1 19.04.2013

Nils Rostoks

AUGU ATBILDE UZ ABIOTISKO STRESU

MĀCĪBU PLĀNS UN LEKCIJU SARAKSTS

19.04.2013

2

Datums Lekcijas temats08.02.2013 Iepazīšanās, ievadlekcija15.02.2013 Augu ģenētikas vēsture. Augi kā ģenētikas modeļorganismi. 22.02.2013 Augu genomu struktūra un pētīšanas metodes 01.03.2013 Augu genomu struktūra un evolūcija. Genomu polimorfisms, poliploīdija

08.03.2013 Molekulāro marķieri un to genotipēšanas tehnoloģijas un to pielietojums genoma kartēšanā

15.03.2013 Kartēšana augos izmantojot eksperimentālas un dabiskas populācijas 22.03.2013 Lekcija nenotiek 29.03.2013 Lieldienu brīvdienas05.04.2013 Molekulārie marķieri augu selekcijā. Augu - augu patogēnu molekulārā ģenētika un bioloģija12.04.2013 Seminārs. Augu genoma struktūra un molekulārie marķieri

19.04.2013 Augu abiotiskā stresa izturības un hormonālās regulācijas molekulārā ģenētika

26.04.2013 Lekcija nenotiek (LU Satversmes sapulce)

03.05.2013Transgēno augu iegūšanas vēsture, metodes un pielietojums fundamentālos pētījumos. Latvijas un ES likumdošana ĢMO kultūraugu līdzāspastāvēšanas un ierobežotas izmantošanas jomās Transgēno augu pielietojums biotehnoloģijā. Ģenētiski modificēti kultūraugi.

10.05.2013 Seminārs. Augu abiotiskais un biotiskais stress un ĢMO 17.05.2013 Lekcija nenotiek 24.05.2013 Eksāmens

3 STRESS

19.04.2013

Stress – ārējie faktori, kas negatīvi ietekmē augu

Abiotiskais stress – ārējie vides faktori, kas negatīvi ietekmē augus

Stresa ietekmi novērtē pēc augu izdzīvošanas spējas, ražības, biomasas akumulācijas, primārās asimilācijas procesiem

Stresa tolerance – auga sagatavotība pretoties negatīvai ārējās vides ietekmei

Stresa izturība un stresa tolerance – bieži lieto, lai apzīmētu vienu procesu

4AKLIMATIZĀCIJA UN

ADAPTĀCIJA

19.04.2013

Aklimatizācija – stresa tolerances pieaugums, ja augs ir iepriekš saskāries ar šo stresu

Adaptācija – auga ģenētiski determinēta stresa tolerance, kas radusies ilgstošā dabiskās izlases procesā

5LAUKSAIMNIECĪBAS AUGU

STRESA TOLERANCE

19.04.2013

Lauksaimniecības augi lielākoties aug ārpus sava dabiskā areāla, vides apstākļos, kuriem tie nav adaptēti

Piemēram, savvaļas kartupeļi veido bumbuļus tikai īsas dienas apstākļos. Kad kartupeļi nonāca Eiropā, tie adaptējās vietējiem apstākļiem un sāka veidot bumbuļus arī garas dienas apstākļos

Lauksaimniecības augi aug lielās platībās un tādējādi stresa faktoriem var būt liels efekts uz ražu un tās kvalitāti

Lauksaimniecības augiem var būt ļoti zema ūdens izmantošanas efektivitāte (liels transpirētā ūdens daudzums uz 1 g asimilētā CO2)

6ABIOTISKĀ STRESA

VEIDI

19.04.2013

Ūdens deficīts

Karstuma stress un karstuma šoks

Aukstuma stress un tolerance pret sasalšanu

Sāls stress

Skābekļa trūkums

Minerālvielu trūkums vai pārpilnība

Gaismas intensitāte un UV starojums

Bieži vien šie stresa veidi dabā tiek kombinēti

Gaisa piesārņojums un klimata izmaiņas

7 STRESA SIGNĀLCEĻI

19.04.2013

Signāli par to, ka augs ir pakļauts stresa faktoru iedarbībai var tik saņemti dažādā veidā, piemēram ar plazmas membrānas receptoriem, vai iekššūnas proteīniem

