Koordinace růstu a vývoje rostliny s hladinou cukru

Koordinace růstu a vývoje rostliny s hladinou cukru

vyžaduje mechanismus vnímání dostupnosti C

Systémy účastnící se cukerné signalizace: hexózová signalizace ---- hexokinázahexokináza ---- glukózová signalizace nezávislá na hexokináze glukózová signalizace nezávislá na hexokináze ---- fruktózová signalizace fruktózová signalizace sacharózová signalizacesacharózová signalizace SnRK1SnRK1 trehalóza-6-Ptrehalóza-6-P invertáza …. invertáza ….

Koordinace růstu

úrovni transkripce, stability RNA, translace, stability proteinů i posttranslační regulaci

klíčení a časný vývoj semenáčků, další vegetativní vývoj, reproduktivní vývoj, senescenci a reakce na změny prostředí a stres

změny v dostupnosti C

Jaké procesy sacharidová signalizace ovlivňuje ??

Na jaké úrovni ???

Cukerná signalizace

změny v hladině signálního metabolitu

spuštění signální dráhy odezva

vazba na senzor

Koordinace růstu a vývoje rostliny s hladinou cukru

vyžaduje vyžaduje mechanismus vnímání dostupnosti Cmechanismus vnímání dostupnosti C

Koordinace růstu

úrovni transkripce, stability RNA, translace, stability proteinů i posttranslační regulaci

klíčení a časný vývoj semenáčků, další vegetativní vývoj, reproduktivní vývoj, senescenci a reakce na změny prostředí a stres

změny v dostupnosti C

Jaké procesy sacharidová signalizace ovlivňuje ??

Na jaké úrovni ???


--- změny v hladině signálního metabolitu

--- spuštění signální dráhy --- odezva

--- vazba na senzor

Systémy účastnící se cukerné signalizace: hexózová signalizace ---- hexokináza ---- glukózová signalizace nezávislá na hexokináze glukózová signalizace nezávislá na hexokináze ---- fruktózová signalizace fruktózová signalizace sacharózová signalizacesacharózová signalizace SnRK1 trehalóza-6-P invertázainvertáza

1


Glukózová signalizace -- signalizační dráhy indukovatelné glukózou:

AtHXK- hexokináza

dráha vyžadující fosforylaci, ale nevyužívající hexokinázu jako senzor ???

dráha nevyžadující fosforylaci cukrů (senzor spřažený s G-proteinem )

Hexózové systémy signalizace

Fruktózová signalizace -- signalizační dráha indukovatelná fruktózou

Hexokináza (HXK)bifunkční enzym fosforylace hexóz cukerná signalizace

Mutantní AtHXK1 (bodová mutace) 0 kinázová aktivita, zachovaný signalizační potenciál

Invertázami

SuSy (sacharózasyntázou) UDPGfruktóza

glukózafruktóza

HX-PHXKHXK

F- PFKFK

Signál Signál

INV / HK X SuSy / FK

Změna : štěpení invertázou

štěpení SuSy, spojena s vývojovými změnami

Cukerná signalizace -HXK

Štěpení sacharózy:

Hexokináza (HXK) – lokalizace v buňce Hexokináza (HXK) – lokalizace v buňce

Claeyssen & Rivoal, 2007


HXK signalizace - esenciální pro represi fotosyntetických genů

Isoformy se liší biochemickými vlastnostmi:

Arabidopsis : 3 HXK geny, 3 HXK-like – pletivo-specifické exprese, stresově-specifické exprese

Monitoruje Monitoruje toktok kontrolním kontrolním bodem metabolizmubodem metabolizmu

• ADP inhibicí

• G-6-P inhibicí, různá úroveň u různých isoforem • T-6-P inhibice nezjištěna !

• Afinitou k substrátu (přednostně glukóze)

???Význam existence isoforem s ???Význam existence isoforem s různými vlastnostmi a rozdílnou různými vlastnostmi a rozdílnou

lokalizací ???lokalizací ???Lokalizace v jádře ! aklimace fotosyntézy ! – interakce HXK-1 s AHA-B1, a RPT5B (podjednotky vakuolární ATPázy a proteasomového komplexu)






Arabidopsis : 6 HXK genů – pletivo-specifické exprese, stresově-specifické exprese


• ADP inhibicí




lokalizací ???lokalizací ???Lokalizace v jádře ! aklimace fotosyntézy ! – interakce s AHA-B1, a RPT5B (podjednotky vakuolární ATPázy a proteasomového komplexu)

m RNA

Glukóza

PRPT5B

HXK_1

AHA _B1

Fotosyntetické geny






Arabidopsis : 6 HXK genů – pletivo-specifické exprese, stresově-specifické exprese


