradí dlouhý den u

dlouhodenních rostlin, příp.

vernalizaci

C) Regulace klíčení a tvorbu embryí

- mobilizace zásobních látek z endospermu,

- stimulace rozkladu škrobu

- zrušení dormance (nahražení světla nebo chladu)

Vliv GA z embrya na tvorbu hydrolytických enzymů a

štěpení škrobu během klíčení semene

G) Vývoj plodů – partenokarpie

GA iniciují růst plodů po opylení i bez opylení

(partenokarpie – hrozny bez semen)

Protažení tvaru některých plodů (např. jablka)

Praktické aplikace GA

Stimulace hydrolytických enzymů

-Tvorba sladu - GA ji urychlí stimulací

tvorby hydrolytických enzymů

Regulace dlouživého růstu

- zvýšení výnosu cukrové třtiny (třtina netvoří škrob, uchovává cukry jako

sacharozu, kterou skladuje v centrálních vakuolách parenchymu internodií -

stimulace prodloužení internodií (třtina o 20 t/ha, cukr o 2 t/ha)

- inhibice růstu - omezení polehávání obilovin, kompaktní vzrůst květin

- tvorba plodů - prodloužení délky stopek umožní větší nárůst bobulí vína

- protažení tvaru jablek (Golden delicious)

- oddálení senescence citrusů prodlouží období sklizně

Zablokování signální dráhy giberelinů

umožnilo odstranit polehávání pšenic s

vysokým výnosem

(Norman Borlaug, zelená revoluce)

Brasinosteroidy

Nalezeny v extraktu z pylu řepky olejky (Brassica napus) jako látky stimulující

růst – nazvány „brassiny“

V biotestu na druhém internódu fazolu byla zjištěna řada účinků:

Prodlužování buněk

Buněčné dělení

Ohyb

Bobtnání

Rozštěpení druhého internódu

Svébytný, nový druh hormonů

Z 227 kg pylu řepky olejky byly získány 4 mg brassinu nazvaného brassinolid (1979)

1982 získán castasteron (prekurzor brassinolidu )

Brasinosteroidy

Striga hemonthica

Strigolaktony

1972– strigol a strigyl acetát nalezeny v kořenových

exudátech bavlníku, identifikovány jako sloučeniny,

které stimulují klíčení rostlin parazitujících na kořenech

plodin

Parazité: Striga lutea, Orobanche

Plodiny: kukuřice, sorghum, proso, rýže,

Rajčata, tabák, mrkev, okurka, slunečnice, luštěniny

2005 – 5-deoxystrigol izolován jako látka, která

stimuluje větvení arbuskulární mykorhizní houby

(symbiont – poskytuje fosfáty, bere si cukry)

Terpenoidní laktony

ABC kruh

spojený labilním etherovým můstkem s

D kruhem

1. Atrahuje symbionty, kteří poskytují fosfáty

Tvorba strigolaktonů (SL) je

stimulována nedostatkem fosfátů

Dostatek Pi – jsou sorbovány kořeny

větvení je stimulováno

Nedostatek Pi – zvýšení tvorby SL

1. Větvení je inhibováno

2. Ve starších listech je aktivována

senescence,

3. živiny (včetně Pi) translokovány

do apexu a mladých listů

4. Arbuskulární mykorhizní plísně

(AMF) poskytují nedostatkový Pi

(výměnou za cukry) Umehara, Plant Biotechnology 2011

Kyselina abscisová

Regulace růstu a vývoje – positivní i negativní regulátory

inhibice růstu za nepříznivých podmínek

ABA = negativní regulátor růstu a otevírání

průduchů

zvyšuje odolnost vůči dehydrataci/desikaci

(obrana proti vodnímu deficitu – zavření

průduchů, stimulace obranných drah

dormance semen a pupenů, vývoj semen,)

Struktura kyseliny abscisové

Fyziologicky aktivní: (+)-S-cis-isomer

Nezbytné :

- cis-konfigurace postranního řetězce

- dvojná vazba v kruhu

- hydroxylová skupina v poloze 1´

Mechanismus působení ABA

1) Krátkodobé působení – regulace otevřenosti průduchů

2) Dlouhodobé působení - změny exprese genů (potlačení růstu, vývoj

semen)