Signālu pārneses kaskādes (piemēram, MAP kināzes) novada signālu uz transkripcijas faktoriem kodolā, kas izmaina gēnu ekspresiju

Daudzu gēnu ekspresija tiek inducēta, bet citu gēnu ekspresija tiek represēta, kā rezultātā augā notiek izmaiņas metabolismā un fizioloģiskajās atbildēs

8

19.04.2013

http://www.cropscience.org.au/icsc2004/symposia/3/6/1137_lafitte.htm

9

19.04.2013

10

19.04.2013http://www.annualreviews.org/doi/pdf/10.1146/annurev-arplant-042809-112122

11ABSCIZSKĀBE UN

ATVĀRSNĪŠU REGULĀCIJA

19.04.2013

Abscizskābe (ABA) veicina atvārsnīšu aizvēršanos ūdens trūkuma laikā

Viens no ABA receptoriem ir RNS saistošs proteīns (Razem et al. (2006) The RNA-binding protein FCA is an abscisic acid receptor. Nature, 439: 290). Bet nav vienīgais...

Atvārsnīšu aizvēršanos izraisa slēdzējšūnu turgora samazināšanās, ko rada K+ un anjonu transports no šūnas

ABA paaugstina Ca2+ koncentrāciju citoplazmā veicinot tā transportu no ārpusšūnas telpas un vakuolas. Šajā signālceļā ir iesaistīts arī ūdeņraža peroksīds un superoksīds

12

19.04.2013

Song et al. (2008) Relationship between calcium decoding elements and plant abiotic-stress resistance. Int J Biol Sci, 4: 116

13 SĀLS TOLERANCE

19.04.2013

Samazināta sāls uzņemšana (augsta sāls koncentrācija vidē, zema sāls koncentrācija augā)

Sāls tolerance (augsta sāls koncentrācija vidē, augsta sāls koncentrācija augā)

14

19.04.2013Rengasamy (2006) World salinization with emphasis on Australia. J Exp Bot, 57: 1017

15

19.04.2013

Rengasamy (2006) World salinization with emphasis on Australia. J Exp Bot, 57: 1017

16

19.04.2013

http://www.pnas.org/content/102/30/10736/

Biotiskā un abiotiskā stresa signālceļi var būt saistīti

17GĒNU EKSPRESIJAS

PĒTĪJUMI STRESA IETEKMĒ

19.04.2013

Gēnu ekspresijas izmaiņas kāda specifiska stresa ietekmē liecina, ka šis gēns un tā sintezētais produkts ir saistīts ar stresa atbildi

DNS čipi ļauj vienlaicīgi analizēt (gandrīz) visus organisma gēnus

Salīdzinot normālus augus ar stresam pakļautiem augiem iespējams identificēt gēnus, kuru ekspresija izmainās stresa ietekmē

Gēni ar samazinātu ekspresiju (represija) un gēni ar paaugstinātu ekspresiju (indukcija)

18

19.04.2013

K Saus

ums

Nitr

āti

Sāls

ūden

s

19

GĒNU EKSPRESIJAS IZMAIŅAS KOPĪGAS DAŽĀDIEM STRESA

VEIDIEM

19.04.2013

20VIDES SIGNĀLI AUGU

ATTĪSTĪBĀ

19.04.2013

Vides faktori – tas nav tikai stress

Vides faktori nosaka auga attīstību, piemēram, ziedēšanas laiku vai augļu nogatavošanās laiku

Vernalizācija – aukstuma periods, kuram seko temperatūras paaugstināšanas, veicina ziedēšanu