• ADP inhibicí




lokalizací ???lokalizací ???Lokalizace v jádře ! aklimace fotosyntézy ! – interakce s AHA-B1, a RPT5B (podjednotky vakuolární ATPázy a proteasomového komplexu)

m RNA

Glukóza

PRPT5B

HXK

AHA -B1

Interakce HXK signalizace se signalizačními drahami fytohormonů

Podle Rolland et al., 2006


HXK

Glukózaetylén

ABA

cytokininauxin

ABI3ABI4ABI5ABF2ABF3ABF4

Klíčení / časný vývoj semenáčků

EIN3

ABA1ABA2ABA3AA03

HXK1- independentní

Stresová reakce

EIN2

Fruktózová signalizace

Regulační funkce nezávislá na katalytická funkci

Cho et al., 2011

Fruktóza

Glukóza

HXK1

FBF

ABA2

ABI3,4,5ERF1

ABA2 - syntéza ABAABI - ABA signalizaceERF1 - signalizace etylenu (ethylene response factor)

cytosolTrióza-PPi

Fruktóza 1,6 bis-P

Sacharóza 6-P

Sacharóza

Glukóza 1-P

UDP-Glukóza

Fruktóza 6-P

Glukóza 6-P

FFK- fosfofruktokináza

FBF- fruktózabisfosfátfosfatázaFFF- PPi- dependentní fosfofruktokináza

Fruktózová signalizace nezávislá na HXK1 Interakce s ABA a etylénovou signalizací (Li et al., 2011)

• Sacharóza reguluje procesy, které nejsou ovlivňovány hexózovými signalizacemi

• Vnímání se děje na plazmatické membráně ? pomocí transportérů ?? Jiným mechanismem ???

Sacharózová signalizaceSacharózová signalizace

• Regulace translace

Co je specifi

ckým senzorem sa

charózy ???

Wind et al., 2010

Regulace translace sacharózou

Hummel et al., 2009

Exprese bZIP11 indukovatelná sacharidy včetně sacharózy

Regulace exprese bZIP TF dostupností sacharidů (prokázáno u 10 bZIP TF)

SC bZIP11

Sacharóza

AKIN10/11

bZIP11

Regulace translace sacharózou

Hummel et al., 2009

T-6-P


Aktivace genů

Inhibice růstu, modulace metabolizmu sacharidů,

aminokyselin, translokace C

SC bZIP11

Sacharóza Sacharóza

SC bZIP11AKIN10/11

bZIP11

Aktivace genů

Inhibice růstu, modulace metabolizmu sacharidů,

aminokyselin, translokace C

Aktivace genů

Růst, modulace metabolizmu sacharidů,

aminokyselin

AKIN10/11

Regulace translace sacharózouRegulace translace sacharózou

bZIP11

Hummel et al., 2009

overexprese bZIP11 inhibice růstu připomínající reakci na nízký obsah cukrů Ma et al., 2011


T-6-P

translokace C

Další bZIP TF reprimovatelné sacharidyX represe i na úrovni transkripce, neznámý mechanismus, jen u bZIP1 účast hexokinázy Matioli et al., 2011

Transkripční regulace : SuSy, -amyláza, ADPGáza, SPS, a aktivace celé řady dalších genů účastnících se degradace buněčných stěn, aminokyselin, proteinů a lipidů.Řízení řady genů kódujících transkripční faktory a faktory remodelace chromatinuPosttranskripční regulace : HMG-CoA reduktáza, SPS, NR, T-6-P syntáza, ADPGáza, heat shock proteiny

Arabidopsis –heterotrimer, subjednotky :- katalytická, , -regulační - pravděpodobně stejná struktura u jiných rostlin

SnRK 1 (SNF-related protein kinase )

Homolog kvasinkového SNF1 – zodpovědného za aktivaci metabolické odpovědi při nepřítomnosti glukózy

Cukerná signalizace –SnRK1

Rostliny obsahují SnRK2 a SnRK3 genové subrodiny – málo prostudované, pravděp. aktivní při osmotickém stresu

SnRK3SnRK2SNF1SnRK1

AMPK- živočišná

Overexprese AKIN 10 u Arabidopsis oddálení senescence při stresu nedostatku C, oddálené kvetení, změna architektury květenství

