Biologie stresu a biotechnologie

Doc. Ing. Tomáš Takáč, PhD

Doc. Georgios Komis, PhD

Přednášky z BSB jsou součástí státnicového předmětu

Popis předmětu BSB

Cíle

Obeznámení se s problematikou biologie stresu u rostlin a možnému využití

biotechnologických přístupů vedoucích k modifikaci

vlastností rostlin s cílem zvýšení rezistence vůči stresu. Zpracování a prezentace odborné

literatury.

Rostliny a stres. Typy stresových faktorů - abiotické (fyzikální, chemické), biotické

stresové faktory. Sensitivita, tolerance, rezistence. Stresová reakce rostliny. Obranné

mechanismy rostlin vůči stresovým vlivům - strategie rostlin vedoucí k eliminaci

nepříznivých faktorů prostředí. Aklimatizace, adaptace. Abiotický stres - teplota, vodní

stres, sucho, osmotický stres, hypoxie, anoxie, zasolení půdy, pH půdy, toxické kovy,

znečištění ovzduší, xenobiotika. Biotický stres - herbivorní živočichové, patogenní

mikroorganizmy (viry, bakterie, houby), interakce mezi rostlinami (alelopatie,

parazitismus). Využití biotechnologických přístupů k cílené modifikaci vlastností rostlin

vedoucích ke zvýšení rezistence vůči abiotickým a biotickým stresovým faktorům.

Semináře budou probíhat ve formě "journal club", po úvodním teoretickém obeznámení

s problematikou bude úkolem studentů individuální zpracování a prezentace vědeckého

článku, na který bude navazovat následná diskuze.

Pravidelná účast na seminářích, vypracování a prezentace zadaného individuálního úkolu.

Obsah

Obeznámení se s problematikou biologie stresu u rostlin a možnému využití

biotechnologických přístupů vedoucích k modifikaci

vlastností rostlin s cílem zvýšení rezistence vůči stresu. Zpracování a prezentace odborné

literatury.

Rostliny a stres. Typy stresových faktorů - abiotické (fyzikální, chemické), biotické

stresové faktory. Sensitivita, tolerance, rezistence. Stresová reakce rostliny. Obranné

mechanismy rostlin vůči stresovým vlivům - strategie rostlin vedoucí k eliminaci

nepříznivých faktorů prostředí. Aklimatizace, adaptace. Abiotický stres - teplota, vodní

stres, sucho, osmotický stres, zasolení půdy, pH půdy, toxické kovy, znečištění ovzduší,

xenobiotika. Biotický stres - herbivorní živočichové, patogenní mikroorganizmy (viry,

bakterie, houby), interakce mezi rostlinami (alelopatie, parazitismus). Využití

biotechnologických přístupů k cílené modifikaci vlastností rostlin vedoucích ke zvýšení

rezistence vůči abiotickým a biotickým stresovým faktorům. Semináře budou probíhat ve

formě "journal club", po úvodním teoretickém obeznámení s problematikou bude

úkolem studentů individuální zpracování a prezentace vědeckého článku, na který bude

navazovat následná diskuze.

Pravidelná účast na seminářích, vypracování a prezentace zadaného individuálního úkolu.

Požadavky

Obeznámení se s problematikou biologie stresu u rostlin a možnému využití

biotechnologických přístupů vedoucích k modifikaci

vlastností rostlin s cílem zvýšení rezistence vůči stresu. Zpracování a prezentace odborné

literatury.

Rostliny a stres. Typy stresových faktorů - abiotické (fyzikální, chemické), biotické

stresové faktory. Sensitivita, tolerance, rezistence. Stresová reakce rostliny. Obranné

mechanismy rostlin vůči stresovým vlivům - strategie rostlin vedoucí k eliminaci

nepříznivých faktorů prostředí. Aklimatizace, adaptace. Abiotický stres - teplota, vodní

stres, sucho, osmotický stres, hypoxie, anoxie, zasolení půdy, pH půdy, toxické kovy,

znečištění ovzduší, xenobiotika. Biotický stres - herbivorní živočichové, patogenní

mikroorganizmy (viry, bakterie, houby), interakce mezi rostlinami (alelopatie,

parazitismus). Využití biotechnologických přístupů k cílené modifikaci vlastností rostlin

vedoucích ke zvýšení rezistence vůči abiotickým a biotickým stresovým faktorům.