Fotoperiods – auga atbilde uz dienas (gaismas perioda) ilgumu

21

19.04.2013

Vasaras un ziemas labības šķirnes Ziemas augšanas tips – savvaļas tips , kas kalpo kā pielāgojums, lai augi nesāktu augt un ziedēt jau rudenī

http://barleygenomics.wsu.edu

22 VERNALIZĀCIJA

19.04.2013

Vernalization - яровизация – vernalizācija

Яровые – vasarāji, озимые – ziemāji

Яровизация atbilst vernalizācijai zinātniskā izpratnē, t.i., ziedēšanas veicināšana ziemājos, kuru izraisa dīgstu pakļaušana zemākas temperatūras ietekmei

Яровизация ir arī Trofima Lisenko izstrādāta agrotehnika, kas paredzēja, ka gan ziemāju, gan vasarāju sēklas pakļauj zemākai temperatūrai un tikai tad uzbriedušus graudus vai dīgstus pavasarī izsēj laukā. Tā nav labi pamatota zinātniski un tā nav praktiska

23

19.04.2013

Figure 2. The influence of seasonal cues on shoot apex development in the temperate cereals. Varieties that require vernalization are sown in late summer or autumn. The shoot apex develops vegetatively until winter, when vernalizationoccurs. This promotes inflorescence initiation, which occurs as temperatures increase in spring. Long days in spring promote subsequent stages ofreproductive apex development; head emergence occurs in late spring or early summer.

24

19.04.2013

In the temperate cereals, VRN2 represses FT and blocks longday promotion of flowering before winter. VRN2 is not expressed in the short daysof winter, when VRN1 is induced by prolonged exposure to cold. After winter,VRN1 expression remains high. This promotes inflorescence initiation andrepresses VRN2, to allow long-day induction of FT to accelerate reproductivedevelopment. When flowering occurs, VRN1 expression is reset to establish thevernalization requirement in the next generation. Trevaskis et al. (2007) TiPS, 12:352

25

19.04.2013

Karsai et al. (2008) Dissecting the regulation mechanisms of flowering in barley: a genetical phenomics approach. Plant GEMs 7, abstract

26

19.04.2013

Yan et al. (2007) The wheat and barley vernalization gene VRN3 is an orthologue of FT. PNAS, 103: 19581

27

19.04.2013

Cockram et al. (2007) Control of flowering time in temperate cereals: genes, domestication, and sustainable productivity. J Exp Bot, 58: 1231

19.04.201328

AUKSĪNA UZTVERE UN SIGNĀLCEĻI

AUKSĪNS

Auksīni – savienojumi, kas radniecīgi indola-3-etiķskābei, un veicina augu šūnu elongāciju, šūnu dalīšanos, laterālo sakņu veidošanos un etilēna veidošanos, kā arī piedalās stresa atbildēs

19.04.2013

29

AUKSĪNA SIGNĀLCEĻI

Auksīna receptors – TIR1 proteīns, kas ietilpst SCFTIR1 ubikvitīna ligāzes kompleksā

Auksīnu saistošie proteīni – ABP proteīni no endoplazmatiskā tīkla un plazmas membrānām, kas spēj saistīt auksīnu un var kalpot kā papildu auksīna receptori

Aux/IAA gēni – primārās auksīna atbildes gēni, kas kodē represorus, kuri saista auksīna atbildes faktorus (ARF). Aux/IAA proteīnu noārdīšanu caur ubikvitīna proteolīzes ceļu veicina SCFTIR1 ubikvitīna ligāzes komplekss. Vienlaicīgi Aux/IAA gēni ir vieni no agrīnajiem auksīna inducētajiem gēniem

19.04.2013

30

AUKSĪNA SIGNĀLCEĻI

Auksīna atbildes faktori (ARF) – transkripcijas aktivatori, kuri veicina vēlo auksīna atbildes gēnu ekspresiju