Lokalizace a transport ABA

Volná ABA v chloroplastech a v cytoplasmě,

Světlo – transport protonů do gran, zvýšení pH stromatu, disociace ABA, pro ABA-

je membrána neprůchodná, pasivní difuzí nedisociovaná ABA do chloroplastů

Vodní deficit – zvýšení pH cytoplasmy, transport z chloroplastů do cytoplasmy a

dále do apoplastu

Nedostatek ABA v semenech – klíčení již na poli na rostlině -

viviparie

Dormance pupenů – umožní přežít zimu bez poškození

Etylén

Plynný hormon

Žloutnutí stromů v blízkosti lamp na svítiplyn

1901 Dimitrij Neljubov identifikoval etylén jako aktivní

složku svítiplynu (pozoroval „triple response“ u

klíčních rostlin hrachu pěstovaných v laboratoři)

1910 H.H. Cousins sloučenina uvolňovaná pomeranči

urychluje zrání banánů

(zřejmě produkce Penicilliem)

1934 identifikace etylénu jako přírodního produktu,

klasifikován jako hormon

Struktura a výskyt

Nejjednodušší olefin,

Plyn, lehčí než vzduch, hořlavý

Snadný transport mezibuněčným prostorem

(difuse)

Snadno uniká z tkání

H H

C = C

H H

Funkce etylénu

A) Indukce tloustnutí a zkracování stonku

B) Stimulace dlouživého růstu ponořených vodních rostlin

C) Tvorba apikálního háčku u etiolovaných klíčních rostlin

F) Indukce tvorby kořenů a kořenového vlášení

G) Stimulace abscise listů

H) Urychlení senescence květů a listů

I) Urychlení zrání plodů ( klimakterických )

L) Reakce na stres a poranění (účastní se odezvy rostlin na stres – sucho, zatopení,

zvýšená teplota, chlad, zasolení, ozón, infekce, exprese PR-genů)

trojná odezva

B. Stimulace dlouživého růstu ponořených vodních

rostlin

Ponoření způsobuje zvýšení hladiny etylénu (nemůže unikat)

Etylén stimuluje elongaci stonků a řapíků horní části rostlin,

až se listy se dostanou nad hladinu

Diferenciace aerenchymu (podobně např. i při nedostatku síry)

Vodní rostliny + rýže

Interakce GA a

etylénu

J Plant Res 2010, 123:303-309

Stabilizace DELLA

proteinů

ERF subgroup VII

inhibuje odezvu na GA

GRASS doména

„escape strategy“

„quiescence strategy“

C. Tvorba apikálního háčku

Etiolované klíční rostlinky (dvouděložné) mají apikální

meristém při průchodu zemí chráněn ohnutím , tj.

tvorbou apikálního háčku

Způsobeno asymetrickým růstem – rychlá elongace vnější

strany, inhibice vnitřní strany

Světlo inhibuje tvorbu etylénu

zvýší rychlost elongace na vnitřní straně

Otevření háčku

E. Indukce tvorby kořenů a kořenového vlášení

A Kořenové vlášení se za

normálních okolností tvoří z

buněk epidermis, které jsou

nad rozmezím buněk kortexu

B - exogenní aplikace (ACC)

nebo

C -konstitutivní odezva

Vlášení vzniká ze všech

epidermálních buněk

D Aplikace antagonisty

etylénu (Ag+) inhibuje

diferenciaci

F. Stimulace abscise listů

Zóna abscise – 2 – 3 řady buněk, specifické

chování

Etylén - Indukce celulázy

Cell wall hydrolysis,

Round protoplasts

increase volume

Cell separation

Leaf abscision

G. Zrychlení senescence květů

Aplikace Ag+ (antagonistu etylénu) ve formě thiosulfátu stříbrného

k řezaným karafiátům zpomaluje výrazně jejich vadnutí

I. Zrání plodů

Rostliny, u nichž šíření semen závisí na přenosu zvířaty, vytváří „jedlé“ plody

- během zrání: rozvolnění buněčných stěn (aktivace pektináz a galakturonidáz)

zvýšení obsahu rozpustných pektinů

hydrolýza škrobu, akumulace cukrů

degradace chlorofylu, přeměna chloroplastů na chromoplasty

tvorba antokyanů a karotenoidů (upoutání pozornosti)

tvorba chuťových a aromatických látek

snížený obsah organických kyselin a fenolických látek, včetně taninů

Během zrání klimakterických plodů se zvyšuje hladina etylénu,

zvýšení respirace

klimakterické plody: avokado, banán, jablko, fíky, oliva, broskev, hruška, švestka, rajče, …

neklimakterické plody: citrusy, ananas, třešně, jahody

Tvorba etylénu a intenzita dýchání u banánu

Regulace zrání rajčat pomocí etylénu

1. Prodloužení skladovatelnosti plodů pomocí inhibice biosyntézy etylénu (AVG)

2. Zrychlení zrání plodů zvýšením hladiny etylénu

1. Zpomalení

zrání

2. Uspíšení

(případně

synchronizace )

