Hormony v rostlinách.
Jaké jsou a co dělají?
Radomíra Vaňková
Ústav experimentální botaniky AV ČR, Praha
Rozdíl mezi rostlinami a živočichy
Přisedlý způsob života x mobilní
Autotrofní výživa
(fotosyntéza
)x heterotrofní (býložravci, masožravci)
Tvarová různorodost x předem definovaný tvar
Totipotence buněk
Rozdíly mezi rostlinnými a živočišnými hormony
tvorba hormonů v různých částech rostliny x biosyntéza ve specializovaných žlázách
Každý hormon ovlivňuje více procesů x působení na určitý specifický proces
Jeden proces je ovlivňován více hormony
Důsledek přisedlého způsobu života
Velmi dynamické chování
intenzivní interakce s prostředím (dostupnost
živin, reakce na stresy)
Abiotické stresy
Biotické
stresy
Rostlinné hormony
„positivní regulátory růstu“
Auxiny
Cytokininy Gibereliny
Brasinosteroidy Strigolaktony
„stresové hormony “ Kyselina abscisová
Etylén
Kyselina salicylová Kyselina jasmonová
Peptidové hormony
Ohyb za světlem, zdrojem energie
auxin
Auxin
- byl objeven při studiu fototropismu
Kyselina indol-3-octová (IAA)
Auxiny
- Stimulace buněčného dělení - Prodlužování buněk
- Gravitropismus a fototropismus - Apikální dominance
- Stimulace tvorby kořenů
CYTOKININSsucroseCDK CDC 25 CYTOKININS
M
CDK E2F
G
1G
0Cyc D
S M
G
2RBR
Gravitropismus – reakce na gravitaci
V nadzemní části akumulace auxinu způsobí růst a
prodlužování buněk ohyb
auxin
V kořenech způsobí
akumulace auxinu
inhibici růstu
Koordinace mezi nadzemní částí a kořeny
Auxiny a cytokininy
zdroj auxinu
Odstraněn vrchol (zdroj auxinu)
Cytokininy stimulují růst větví – náhrada vzrostného vrcholu
Apikální dominance
Praktické využití
Zakořeňování řízků, sazenic
Herbicidy na bázi auxinu
• Cytokininy
Definovány jako látky stimulující buněčné dělení v přítomnosti auxinu
( Skoog a Miller, 1955)
trans-zeatin
Plant Phys. 38(3): 291, 1963.
Tkáňové kultury
Převaha auxinu – diferenciace kořenů Převaha cytokininů – diferenciace výhonků Vyrovnaný poměr –
nediferencované kalusové pletivo
Aplikace cytokininu na zakořeněný kus stonku hrachu
- inhibice tvorby laterálních kořenů, - stimulace tvorby postranních
pupenů
Snížení hladiny cytokininů (např. konstitutivní exprese CKX)
Zpomalení růstu nadzemní
části, zvýšení růstu kořenů
Funkce cytokininů
Stimulace buněčného dělení Zpomalení stárnutí
Zpomalení degradace chlorofylu Stimulace diferenciace chloroplastů Stimulace větvení – antagonismus s auxinem
Zvýšení síly sinku (atrakce živin)
CYTOKININS sucrose
CDK CDC 25 CYTOKININS
M
CDK E2F
G1 G0
Cyc D
S M
G2
RBR
Stimulace buněčného dělení
Přechod G1/S i
G2/M
Zpomalení stárnutí
Zpomalení degradace chlorofylu
Rostlina začne stárnout
Spustí se promotor SAG +
gen kódující isopentenyltransferázu
Zvýší se hladina cytokininů Zrušení programu senescence
„dlouhověká rostlina“
R. Amasino
Vypne se SAG promotor
SARK:IPT rostliny, zvýšená odolnost vůči suchu
Praktická aplikace SAG:IPT kasava
(prodloužení
skladovatelnosti hlíz)
Zvýšení síly sinku (atrakce živin)
Ochrana apexu a mladých listů ve stresu
Gibereliny
Plíseň Gibberella fujikuroi sekretuje látku, která stimuluje dlouživý růst rýže, ale eliminuje tvorbu zrn - ekonomicky velmi významná
choroba.