Aktivita SnRK1 je inhibována cukry; G-G-6-P6-P

Senzor nízké hladiny cukrů

Cukerná signalizace –SnRK1

Vnímání dostupnosti C a energie - aktivace katabolismu, potlačení aktivace katabolismu, potlačení anabolismuanabolismu

G-6-PG-6-P

tma

Regulace metabolizmuRegulace metabolizmu

Abiotický stres

Stres napadení patogenem, herbivorem

VývoVývojj

Fertilita

Organogeneze Senescenc

e

Podle Polge & Thomase, 2006

Stresová Stresová reakcereakce

SuSy

amyláza

geny degradace stěn, AK, proteinů, lipidů

T-6-P syntáza HMC-CoA reduktáza

NR SPS

SnRK1

posttranslační regulace

transkripční regulace

cukry

Cukerná signalizace T-6-P

Trehalóza

trehalóza

Původní představa: většina rostlin ne, role převzala sacharózaSoučasná představa: Všechny rostliny obsahují trehalózu hladiny µg/g f.w. tedy ne osmoprotektant

Arabidopsis thaliana

Trehaláza 1 gen)

TPS 11 genů (2 skupiny)

TPP 10 genů (2 skupiny)

Paul et al., 2008

UDPG + G-6-P T-6-P trehalóza glukózaTP-syntázaTP-syntáza TP-fosfatázaTP-fosfatáza trehalázatrehaláza

SPP 4 geny

SPS 4 geny (3 skupiny)

Invertáza 17 genů (4 skupiny)

SuSy 6 genů


TrehalózaTrehalóza

trehalóza

Původní představa: většina rostlin ne, role převzala sacharózaSoučasná představa: Všechny rostliny obsahují trehalózu hladiny µg/g f.w. tedy ne osmoprotektant

Arabidopsis thaliana

Trehaláza 1 gen)

TPS 11 genů (2 skupiny)

TPP 10 genů (2 skupiny)

Paul et al., 2008

UDPG + G-6-P T-6-P trehalóza glukózaTP-syntázaTP-syntáza TP-fosfatázaTP-fosfatáza trehalázatrehaláza

SPP 4 geny

SPS 4 geny (3 skupiny)

Invertáza 17 genů (4 skupiny)

SuSy 6 genů

Interakce s hexokinázovou signalizací, se syntézou ABA a signalizační dráhou ABA

AtTPS1 exprese v Arabidopsis vykazují Glc a ABA insenzitivní fenotyp během klíčení

Avonce et al., 2004

Arabidopsis, růst na médiu s trehalózou škrob, ATP, inhibice růstu kořenůVliv na syntézu škrobu : ADPGázy i degradaci : glukan-voda-dikináza, -amyláza, ale !!! jen ve zdrojových listech a ne v kořenech Ramon et al., 2007Tabák zvýšená aktivita TPS ---zvýšená fotosyntetická kapacita na jednotku listové

plochy; Pellny et al., 2004


Hanson et al., 2006

syntézy trehalózy neschopnost zrání

embryí

WT TPS linie Rýže

Garg et al., 2002

syntézy trehalózy odolnost k nedostatku vody

syntézy TPP změny stavby květenství

Satoh-Nagasawa et al., 2006 Wingler et al., 2012

Př.

hladiny T-6-P změny v nástupu senescence

Jenže ! Pouze TPS 1 – prokazatelná aktivita (skupina I)

(DNA x protein analýzy TPSs skupiny II synonymní substituce )

TPS 1- konstitutivní exprese, N- koncové rozšíření je autoinhibiční

TPS skupiny II regulovány světlem, cukry, hladověním, denním rytmem, cytokininy.. , Fosforylace SnRK1 a Ca2+ dependentními kinázami, TPS 5-7 po fosforylaci vazba s 14-3-3

Ostatní ?? Jiná funkce ? Regulační subjednotky TPS1 ??

Různé TSP geny jsou indukovány různými signály: např. : TPS5 .. indukce sacharózou TPS8.. indukce tmou, cytokininem TPS11.. represe hypoxií TPS1 … indukce ABA ve svěracích buňkách

….totéž pro TPP např. : TPP3, TPP9,TPP10.. indukce hypoxií TPP 3.. nitrátem TPP ( tři geny) .. ABA ………………

Differential expression profiles of Arabidopsis TPP genes.

