Prezentace aplikace PowerPoint - kfrserver.natur.cuni.czkfrserver.natur.cuni.cz/fr/download/pdf/2013-FR-5.pdf · - anatomie, adaptace, signalizace během symbiózy a reakce na patogeny,

Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 2013 Katedra exp. biol. rostlin, PřF UK, Jan Petrášek

Fyziologie rostlin, LS 2013

Přednáška 5

Signalizace u rostlin ISignály, signální dráhy, auxiny a

cytokininy

Jan Petrášek, PřFUK

Signalizace - dráždivost

Životní zjevy, které na rostlinách pozorujeme, lze rozdělit ve čtyři skupiny:

Předně ve zjevy vzrůstu a formálního utváření se těla rostlinného.

Druhá skupina životních pochodů obsahuje pochody týkající se výživy a výměny látek.

Třetí skupina životních pochodů vztahuje se na dráždivost rostlin.

Poslední skupina životních pochodů zahrnuje zjevy rozplozovací.

Bohumil Němec: Vztahy rostlin k vnějšímu světu, J.Otto, Praha 1907


Co víme po více nežsto letech?

o typech signálů, které rostlina přijímá ?o typech signálů, které rostlina přijímá ?

o mechanizmech jejich zpracování ?

o způsobech a nástrojích předávání informace mezi buňkami, pletivy a orgány ?

o způsobech a nástrojíchkomunikace mezi rostlinnýmiorganizmy resp. rostlinou a organizmy jinými ?


Přenos signálu v rostlinách

Fig. 18.1, 2.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

Typy signálu lze členit dle různých hledisek - externí, interní, biotické a abiotické

Reakce rostliny spočívá v amplifikaci signálu, jeho přenosu a následně ve změnách růstu a metabolismu



Signál – míra informace v čase či prostoru

Modulace signálu je dána vývojovým stádiem rostliny, jejím předchozím ovlivněním na stanovišti, ale též vnitřními hodinami. Důležitost časování odpovědi na signál lze dobře dokumentovat na příkladu klíčení semen. Protože nelze tento proces zastavit, v případě jeho špatného načasování nedojde ke správnému růstu a vývoji.

Přenos signálu – je to komplexní proces zahrnující veškeré děje od přijetí signálu receptorovými strukturami, přes přenos pomocí systému druhých poslů až po specifickou aktivaci buněčné odpovědi často pomocí specifické genové exprese.

Interakce více signálů – kooperace mezi dvěma či více druhy signálů je u rostlin např. známa v případě signalizace červeným a modrým světlem, vnímání gravitace a světla, světla a dostupnosti nitrátů, kooperace růstových regulátorů (fytohormonů) a též různých minerálních látek.

Existence společných mechanismůpro více signálních drah



Přenos signálusestává z jeho zachycení receptorem s následnou aktivací druhých poslů a vyvoláním odpovědi buňky


Fig. 18.3.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

Hlavními společnými složkami signálních drah u rostlin spouštěných vazbou regulační molekuly na receptor jsou především vápenaté ionty (Ca2+) a regulační protein kinázy a fosfatázy.


Změny v vnitrobuněčné koncentraci Ca2+ jsou určující v procesech jako je např. uzavírání průduchů či směrování růstu pylové láčky, protein kinázy regulují procesy prostřednictvím specifické fosforylace proteinů.


Komplexita regulace signálních drah je dále určena existencí složitých vztahů na úrovni dalších druhých poslů (IP3, DAG, G-proteiny), metabolických reakcí, přestavbou podpůrných struktur cytoskeletu a membránového systému.


Úrovně signalizace v rostlinném těle



Úrovně signalizace v rostlinném těle

Odpověď na signál není vždy dána přesně určeným projevem konkrétního genu (A), většinou se jedná o kombinace projevů složitého systému epistatických a pleiotropníchc genů ústící vlivem působení mnoha faktorů do celkově epigenetického charakteru odpovědi (B).


