plantula

Il ruolo della luce nello sviluppo

seme pianta adulta

LuceBuio

GiornoNotte

La luce rappresenta il fattore ambientale più importante nella vita delle piante. Le piante, infatti, sentono e rispondono a:• La presenza/assenza di luce• la lunghezza d’onda e l’intensità (fluence rate)• L’orientamento• la durata giorno/notte (ciclo circadiano)

La luce, infatti:• regola molti aspetti dello sviluppo /differenziamento:

– fotomorfogenesi v/s skotomorfogenesi – germinazione dei semi– allungamento dell’ipocotile – fioritura– ritmo circadiano– risposte trofiche (fototropismo)

La risposta di “de-eziolamento” è stata molto studiata come modello per la comprensione dei meccanismi coinvolti nella percezione della luce, nella trasduzione del segnale, e nella regolazione trascrizionale, per la semplicità del sistema e dello screening genetico.

fotomorfogenesiplantula creciuta alla luce

skotomorfogenesiplantula cresciuta al buio

Blu/Blu/UVUV RED/RED/FAR REDFAR RED

La percezione della luce avviene attraverso 3 classi di fotorecettori, che agiscono in modo indipendente e cooperativo:

• FOTOTROPINE (Phot 1 e 2 in Arabidopsis)• CRIPTOCROMI (Cry 1, 2, 3 in Arabidopsis)• FITOCROMI (PhyA,B,C,D,E ) • R UV-B (caratterizzati mediante spettroscopia)

UV-B

UV-A

Blue

Red

F Red

LightParameters Photorecep.

phyA

phyB

Phot/Cry

Phot/Cry

UV-Breceptor

TransductionPathway

components

HY5

COP1

COP9

DET1

FUS

Light-regulated genes

CAB

RBCS

PHYA

PAL

CHS

etc

Photomorphogenic display

Seed germination

Seedling De-etiolation

Phototropism

Shade avoidance

FloralInduction

HIR > 1000 mol/m2

LFR 1-1000 mol/m2

(fotoreversibilità)

VLFR 0.1 mol/m2

Trattamenti con intensità diverse di luce

Funzioni membri della famiglia del Fitocromo

durante lo sviluppo

Fitocromo Fotorecezione Attività fisiologiche primarie

phyA VLFRs Germinazione semi (UV,visibile,FR)

HIRs deeziolamento plantule (FRc),

induzione fioritura in LD

phyB LFRs Germinazione semi (Rc)

R-HIRs deeziolamento plantule (Rc)

phyC R-HIRs deeziolamento plantule (Rc)

phyD EOD-FR risposta di fuga dall’ombra

(allungamento internodi, fioritura)

phyE LFRs Germinazione semi

EOD-FR risposta di fuga dall’ombra

(allungamento internodi, fioritura)

I Fitocromi

I Fitocromi sono codificati da una famiglia multigenica:

• in Arabidopsis 5 geni, PHYA-PHYE• I 5 fitocromi sono tutti espressi in modo ubiquitario• il fitocromo purificato è in forma di omodimero di 125kD• il fitocromo attivo è presente come omodimero• ogni polipeptide lega un cromoforo tetrapirrolico, fitocromobilina, con un legame tioetere, su una cisteina conservata• i 5 fitocromi legano lo stesso cromoforo• la regione C-ter media la dimerizzazione

AtPhyEAtPhyDAtPhyCAtPhyBAtPhyA

1) Albero filogenetico dei cinque geni Phy

N terminale C terminale

D1 P1 D2P2 HKRD

F

= fluorocromo

D1, D2 = dominio di dimerizzazione

P1, P2 = dominio PAS (interazione proteina-proteina

HKRD = dominio istidina-chinasico

F

2) Struttura proteica dei fitocromi

Struttura di una molecola di Fitocromo

80% identità aacidica

1210 aa

PSD HKD

HKRDPSD PRD

chromophore

chromophore

PSD:photosensory domain con cromoforoHKD:dominio istidina chinasiPRD:dominio PAS-relatedHKRD:dominio istidina chinasi-related

BATTERI

PIANTE

Omologie strutturali/funzionali tra Phy batterici e vegetali

La funzione dei fitocromi è basata sulla capacità di interconversione reversibile tra la forma Pr e quella Pfr:

•La forma Pr, biologicamente inattiva, assorbe luce rossa (R)•La forma Pfr, biologicamente attiva, assorbe luce rosso lontano (FR)•La percezione del segnale luminoso è seguita da un cambio conformazionale•La percezione del segnale luminoso attiva poi vie di trasduzione del segnale

I fitocromi quindi fungono da sensori del rapporto R/FR nell’ambiente:

•normalmente R/FR ~ 1.2•le strutture fotosintetiche assorbono R, indi il rapporto diminuisce•Il rapporto R/FR è indicativo anche della “densità di popolazione”

I fitocromi si dividono in 2 classi:• tipo I, instabile alla luce (phyA)• tipo II, stabile alla luce (phyB-E)

•Attività chinasica luce-regolata:-Autofosforilazione (ser/thr chinasi)-Legame con PKS1 (PhytocromeKinaseSubstrate) nel citoplasma-Legame con diversi TF (PIF3, HY5, COP1) nel nucleo

Attività del fitocromo

Ser-rich N-Ter Extension

NTE

Fosforilata in Pr e Pfr in vivo

Fosforilata in Pfr in vivo

•Citoplasmica:-“Phy sono molecole solubili, citoplasmatiche…”-Esperimenti di microiniezioni con a/antagonisti di 2°messaggeri noti-Localizzazione immunocitochimica

•Nucleare:-Analisi istologica di proteine chimeriche PhY-GFP, Phy-GUS, biologicamente attive (complementazione di mutanti phy) -Legame di PhyB/PhyA con TF luce-regolati (PIF3)

Localizzazione del fitocromo

*B

B*B*

B*B*

Activated 35S:PhyB::GFPB*B 35S:PhyB::GFP

B

B

B

BB

Red light

Pr Pfr

630X

PhyB-GFP localization in seeds

WT phyB::GFP