Semináře budou probíhat ve formě "journal club", po úvodním teoretickém obeznámení

s problematikou bude úkolem studentů individuální zpracování a prezentace vědeckého

článku, na který bude navazovat následná diskuze.

Pravidelná účast na seminářích, vypracování a prezentace zadaného individuálního úkolu.

Výukové materiály

http://cr-hana.upol.cz/cellbiol/

TEACHING

Heslo (zveřejněno na přednášce)

Zápočet

aktivní účast na seminářích

Prezentace

Odevzdání ppt prezentace

Absence

1 povolená absence (semináře) bez uvedení důvodu

2 a více absencí – nutné nahradit

https://pfitblog.com

Stresje stav organizmu, ktorý nastáva v odpovedi na

zmenené vonkajšie faktory

Sorti et al, 2018

In vivo analysis of Ca2+ dynamics in response to osmotic stress in young Physcomitrella patensplantlets.

Stresové odpovede

− Špecifické – sú vyvolané jedným stresovým faktorom, napr. Proteíny ktoré potláčajú replikáciu vírusov v hostiteľskomorganizme

− Všeobecné – sú vyvolané viacerymi stresovými faktormi, napr. Tvorba reaktívnych kyslíkových radikálov

Seminárne prezentácie

− Budú venované všeobecným stresovým odpovediam

− Rozsah 20-30 minút (20-30 strán)

− Je nutné použiť aspoň jeden prehladny a 3 experimentálne články poukazujúce na význam daného procesu (proteínu, génu) v odpovedi na biotický a abiotický stres.

− Prehľadný článok – úvod do problematiky, definície, klasifikácie, molekulárnemechanizmy

− Z experimentálnych článkov prezentujte len zásadné informácie a výsledky:− Materiál,

− stresové podmienky (parametre aplikácie stresu)

− modifikovaný gén,

− spôsob modifikácie (nadexpresia, mutácia, RNAi, CRISPR/Cas9).

− Pri modifikovanej expresii uveďte promótor.

− Dôkaz zmeny rezistence (obrázok)

− Mechanizmus (obrázok): aký je mechanizmus účinku génu

− závery

Výber literatúry− Pubmed, Google Scholar

− Články citované v prehľadných článkoch

− Články citujúce prehľadné články

Témy prezentácií

− Výber z ponuky

− Je možné výber prisposobiť bakalárskej práci

− Nie je nutné prezentáciu venovať rastlinám

1. Intenzifikácia fotosyntézy pre zvýšenie odolnosti rastlín voči stresu

− Charakteristika fotosyntézy. Mechanizmus procesov, ktoré budúobsahom experimentálnych príkladov. Študent predstaví 3 príklady, keď zmena intenzity fotosyntézy zvýšila odolnosť raslínvoči stresu. Z prezentácie musí byť jasné, aké postupy sa použili na intenzifikáciu fotosyntézy, genetické modifikácie akých génovboli uskutočnené a s akým výsledkom.

− Nowicka B, Ciura J, Szymańska R, Kruk J. Improving photosynthesis, plant productivity and abiotic stress tolerance - current trends and future perspectives. J Plant Physiol. 2018 Dec;231:415-433. doi:10.1016/j.jplph.2018.10.022. Epub 2018 Oct 30. Review. PubMed PMID: 30412849.

2. Enzymatická antioxidačná obrana a jej význam preodolnosť voči stresu

− Biotické a abiotické stresy sposobujú tvorbu reaktívnychkyslíkových radikálov ktoré negatívne posobia na biomolekuly (oxidácia a následná degradácia). Ich hladina je regulovaná enzymaticky alebo neenzymaticky. Zvýšenie aktivity (expresie) antioxidačních enzýmov podmieňuje zvýšenú odolnosť rastlínvoči biotickým i abiotickým stresom.

− Študent v rámci prezentácie predstaví základné enzymatické antioxidačné mechanizmy so zreteľom na tie, ktoré budúobsahom experimentálnych príkladov

− You J, Chan Z. ROS Regulation During Abiotic Stress Responses in Crop Plants. Front Plant Sci. 2015 Dec 8;6:1092. doi: 10.3389/fpls.2015.01092. eCollection 2015. Review. PubMed PMID: 26697045; PubMedCentral PMCID: PMC4672674.