v r. 1958 identifikován giberelin A1 ve vyšších rostlinách (Phaseolus coccineus)
dosud identifikováno přes 136 GA
Pouze vzácně ve vyšších rostlinách
GA
7(= GA
3– 13C OH)
Není ovlivněna aktivita
7) Funkce
A) Stimulace dlouživého růstu stonku
především růst stonku z růžice listů, překonání zakrslosti
B) Indukce kvetení
C) Regulace embryogeneze, klíčení semen
D) Stimulace buněčného dělení a elongace buněk
G) Vývoj plodů - partenokarpie
A) Stimulace dlouživého růstu
druhy tvořící vegetativní růžici listů, jednoděložné
především růst stonku z růžice listů, překonání zakrslosti
jednoděložné – růst interkalárních meristémů
synergismus s auxinem, antagonismus vůči ABA
B) Květní indukce
GA nahradí dlouhý den u dlouhodenních rostlin, příp.
vernalizaci
C) Regulace klíčení a tvorbu embryí
- mobilizace zásobních látek z endospermu, - stimulace rozkladu škrobu
- zrušení dormance (nahražení světla nebo chladu)
Vliv GA z embrya na tvorbu hydrolytických enzymů a
štěpení škrobu během klíčení semene
G) Vývoj plodů – partenokarpie
GA iniciují růst plodů po opylení i bez opylení (partenokarpie – hrozny bez semen)
Protažení tvaru některých plodů (např. jablka)
Praktické aplikace GA
Stimulace hydrolytických enzymů -Tvorba sladu - GA ji urychlí stimulací tvorby hydrolytických enzymů
Regulace dlouživého růstu
- zvýšení výnosu cukrové třtiny (třtina netvoří škrob, uchovává cukry jako sacharozu, kterou skladuje v centrálních vakuolách parenchymu internodií - stimulace prodloužení internodií (třtina o 20 t/ha, cukr o 2 t/ha)
- inhibice růstu - omezení polehávání obilovin, kompaktní vzrůst květin - tvorba plodů - prodloužení délky stopek umožní větší nárůst bobulí vína - protažení tvaru jablek (Golden delicious)
- oddálení senescence citrusů prodlouží období sklizně
Zablokování signální dráhy giberelinů umožnilo odstranit polehávání pšenic s vysokým výnosem
(Norman Borlaug, zelená revoluce)
Brasinosteroidy
Nalezeny v extraktu z pylu řepky olejky (Brassica napus)
jako látky stimulující růst– nazvány „brassiny“
V biotestu na druhém internódu fazolu byla zjištěna řada účinků:
Prodlužování buněk Buněčné dělení Ohyb
Bobtnání
Rozštěpení druhého internódu
Svébytný, nový druh hormonů
Z 227 kg pylu řepky olejky byly získány 4 mg brassinu nazvaného brassinolid (1979) 1982 získán castasteron (prekurzor brassinolidu )
Brasinosteroidy
Striga hemonthica
Strigolaktony
1972– strigol a strigyl acetát nalezeny v kořenových exudátech bavlníku, identifikovány jako sloučeniny, které stimulují klíčení rostlin parazitujících na kořenech plodin
Parazité: Striga lutea, Orobanche
Plodiny: kukuřice, sorghum, proso, rýže,
Rajčata, tabák, mrkev, okurka, slunečnice, luštěniny
2005 – 5-deoxystrigol izolován jako látka, která
stimuluje větvení arbuskulární mykorhizní houby
(symbiont – poskytuje fosfáty, bere si cukry)
Terpenoidní laktony ABC kruh
spojený labilním etherovým můstkem s
D kruhem
1
. Atrahuje symbionty, kteří poskytují fosfáty
Tvorba strigolaktonů (SL) je stimulována nedostatkem fosfátů Dostatek Pi – jsou sorbovány kořeny větvení je stimulováno
Nedostatek Pi – zvýšení tvorby SL 1. Větvení je inhibováno
2. Ve starších listech je aktivována senescence,
3. živiny (včetně Pi) translokovány do apexu a mladých listů
4. Arbuskulární mykorhizní plísně (AMF) poskytují nedostatkový Pi
(výměnou za cukry)
Umehara, Plant Biotechnology 2011Kyselina abscisová
Regulace růstu a vývoje – positivní i negativní regulátory inhibice růstu za nepříznivých podmínek
ABA = negativní regulátor růstu a otevírání průduchů