Přenos signálu v rostlinách - receptory

Fig. 18.10.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000Fig. 18.13.: Buchanan et al., Biochemistryand Molecular Biology of Plants, 2000

Příjem signálu u rostlin je realizován buď pomocí receptorů v plazmatické membráně, cytosolu či jádře nebo vlastní změnou membránového potenciálu, která otevírá iontové kanály




Typická lokalizace v plazmatické membráně a membránách ER, také v jádře (fytochrom) či cytoplazmě (kryptochrom)


A – receptor vázaný na trimerický G protein(percepce naznačena u giberelinů a ABA)

B - receptor vázaný na enzym, receptorové dvoukomponentní histidinové kinázy, např. receptor pro cytokinin či etylén



Hybridní receptorové kinázy zprostředkují signál pomocí fosforylace His na receptorové kináze a Asp na tzv. regulátoru odezvy s následným ovlivněním transkripce. Příkladem je receptor pro plynný hormon etylén či cytokininy.




C – proteinkinázové receptory, RLK (receptor-like kinases), u rostlin většinou Ser/Thr typu. Dělení dle povahy extracelulární domény.Mezi receptory typu LRR-RLK (leucin-rich repeat) patří např. receptor brassinosteroidů (BRI1) či bakteriální elicitorů (FLS2).


http://faculty.washington.edu/ktorii/RLKoverview04.html


D – receptory červeného (fytochrom) a modrého světla (phototropin, kryptochrom)O nich více v přednášce č. 8 a 9 (Vývoj I a II).


Koordinace vývoje na světle a ve tmě pomocí receptorů červeného (fytochrom) a modrého světla (kryptochrom). Aktivita fotoreceptorů na světle blokuje aktivitu ubikvitin ligázy COP1 a v důsledku toho nedochází k degradaci transkripčního faktoru HY5. Tento transkripční faktor je schopen navodit světelný vývoj za všech podmínek.

Lau and Deng, Current Opinion in Plant Biology 2010, 13:571–577



Koordinace vývoje na světle (fotomorfogeneze) a ve tmě (skotomorfogeneze) pomocí receptorů červeného a modrého světla. Aktivita fotoreceptorů na světle blokuje aktivitu ubikvitin ligázy COP1 a v důsledku toho nedochází k degradaci transkripčního faktoru HY5. Tento transkripční faktor je schopen navodit světelný vývoj za všech podmínek.


Přehled důležitých signálních drah u rostlin

Fosfatidyl inositolový signální systém


Fosfolipáza C je aktivována v reakci na signál přenesený trimerickým G proteinem. Výsledkem její aktivity štěpení fosfatidylinositol 4,5 bisfosfátu (PIP2) na inositol 1,4,5 trisfosfát (IP3) a diacyl glycerol (DAG). IP3 aktivuje Ca2+

kanály v membránách endoplazmatického retikula a výsledný signál je zprostředkován přes kalmodulin-dependentní protein kinázy.


Protein kinázové kaskády jsou nejrozšířenějším způsobem regulace genové exprese


MAPK - protein kinázy aktivující mitogeny v podobě transkripčních faktorů, návazné fosforylace slouží k zesílení signálu a případné další regulaci.


Aktivace transkripčních faktorů v cytoplazmě či přímo v jádře.


Řízená proteolýza signálních molekul, např. transkripčních faktorů. Protein (např. transkripční faktor) určený k degradaci je označen ubikvitinem ve třech následných krocích. Aktivační enzym E1 za spotřeby ATP aktivuje ubikvitin, konjugační enzym E2 ho dále napojí na komplex ubikvitin ligázy E3, kde je již vázán protein určený k degradaci. Tento komplex může obsahovat též receptory pro fytohormony jako je auxin či giberelin. Po jejich navázání se tak ovlivňuje přímo aktivita celého komplexu. Degradace proteinů následně probíhá v proteasomu.




Rostlinná „neurobiologie“

Brenner E, et al (2006) Plant neurobiology: an integrated view of plant signaling. Trends Plant Sci 11: 413-419

Sdružuje více pohledů:

- buněčná a molekulární biologie

- elektrofyziologie

- ekologie

Nově formovaná oblast rostlinné fyziologie, která si klade za cíl studovat podstatu adaptivního chování rostlin. Alternativní název „Sensorická biologie rostlin“ či „biologie vnímání rostlin“.