Túto tému je možné rozdeliť na jednotlivé enzýmy

3. Neenzymatická antioxidačná obrana a jej význam pre odolnosť voči stresu

− Biotické a abiotické stresy sposobujú tvorbu reaktívnych kyslíkových radikálov ktoré negatívne posobia na biomolekuly (oxidácia a následná degradácia). Ich hladina je regulovaná enzymaticky aleboneenzymaticky. Zvýšenie hladiny neenzymatických antioxidantov, jako například tokoferol, antokyany, glutatión, podmieňuje zvýšenúodolnosť rastlín voči biotickým i abiotickým stresom.

− Študent v rámci prezentácie predstaví základné neenzymatické antioxidačné mechanizmy so zreteľom na tie, ktoré budú obsahomexperimentálnych príkladov

− Ahmad P, Jaleel CA, Salem MA, Nabi G, Sharma S. Roles of enzymatic and nonenzymatic antioxidants in plantsduring abiotic stress. Crit Rev Biotechnol. 2010 Sep;30(3):161-75. doi: 10.3109/07388550903524243. Review. PubMedPMID: 20214435.

− Noctor G, Reichheld JP, Foyer CH. ROS-related redox regulation and signaling in plants. Semin Cell Dev Biol. 2018 Aug;80:3-12. doi: 10.1016/j.semcdb.2017.07.013. Epub 2017 Jul 18. Review. PubMed PMID: 28733165

4. Signalizácia pomocou mitogénom aktivovaných proteín kináz (MAPK) a ich úloha pre odolnost vočistresu

− Mitogénom aktivované proteinkinázy sú významné signálnemolekuly. Sú zodpovedné za prenos signálu a následnejodpovědi organizmu na vonkajšie stimuly.

− Šamajová O, Plíhal O, Al-Yousif M, Hirt H, Šamaj J (2013) Improvement of stress tolerance in plants by genetic manipulation of mitogen-activated protein kinases. Biotechnology Advances 31(1),118-128

5. Fosfolipidy a ich úloha v odpovedi na stres

− Fosfolipidy sú významné signálne molekuly. Sú lokalizované na membránach a obyčajne viažu a aktivujú důležité regulačné proteíny. Definícia, druhy, význam. 3 experimentálne príklady genetickejmodifikácie proteínov produkujúcich alebo hydrolyzujúcich fosfolipidy (fosfatidylinositol 3 a 4 kináza, fosfolipázy, diacylglycerol kinázy)

− E. Ruelland, V. Kravets, M. Derevyanchuk, J. Martinec, A. Zachowski, I. Pokotylo, Role of phospholipid signalling in plant environmental responses, Environmental and Experimental Botany, Volume 114, 2015, Pages 129-143, https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2014.08.009.

6. Vápniková signalizácia

− Abiotické stresy, najma oxidatívny stres, stres z nízkej teploty atď, spůsobujú prudký nárast intracelulárnej hladiny Ca, ktorý ďalejspúšťa signálne kaskády. Túto signalizáciu regulujú proteíny jako kalmoduliny, na vápniku závislé kinázy ale aj vápnikové pumpy.

− Ranty B, Aldon D, Cotelle V, Galaud JP, Thuleau P, Mazars C. Calcium Sensors as Key Hubs in Plant Responses to Biotic and Abiotic Stresses. Front Plant Sci. 2016 Mar 16;7:327. doi: 10.3389/fpls.2016.00327. eCollection 2016. Review. PubMed PMID: 27014336; PubMed Central PMCID: PMC4792864.

7. Epigenetická kontrola génovej expresie a jej úloha v odpovedi rastlín na stres

− Okrem signálních kaskád, ktoré aktivujú expresiu génovpomocou transkripčních faktorov, može byt expresia modulovaná pomocou epigenetickej regulácie, napr. Histónové modifikácie, organizácia chromatínu atd.