zrání

Změknutí následkem

zvýšení

polygalakturonidázy

Využití v praxi

Aplikace etylénu ve formě ethrelu

synchronizace zrání,

Synchronizace opadu listů a plodů

Cl CH2 CH2 O O P

OH

OH

Zablokování biosyntézy – zpomalení

zrání plodů

Zablokování dráhy – zpomalení

stárnutí květů

Kyselina salicylová

Známa více jako lék než jako rostlinný hormon

Kyselina salicylová (SA) se nachází v řadě rostlin (vrba, myrta, topol, tužebník

jilmový), které se již od 4. století př.n.l. (Hippocrates) používají k tišení bolesti

(horečka, reumatismus), při nachlazení

Ve 20. letech 19. stol. izolována aktivní látka z kůry vrby a z libavky (Gaultheria

procumbens), identifikována jako salicin (glukosid SA)

kyselina salicylová nazvána podle Salix (vrby)

1852 SA syntetizována chemicky (levnější), ale hořký - zdravotní potíže při delším

užívání (podráždění žaludku)

1898 kyselina acetylsalicylová = aspirin

Současná světová produkce – mnoho tisíc tun/rok

v rostlinách je součástí obrany po napadení pathogeny,

rovněž součástí odezvy na abiotické stresy

• Struktura

hydroxyderivát kyseliny benzoové

Funkce

Thermogeneze – zvýšení SA až 100x

SA indukuje expresi alternativní oxidázy

zvýšení aktivity alternativní respirační dráhy v mitochndriích (omezení konzervace

energie do ATP, velká část uvolněna jako teplo)

SA zvýší během anthese teplotu až o 14°C, dojde k volatilizaci látek, které atrahují

opylovače (u užovníku nebo zmijovce - vůně tlejícího masa)

Obrana rostlin po napadení pathogeny

•Lokální odezva - hypersensitivní odezva: vznik nekrotických lézí

(programovaná buněčná smrt) - zabrání šíření pathogena v rostlině

•Stimulace exprese obranných genů

tvorba “pathogenesis-related proteins” - PR-proteiny

Krátce po napadení pathogenem (minuty) - virulentním i avirulentním

Zvýšení hladiny superoxidu (O2-) a H2O2

Peroxidasy v apoplastu

oxidační vzplanutí („oxidative burst“)

Přímé ničení pathogenů,

stimulace lignifikace buněčných stěn,

Stimulace tvorby SA

Ta zpětně stimuluje tvorbu ROS

+ inhibice katalasy a APX

Positivní „feed-back loop“

Amplifikace signálu, HR

Druhá fáze – u avirulentních p.

PCD, exprese obranných genů

Interakce s NO

Cell death control

ABAauxins CK

SAJA/Et

Halting patogencolonization

Nutrient and water demands

Biotrophs

Biotrofní pathogeny produkují auxiny nebo cytokininy

nebo stimulují jejich biosyntézu/snižují degradaci v

rostlinách

Pseudomonas syringae - Coronatine – analog JA-Ile, potlačuje

dráhu SA

Kyselina jasmonová

1971 - kyselina jasmonová (JA) izolována jako inhibitor růstu

rostlin z filtrátu plísně Botryodiploidi theobromae

80. léta JA a metyljasmonát nalezeny v mnoha druzích

jako látky stimulující senescenci a inhibující růst,

odlišné od ABA

metyljasmonát a cis-jasmon jsou složkami vůně

jasmínu, parfémy

Struktura

hlavní jasmonáty jsou

(-)-kyselina jasmonová (JA) a

(-)-metyljasmonát (těkavý, snadná

konverze)

1) Obrana vůči okusu a “nekrotrofním“ patogenům

„proteolytické enzymy,

obranné proteiny – („vadí“

býložravcům a pathogenům)

Funkce

1. Zvyšuje resistenci vůči hmyzu a chorobám (akumulace JA po zranění,

elicitory, systemin)

Zvyšuje resistenci vůči “nekrotrofním“ pathogenům

2.. Zvyšuje expresi obranných proteinů proti plísním (např. osmotin, thionin)

4. Indukce inhibitorů proteáz (cílených proti hmyzu i ve vzdálených listech)

Váží se do aktivního místa proteolytických enzymů (trypsin, chymotrypsin), zabrání

trávení, housenky mají nedostatek živin

Antisense transgeny – housenky je zkonzumují daleko rychleji

5. Indukuje tvorbu sekundárních metabolitů - alkaloidů a fenolických látek,

včetně pigmentů

6. JA inhibuje buněčné dělení

Děkuji za pozornost!