Auksīna atbildes elementi (AuxRE) – promotera sekvences, pie kurām saistās ARF

19.04.2013

31

AUKSĪNA RECEPTORS

The Arabidopsis F-box protein TIR1 is an auxin receptor. Kepinski and Leyser, 2005, Science

The F-box protein TIR1 is an auxin receptor. Dharmasiri et al., 2005, Science

Parāda tiešu dabiskā un sintētisko auksīnu saistību ar TIR1 proteīnu

Auksīna saistīšanās ar TIR1 proteīnu veicina Binding of Aux/IAA proteīnu saistīšanu un ubikvitinizāciju

19.04.2013

32

34

19.04.2013

AUKSĪNA INDUCĒTA ŠŪNU ELONGĀCIJA

Auxin binding protein (ABP57) from rice binds H+-ATPase in the presence of auxin (Kim et al. 2001, JBC)

H+-ATPase tiek aktivēta, vai sintezēta no jauna un veicina protonu plūsmu no šūnas, kas tālāk padara vaļīgāku šūnas sieniņu un dara iespējamu šūnu elongāciju (skābās augšanas hipotēze)

19.04.2013

35

ABP1 UN H+-ATPASE

19.04.2013

36

Auxin binding protein ABP1 from maize may bind H+-ATPase in the presence of auxin (Barbier-Brygoo, PNAS, 86:1989)

Expression of maize plasma membrane H+-ATPase gene is induced by auxin (Frias et al. 1996)

Plazmatiskās membrānas H+-ATPase ir apmēram 100 kDa polipeptīds, kas saista ATP un katalizē H+ transportu ārā no šūnas

PROTONU PUMPJI

19.04.2013

37

F-tipa H+-ATPase – atrodas mitohondriju un tilakoīdu membrānās, sastāv no vairākām subvienībām, izmanto protonu pārnesi caur membrānām, lai sintezētu ATP

P-tipa H+-ATPase – atrodas plazmatiskajā membrānā, apmēram 100 kDa polipeptīds, kas saista un šķeļ ATP un katalizē H+ transportu no šūnas, šī enzīma aktivācija ir viena no agrīnākajām auksīna atbildēm, kuras rezultātā notiek šūnas sienas paskābināšanās un ekspansīnu aktivācija

AUKSĪNA INDUCĒTA ŠŪNU ELONGĀCIJA

Auxin-dependent cell expansion mediated by overexpressed Auxin-Binding Protein 1 (Jones et al., 1998, Science)

The role of auxin-binding protein 1 in the expansion of tobacco leaf cells (Chen et al., 2001, Plant J)

Conditional repression of AUXIN BINDING PROTEIN 1 reveals that it coordinates cell division and cell expansion during postembryoninc shoot development in Arabidopsis and Tobacco (Braun et al., 2008, Plant Cell)

19.04.2013

39

AUKSĪNA INDUCĒTA ŠŪNU ELONGĀCIJA

19.04.2013

40

Braun et al., 2008

Zems auksīna līmenis ir saistīts ar šūnu elongāciju, bet paaugstināts ar šūnu dalīšanos

AUKSĪNA SIGNĀLU PĀRNESES CEĻI

19.04.2013

42

ABP1 komplekss ar auksīnu

SCFTIR1 komplekss ar auksīnu un Aux/IAA

Ubikvitīna atkarīgā Aux/IAA degradācija

ARF aktivācija un vēlo auksīna atbildes

gēnu aktivācija

???

ABP1 + auksīns+ H+-ATPase

Auksīna koncentrācijas atkarīga šūnu elongācija/dalīšanās u.c.

fizioloģiskie efekti

43AUKSĪNA BIOSINTĒZE UN

TRANSPORTS

19.04.2013

44LAPAS MALAS VEIDOŠANĀS

MORFOLOĢIJA

19.04.2013Bilsborough et al. (2011) Model for the regulation of Arabidopsis thaliana leafmargin development. PNAS 108: 3424