− Espinas NA, Saze H, Saijo Y. Epigenetic Control of Defense Signaling and Priming in Plants. Front Plant Sci. 2016 Aug 11;7:1201. doi: 10.3389/fpls.2016.01201. eCollection 2016. Review. PubMed PMID: 27563304; PubMed Central PMCID: PMC4980392.

8. Modifikácia bunkovej steny

− BS je zložitá štruktúra zložená z polysacharidovej a bielkovinovejzložky. Počas odpovedi na abiotické a biotické stresy, BS prechádza remodeláciou svojho zloženia čo je doležitý faktor preformovanie odpovedi na abiotické a biotické stresy.

− Houston K, Tucker MR, Chowdhury J, Shirley N, Little A. The Plant Cell Wall: A Complex and DynamicStructure As Revealed by the Responses of Genes under Stress Conditions. Front Plant Sci. 2016 Aug10;7:984. doi: 10.3389/fpls.2016.00984. eCollection 2016. Review. PubMed PMID: 27559336; PubMedCentral PMCID: PMC4978735.

9. Membránový transport

− Rastové procesy v bunkách sú úzko spojené z vitálnymmembránovým transportom, ktorý zabezpečuje intracelulárnytransport biomolekul. Existuje viac dráh membránového transportu, napr. Endcytóza, sekrécia a exocytóza. Je uskutečňovaný vezikulami (membránové štruktúry prenášajúcenáklad). Membránový transport je regulovaný roznymi proteínamia esistujú príklady, kedy ich genetická modifikácia mení stresovúodpoveď rastlín. Receptorové kinázy (endocytóza)

− Baral A, Shruthi KS, Mathew MK. Vesicular trafficking and salinity responses in plants. IUBMB Life. 2015 Sep;67(9):677-86. doi: 10.1002/iub.1425. Epub 2015 Aug 27. Review. PubMed PMID: 26314939.

− Rosquete MR, Drakakaki G. Plant TGN in the stress response: a compartmentalized overview. Curr OpinPlant Biol. 2018 Dec;46:122-129. doi: 10.1016/j.pbi.2018.09.003. Epub 2018 Oct 10. Review. PubMed PMID: 30316189.

10. WRKY transkripčné faktory

− Transkripčné faktory sú protíny ktoré sa v odpovedi na vonkajšístimul viažu na promótorové sekvencie génov a spúšťajúich expresiu. Ich aktivita je často spúšťaná fosforyláciou pomocoukináz (napr. MAPK)

− Jiang J, Ma S, Ye N, Jiang M, Cao J, Zhang J. WRKY transcription factors in plant responses to stresses. J Integr Plant Biol. 2017 Feb;59(2):86-101. doi: 10.1111/jipb.12513. Review. PubMed PMID: 27995748.

11. Regulácia expresie génov pomocou miRNA

− Expresia génov počas odpovede rastlín je kontrolovaná regulačními mechanizmami mezi ktoré patria aj miRNA. Úlohou študenta bude definovať miRNA, popísať ich vznik a mechanizmus ich funkcie. Študent odprezentuje 3 príkladyfunkcie miRNA počas stresovej odpovede rastlín. Je možné modifikovať profukciu miRNA s cieľom ovplyvniť génovúexpresiu? Je modifikácia miRNA perspektívnymbiotechnologickým nástrojom?

− Samad AFA, Sajad M, Nazaruddin N, Fauzi IA, Murad AMA, Zainal Z, Ismail I. MicroRNA and TranscriptionFactor: Key Players in Plant Regulatory Network. Front Plant Sci. 2017 Apr 12;8:565. doi: 10.3389/fpls.2017.00565. eCollection 2017. Review. PubMed PMID: 28446918; PubMed Central PMCID: PMC5388764.

− Sun X, Lin L, Sui N. Regulation mechanism of microRNA in plant response to abiotic stress and breeding. Mol Biol Rep. 2018 Nov 21. doi: 10.1007/s11033-018-4511-2. [Epub ahead of print] Review. PubMed PMID: 30465132.

12. Autofágia

− Autofágia je poces kterým sa bunka zbavuje nepotřebných biologických molekúl. Má významnú úlohu v roznychfyziologických procesoch. Cielom prezentácie bude predstaviťproces autofágie u rastlín, jej význam a hlavné regulačnéproteíny. Tiež študent odprezentuje 3 príklady jako autofágia„vstupuje“ do odpovede rastlín na biotický alebo abiotický stres.