Jméno rostlinná neurobiologie podle Brenner et al. 2006

Oblasti studia:

- anatomie, adaptace, signalizace během symbiózy a reakce na patogeny, rostlinná imunita, paměť a učení, komunikace mezi rostlinami, rostlinná inteligence

- Rostliny odpovídají na okolní svět změnami v morfologii, pohyby, reagují na elektrické podněty, přenášejí akční potenciál, tvoří signální molekuly a ovlivňující chování jiných organismů


Fytohormony

Julius von Sachs (1832-1897) – hypotéza chemických signálů (morfogenů)

Základní šest skupin: - auxiny- cytokininy- gibereliny- kyselina abscisová- etylén- brasinosteroidy

Další látky s růstově-regulační funkcí:

- kyselina jasmínová- kyselina salicylová- strigolaktony

- polyaminy - peptidové hormony- oxid dusnatý

Santner et al. 2009, Nature Chemical Biology 5

(5), 301-307

Signální molekuly s růstově regulační funkcí


Fytohormony

Signální molekuly v podobě organických nízkomolekulárních látek

Přítomné v nízkých koncentracích (10-6 až 10-9M)

Vývojové procesy jsou zajištěny změnou koncentrace určitého typu fytohormonu a současně modulací citlivosti pletiv k němu

Podrobněji o fytohormonech pojednává semestrální přednáška KFR PřFUK Fytohormony B130P15

Spolupůsobení faktorů okolního prostředí (světelné a tepelné záření, gravitace, elektrická pole)


Analogie živočišných a rostlinných hormonů sporná …

Velmi obecný mechanismus účinku je společný:

Biosyntéza HORMON Metabolismus

Receptor

Aktivace výkonných struktur (systém druhých poslů) a případné následné ovlivnění genové exprese

Živočišné hormony:- syntéza ve specializovaných tkáních- transportovány na přednostní místo spotřeby- vyvolávají relativně specifickou fyziologickou odpověď- působí v úzké koncentrační škále mezi 10-8 až 10-10M

Rostlinné hormony:- není jasně patrný rozdíl mezi místem biosyntézy a spotřeby- mají značně pleiotropní účinky- koncentrační rozmezí širší mezi 10-6 až 10-9M


Struktura podobná fytohormonům či jejich antagonistům, často stabilnější, lépe aplikovatelné, proto použití v zahradnictví.

Mohou mít společný mechanismus účinku a působit tak jako analoga, nebo mohou narušovat transport konkrétního hormonu.

Syntetické látky s růstově-regulační funkcí


...........aneb čím izolovanější buňka je, tím závislejší se stává na tom co jí dodáme zvenčí.

Zvýšení nároků na exogenní fytohormony

Snížení nároků na exogenní fytohormony

Rostlina

BuňkaKalus, buněčná kultura

ProtoplastProtoplastová kultura

BuňkaOrganogeneze, embryogeneze

Rostlina

Nároky na fytohormony


Nejdéle známé fytohormony

Darwin 1880, Paal 1919, Went 1928 – pokusy s koleoptilí ovsa prokázali existenci účinné látky podporující prodlužování buněk (auxein=růst)

Kögl 1933 – identifikoval tuto látku v lidské moči jako kyselinu indolyl-3-octovou (IAA), teprve 1946 potvrzena ve vyšší rostlině

Auxiny – historie objevu


Auxiny – historie objevu

F.W. Went,1924-1928, koleoptilový test na auxiny


IAA IBA 4-Cl-IAA

PAA 2,4-D NAA

Auxiny - chemické struktura

Kyselina 1-naftyloctováKyselina 2,4-dichlorfenoxyoctováKyselina fenyloctová

Kyselina indolyl-3-octová Kyselina indolyl-3-máselná Kyselina 4-chlor-indolyl-3-octová


1) Biosyntéza vycházející z L- tryptofanu:

- u vyšších rostlin nejčastěji přes indolylpyruvát

Biosyntéza probíhá v mladých rychle se dělících buňkách, tj. meristémech, embryu, vyvíjejících se plodech

Auxiny - biosyntéza


2) Biosyntéza nezávislá na L- tryptofanu:

- Prekurzorem indol či indolylglycerol



3) Biosyntéza z indolylacetamidu:

- Prekurzorem L-tryptofan, probíhá v symbiotických bakteriích Agrobacterium tumefaciens – v jejich T-DNA jsou geny iaaM a iaaH

- podobné též v dalších patogenech (Pseudomonas savastanoi), kde ještě navíc gen iaaL pro IAA lysin syntázu –konjugace IAA s lysinem



Konjugace IAA: - navázání nízkomolekulárních látek

- glukosylestery

- myoinositol estery

- konjugáty s s aminokyselinami (např. aspartát, alanin)

- je reverzibilní

Funkce konjugátů: - zásobní pool auxinu (klíčící semena), až 50-90% celkového obsahu IAA

- detoxifikační

- transportní

- ochrana před degradací

Auxiny - metabolismus


Auxiny - metabolismus

Ireverzibilní degradace(katabolismus IAA):

1) dekarboxylačníperoxidáza/IAA oxidáza

- inaktivace

2) nedekarboxylační IAA-oxygenáza

- může obsahovat konjugační kroky


Stimulace prodlužovacího růstu – segmenty koleoptilí ovsa

Auxiny – fyziologické účinky

H2O IAA



Friml 2003, Current Opinion in Plant Biology 6, 1-6Paciorek et al. 2005, Nature 435 (7046), 1251-1256

Regulace tropismů – pozitivní gravitropismus kořene a negativní gravitropismusstonku

Gravitropismus stonku – ohyb nahoru:

- hromadění auxinu na spodní straně, kde je taková koncentrace aktivační pro buněčnou elongaci

Gravitropismus kořene – ohyb dolů:- hromadění auxinu na spodní straně, kde je taková koncentrace inhibiční pro buněčnou elongaci



Regulace tropismů – fototropismus stonku:

- hromadění auxinu na od světla odvrácené straně, kde je taková koncentrace aktivační pro buněčnou elongaci

- souvisí se signalizací prostřednictvím fosforylace receptoru modrého světla fototropinu

DR5::GUSsvětlo


Ding et al., 2011, Nature Cell Biology 13, 447-452

Udržování apikální dominance – vzrostný vrchol produkcí auxinu a jeho transportem bazipetálně udržuje svou dominanci




Regulace embryogeneze, zakládání laterálních orgánů

Tanaka et al.,.Cell. Mol. Life Sci. 63, 2738–2754, 2006


Indukce buněčného dělení v explantátových kulturách


+ Auxin - Auxin

Suspenzní kultura tabáku BY-2


Stimulace zakořeňování a podpora tvorby hlíz či plodů


Callis 2005, Nature 435, 436-437


Auxinem stimulovaná aktivace H+-ATPázy:

- umožňuje snižovat pH buněčné stěny a rozvolňovat tak její strukturu, důsledkem je tzv. kyselý růst

Auxiny - mechanismus účinku


Auxiny – mechanismus účinku


Auxinem stimulovaná specifická degradace transkripčních represorů Aux/IAA blokujících transkripci přes proteiny ARF (auxin response factors). Degradace je řízena ubiquitinací prostřednictvím komplexu ubiquitin ligázy E3 obsahující receptor pro auxin protein TIR1 a směrována do proteasomu.

Při nízkých hladinách auxinu (a) jsou geny odpovídající na auxin reprimovány pomocí Aux/IAA represorů, auxin spustí degradaci Aux/IAA a expresi auxinem-indukovaných genů (b).

tir1 mutant

Santner et al. 2009, Nature Chemical Biology 5 (5), 301-307

Bishopp et al. 2006, Development 133, 1857-1869

Přenašeč auxinu ven z buňky

Rostlina

Kořen

Parenchymatické buňky protofloému

Směr toku auxinu

(Podle Grebe, BioEssays 26, 719, 2004)

Přenašeč auxinu do buňky

Polární transport auxinů - regulační funkce


Chemiosmotická teorie transportu auxinu z buňky do buňky:

- Odlišná prostupnost IAA a IAA- přes plasmatickou membránu (a)

- Disociace molekul IAA vyšší v cytosolu oproti buněčné stěně vlivem vyššího pH (c)