Vandesteene et al., 2012

Podle Paul, 2007

Glukóza, sacharóza, nitrát, ABA, cytokinin, vývoj ovlivňují expresi a post-translační regulaci enzymů syntézy

trehalózy

T-6-PT-6-P trehalózaUDPGUDPG+

G-6-PG-6-P

SnRKSnRK11

T-6-P syntáza T-6-P fosfatáza

ABI4 exprese

ADPGPáza

škrob

Fotosyntéza

Vývoj embryí

Buněčné dělení

Architektura květenství

AKIN 11 exprese, ale ne !! v dospělých listech, faktor I

Stresová reakce

chloroplast

Tvorba komplexu AtTPS s CDKA;1 ? Interakce s buněčným cyklem ?? Geelen et al., 2007

sacharóza

Utilizace C ??? Účastní se trehalóza regulace získávání C symbiotickou houbou ? Lopez et al., 2007

Komplexní síť interagující s ostatními signálními systémy

Nemá hierarchickou stavbu, každá složka systému monitoruje jinou úroveň metabolizmu

Signály jsou integrovány, a teprve poté je ovlivněn konkrétní růstový nebo vývojový proces

Mnohočetný systém vnímání vytvářející signalizační síť

Sacharidová signalizaceSacharidová signalizace

Nepřímá účast invertáz a transportérů na cukerné signalizaci kontrolou

cytosolické koncentrace cukerných signálních molekul (sacharózy, glukóza, G-6-P,

fruktóza….)

Stěnová invertáza generující signál o hladině sacharózy v apoplastu ????

Myo–inositol

Cukerné alkoholy

Sacharidy rafinózové řady

Regulace dostupnosti N

skladují NO3- ve vakuole

upravují transportní aktivity NO3- dle dostupnosti

upravují architektutu kořene dostupnosti NO3-

upravují asimilaci NO3- podle požadavku rostliny

Krouk et al., 2010

Signální síť zahrnující NO3-, NH4

+, glutamát, glutamin, aspartát, NADH..

jako odpověď na změny vnějších a vnitřních podmínek

Koordinace asimilace N a dostupnosti C a energie

……… a signály z C metabolizmu

C/N

Kapacita asimilace N reaguje na dostupnost C pomocí integrovaných signálů fytohormonů, nitrátů, cukrů, org. kyselin a AK

C/N rovnováhaC/N rovnováhaNR regulace exprese nia genů – nitrát, cukry, Gln, světlo/tmapost-translační modifikace – inhibice fosforylací a vazbou 14-3-3 proteinufosforylace/ defosforylace závislá na G-6-P hladině (SnRK1), světle

PEPC regulace aktivace světlem a NO3-

Modulace světlem – fosforylací/defosforylací -- katalyzováno PEPC protein kinázou změna citlivosti k efektorům ( citlivost k inhibici malátem)Transkripce PEPC protein kinázy řízena metabolickými signály: NO3

- a metabolity C a N metabolismu

chloroplast

Sacharóza Hexóza-P

Trióza-PPEPOAA

mitochondrie

OAA

citrát citrát

2-OG

NH4+

AK

NO2- NO3

-

SPS

NRPNR

PEPCPEPCP

SPSP

2-OG

NO2-

SnRK1

GS/GOGAT

C/N

Porušení rovnováhy v získávání C a N změna alokace ve prospěch nadz. části resp. kořenů

Alokace C do kořenů protože: -N produkce cytokininů transportu cytokininů

Rozdělování asimilátů při N deficienci:

Posílení růstu kořenů Omezení růstu nadzemní části

obsahu cytokininůlist kořen

dělení buněk síly sinku

konc. C ve floému

dělení buněk síly sinku

konc. C ve floému

gradient C směrování toku do kořenů

Harmonizace růstu a vývoje jednotlivých částí rostlinyHarmonizace růstu a vývoje jednotlivých částí rostliny

Udržení stability vnitřního prostředí Udržení stability vnitřního prostředí

Výměna látek mezi částmi rostlinyVýměna látek mezi částmi rostliny

Reakce rostliny na změny vnějšího prostředíReakce rostliny na změny vnějšího prostředí

Velké nároky na koordinaci procesů v Velké nároky na koordinaci procesů v rostliněrostlině

Pravděpodobně mnohem složitější: rostliny s významným podílem metabolizmu manitolu, sorbitolu…, volemitolu…, RFO a oligosacharidů s cyklitoly jako základními komponentami ……

Transport a distribuce asimilátů v Transport a distribuce asimilátů v rostlinách a sacharidová signalizace rostlinách a sacharidová signalizace – podstatná role – podstatná role

Díky za pozornost..

Documents

Koordinace růstu a vývoje rostliny s hladinou cukru