− Nobelova cena 2016

− Wang W, Xu M, Wang G, Galili G. Autophagy: An Important Biological Process That Protects Plants fromStressful Environments. Front Plant Sci. 2017 Jan 11;7:2030. doi: 10.3389/fpls.2016.02030. eCollection 2016. PubMed PMID: 28123390; PubMed Central PMCID: PMC5225088.

13. Cytoskelet a odpoveď rastlín na stres

− Nick P. Microtubules, signalling and abiotic stress. Plant J. 2013 Jul;75(2):309-23. doi: 10.1111/tpj.12102. Epub 2013 Mar 22. Review. PubMed PMID: 23311499.

− Porter K, Day B. From filaments to function: The role of the plant actin cytoskeleton in pathogen perception, signaling and immunity. J Integr Plant Biol. 2016 Apr;58(4):299-311. doi: 10.1111/jipb.12445. Epub 2015 Dec

16. Review. PubMed PMID: 26514830.

14. Signalizácia pomocou kyseliny abscisovej

− ABA výrazne ovplyvňuje odolnosť rastrlín voči abiotickým stresom. Reguluje napr. Otváranie prieduchov. Dá sa jej biosyntéza geneticky modifikovať ? Alebo je možné modifikovaťABA signalizáciu? Medzi proteiny důležité pre signalizáciupomocou ABA patria RACK1 a fosfolipázay D a C.

− Ma Y, Cao J, He J, Chen Q, Li X, Yang Y. Molecular Mechanism for the Regulation of ABA HomeostasisDuring Plant Development and Stress Responses. Int J Mol Sci. 2018 Nov 19;19(11). pii:

E3643.doi:10.3390/ijms19113643. Review. PubMed PMID: 30463231; PubMed Central PMCID:PMC6274696.

− Vishwakarma K, Upadhyay N, Kumar N, Yadav G, Singh J, Mishra RK, Kumar V, Verma R, Upadhyay RG, Pandey M, Sharma S. Abscisic Acid Signaling and Abiotic Stress Tolerance in Plants: A Review on CurrentKnowledge and Future Prospects. Front Plant Sci. 2017 Feb 20;8:161. doi: 10.3389/fpls.2017.00161. eCollection 2017. Review. PubMed PMID: 28265276; PubMed Central PMCID: PMC5316533.

15. Glutation S transferázy

− Labrou NE, Papageorgiou AC, Pavli O, Flemetakis E. Plant GSTome: structure and functional role in xenomenetwork and plant stress response. Curr Opin Biotechnol. 2015 Apr;32:186-194. doi: 10.1016/j.copbio.2014.12.024. Epub 2015 Jan 19. Review. PubMed PMID: 25614070.

Ďalšie témy

− Signalizácia pomocou oxidu dusnatého (NO)

− Čaperóny (napr. Heat shock proteíny)

− Iónové kanály

− Úloha mitochondrií

− Úloha peroxizómov

− Je možný výber po konzultácii na základe témy BP

Lectures Student seminars

1 14.02. Introduction into the subject, distribution of seminars Takáč

2 21.02.

Introduction into Stress biology - terms, definitions, theories Komis

Salt and Osmotic stresses

3 28.02.Oxidative stress

TakáčHeavy metal stress

4 07.03.Cold and freezing stress

TakáčHigh temperature stress

5 14.03.Drought stress

KomisAir polution, xenobiotics, radiation

6 21.03.Biotic stress I (bacteria, funghi)

TakáčBiotic stress II (viruses)

7 28.03. Elevated CO2 TakáčDOSTÁLOVÁ, MALAKHOVA

8 04.04. Student seminars Takáč UŠÁK, KROUPOVÁ, KOZLANSKÁ

9 11.04. Student seminars TakáčSUGRAŇES, KRÁLIKOVÁ, LUŠŇÁKOVÁ

10 18.04. Student seminars Takáč TASTENOVA, CYŘÍKOVÁ,

11 25.04. Student seminars Komis ŠTĚDRÁ, VALENTINI

12 02.05. Student seminars Komis HLYNSKA, ZACPAL

13 09.05. Evaluation Tomas