- IAA- je zachytávána v cytoplasmě v tzv. aniontové pasti, pokud má být transportována, musí se tak dít pomocí aktivního přenašeče (b, d, e)

- Polarita toku tedy dána umístěním přenašečů

Polární transport auxinů – regulační funkce

Petrášek and Friml, 2009, Development 136, 2675-2688


Luschnig 2006, Trends in Plant Science 7, 329-332

Polární transport auxinů – transportní molekuly

Molekuly auxinu jsou kromě pasívní difúze transportovány systémem aktivních přenašečů

- AUX1/LAX – přenašeče auxinu dovnitř buňky (a)

- PINs – přenašeče auxinu ven z buňky (b)

- ABCBs (MDRs, PGPs) (c) –přenašeče auxinu ven z buňky


Přenašečové molekuly podléhají konstitutivnímu cyklování

Přenašečové molekuly recyklují mezi plasmatickou membránou a endomembránovým systémem:

- regulace inhibitory transportu auxinu (PBA, TIBA)

- regulace samotnými auxiny

Kleine-Vehn et al. 2006, Plant Cell 18, 3171-3181


Přenašečové molekuly jako distributory auxinu v rostlině

Polární transport zprostředkovaný přenašečovými molekulami hraje úlohu v embryogenezi




Polární transport zprostředkovaný přenašečovými molekulami hraje úlohu v postembryonálním vývoji – utváření stonku a kořene, vývoj laterálních orgánů, gravitropické odpovědi, diferenciace vodivých pletiv)






Polární transport zprostředkovaný přenašečovými molekulami hraje úlohu v postembryonálním vývoji – utváření stonku a kořene, vývoj laterálních orgánů, gravitropické odpovědi, diferenciace vodivých pletiv)

Paciorek and Friml, 2006 J Cell Sci 119, 1199-1202

Auxiny – shrnutí mechanismů


Cytokininy - historie objevu

Haberlandt 1913 – látka v cévních svazcích stimulující buněčné dělení

Overbeek 1940 – látka v mléčném endospermu z nezralých ořechů kokosu

Skoog 1950 – pokusy s in vitro kulturami tabáku, stimulace dělení po aplikaci částí vaskulárního pletiva na explantát, úspěch i s kvasničným extraktem a autoklávovanou DNA

Miller 1954 – izolace účinné látky z klávované DNA slanečka, pojmenována kinetin – první syntetický cytokinin

Letham 1963– první přirozeně se vyskytující se cytokinin (zeatin) izolován z nezralého endospermu kukuřice


Amasino, R. (2005) 1955: Kinetin Arrives. The 50th Anniversary of a new plant hormone. Plant Physiol. 138: 1177-1184

Kontrola Kinetin


Cytokininy - historie objevu

Sakakibara, Annu Rev Plant Biol 2006.57, 431

Cytokininy – chemická struktura

N6-substituované deriváty adeninu – podle postranního řetězce se dělí na isoprenoidní a aromatické


Vychází z isopentenyl pyrofosfátu (IPP)

U rostlin enzym isopentenyl transferáza (IPT) katalyzuje první krok přeměny dimethylallyl difosfátu (DMAPP) a ADP či ATP na cestě k isopentenyl adeninu (iP)

ipt se nachází též v symbiotických bakteriích (Agrobacterium tumefaciens)

Probíhá hlavně v kořenech, embryích, mladých listech a plodech, všude tam, kde se buňky dělí.

Cytokininy – biosyntéza

Isopentenyl transferáza


Metabolismus cytokininů:

- CKs přítomny jako volné látky (trans formy) či v tRNA (v cis formě)

- vratné přeměny volných bazí na ribosidy či ribotidy

- O- a N- glykozylace

- oxidační degradace cytokinin oxidázou odejme postranní řetězec

Cytokininy - metabolismus


Stimulace buněčného dělení v explantátových kulturáchPoměr hladin auxinu (A) a cytokininu (CK) určující pro organogenezi:- převaha A – kořeny, vyrovnaný poměr – kalus, převaha CK – diferenciace prýtu; model organogeneze in vitro Skoog a Miller 1957

Převaha auxinu Převaha cytokininu

Cytokininy – fyziologické účinky


Stimulace buněčného dělení v meristémech, narušení apikální dominance



Rostlina tabáku exprimující ipt gen – narušena apikální dominance na úkor laterálních meristémů a potlačena senescence


Zpomalení stárnutí – rostliny tabáku exprimující gen ipt pod kontrolou promoru indukovaného senescencí jsou „nesmrtelné“. Cytokininy stimulují tvorbu chlorofylu.



Wild-type Elevated CK

Zvýšení exprese IPT vyvolané

suchem na něj zvyšuje odolnost

Rivero, R. M. et al. (2007) Delayed leaf senescence induces extreme drought tolerance in aflowering plant. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104:

19631-19636 Copyright National Academy of Sciences; Nishiyama, R., et al., (2011). Jeon, J., Kim, N.Y., Kim, S., Kang, N.Y., Novák, O., Ku, S.-

J., Cho, C., Lee, D.J., Lee, E.-J., Strnad, M. and Kim, J. (2010). A subset of cytokinin two-component signaling system plays a role in cold

temperature stress response in Arabidopsis. J. Biol. Chem. 285: 23371-23386.11

Ošetření cytokininy zvýší odolnost

k mrazu

Before freezing

After freezing

ControlCK pretreatment

Numbers of plants surviving, out of 10

Zvýšení odolnosti ke stresům – zvýšená tvorba cytokininů též napomáhá rostlinám odolávat abiotickým stresům jako jsou sucho či chlad


http://www.pnas.org/content/104/49/19631.abstract



http://www.jbc.org/content/285/30/23371.full



NO3-

SO42-

PO43-

CO2

Sink

Sink

Sink

Source

Root systems take up mineral

nutrients such as nitrate, sulfate and phosphate

Source

Shoot systems are a source of sugars and primary metabolites that are distributed to nutrient sinks including flowers and fruits, roots, and young leaves


Regulace příjmu minerálních živin a jejich alokace

NO3-

SO42-

PO43-

CO2

Sink

Sink

Sink

Source

Elevated levels of nitrate or phosphate increase the rate of CK synthesis,which ultimately decreases root growth rate. In turn, elevated CK represses nutrient uptake

Elevated CK levels increase expression of photosynthetic enzymes and delay leaf senescence

Source

Regulace příjmu minerálních živin a jejich alokace


Vazba na receptor CRE1 (cytokinin receptor)

- CRE1 je dvousložková histidinová kinása lokalizovaná v plazmatické membráně

- existují ještě další dvě histidinové receptorové kinázy vážící cytokininy (AHK2, AHK3)

- vyvolání sledu fosforylačních reakcí přes proteiny AHP (Arabidopsis histidin phosphotransfer protein)

- výsledkem je aktivace transkripčních faktorů (ARR typu A a B; Arabidopsis response regulators)ARR typu A jsou negativními regulátory odpovědi na cytokininy, ARR typu B jsou pozitivními stimulátory genové exprese

Cytokininy – mechanismus účinku

Wt cre1/ahk3/ahk2 triple

Santner et al. 2009, Nature Chemical Biology 5 (5), 301-307


Ferreira and Kieber, Current Opinion in Plant Biology 2005, 8:518

Spektrum hsitidinových kináz AHP kináz je obrovské, též regulátorů odezvy ARR, toto tedy představuje širokou možnost regulace signálu

Cytokininy – mechanismus účinku


Reprinted from Werner, T., and Schmülling, T.

(2009). Cytokinin action in plant development.

Current Opinion in Plant Biology 12: 527-538,

with permission from Elsevier copyright 2009.

Cytokininy- mechanismus účinku

Spektrum hsitidinových kináz AHP kináz je obrovské, též regulátorů odezvy ARR, toto tedy představuje širokou možnost regulace signálu

Identifikace jednotlivých genů pod kontrolou cytokininů pomáhá pochopit mnoho dalších procesů v rostlinách

http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.pbi.2009.07.002



Documents

Prezentace aplikace PowerPoint - kfrserver.natur.cuni.czkfrserver.natur.cuni.cz/fr/download/pdf/2013-FR-5.pdf · - anatomie, adaptace, signalizace během symbiózy a reakce na patogeny,