zvyšuje odolnost vůči dehydrataci/desikaci (obrana proti vodnímu deficitu – zavření průduchů, stimulace obranných drah
dormance semen a pupenů, vývoj semen,)
Struktura kyseliny abscisové
Fyziologicky aktivní: (+)-S-cis-isomer Nezbytné :
- cis-konfigurace postranního řetězce - dvojná vazba v kruhu
- hydroxylová skupina v poloze 1´
Mechanismus působení ABA
1) Krátkodobé působení – regulace otevřenosti průduchů
2) Dlouhodobé působení - změny exprese genů (potlačení růstu, vývoj semen)
Lokalizace a transport ABA
Volná ABA v chloroplastech a v cytoplasmě,
Světlo – transport protonů do gran, zvýšení pH stromatu, disociace ABA, pro ABA
-je membrána neprůchodná, pasivní difuzí nedisociovaná ABA do chloroplastů Vodní deficit – zvýšení pH cytoplasmy, transport z chloroplastů do cytoplasmy a
dále do apoplastu
Nedostatek ABA v semenech – klíčení již na poli na rostlině -
viviparie
Dormance pupenů – umožní přežít zimu bez poškození
Etylén
Plynný hormon
Žloutnutí stromů v blízkosti lamp na svítiplyn
1901 Dimitrij Neljubov identifikoval etylén jako aktivní složku svítiplynu (pozoroval „triple response“ u klíčních rostlin hrachu pěstovaných v laboratoři) 1910 H.H. Cousins sloučenina uvolňovaná pomeranči
urychluje zrání banánů
(zřejmě produkce Penicilliem)
1934 identifikace etylénu jako přírodního produktu, klasifikován jako hormon
Struktura a výskyt
Nejjednodušší olefin,
Plyn, lehčí než vzduch, hořlavý
Snadný transport mezibuněčným prostorem (difuse)
Snadno uniká z tkání
H H
C = C
H H
Funkce etylénu
A) Indukce tloustnutí a zkracování stonku
B) Stimulace dlouživého růstu ponořených vodních rostlin
C) Tvorba apikálního háčku u etiolovaných klíčních rostlin
F) Indukce tvorby kořenů a kořenového vlášení
G) Stimulace abscise listů
H) Urychlení senescence květů a listů
I) Urychlení zrání plodů ( klimakterických )
L) Reakce na stres a poranění (účastní se odezvy rostlin na stres – sucho, zatopení, zvýšená teplota, chlad, zasolení, ozón, infekce, exprese PR-genů)
trojná odezva
B. Stimulace dlouživého růstu ponořených vodních rostlin
Ponoření způsobuje zvýšení hladiny etylénu (nemůže unikat)
Etylén stimuluje elongaci stonků a řapíků horní části rostlin, až se listy se dostanou nad hladinu
Diferenciace aerenchymu
(podobně např. i při nedostatku síry)Vodní rostliny + rýže
Interakce GA a etylénu
J Plant Res 2010, 123:303-309
Stabilizace DELLA proteinů
ERF subgroup VII
inhibuje odezvu na GA
GRASS doména
„escape strategy“
„quiescence strategy“
C. Tvorba apikálního háčku
Etiolované klíční rostlinky (dvouděložné) mají apikální meristém při průchodu zemí chráněn ohnutím , tj.
tvorbou apikálního háčku
Způsobeno asymetrickým růstem – rychlá elongace vnější strany, inhibice vnitřní strany
Světlo inhibuje tvorbu etylénu zvýší rychlost elongace na vnitřní straně
Otevření háčku
E. Indukce tvorby kořenů a kořenového vlášení
A
Kořenové vlášení se za normálních okolností tvoří zbuněk epidermis, které jsou nad rozmezím buněk kortexu
B
- exogenní aplikace (ACC) neboC
-konstitutivní odezva Vlášení vzniká ze všechepidermálních buněk
D
Aplikace antagonisty etylénu (Ag+) inhibujediferenciaci
F. Stimulace abscise listů
Zóna abscise – 2 – 3 řady buněk, specifické chování
Etylén - Indukce celulázy
Cell wall hydrolysis, Round protoplasts
increase volume Cell separation
Leaf abscision
G. Zrychlení senescence květů
Aplikace Ag+ (antagonistu etylénu) ve formě thiosulfátu stříbrného k řezaným karafiátům zpomaluje výrazně jejich vadnutí
I. Zrání plodů
Rostliny, u nichž šíření semen závisí na přenosu zvířaty, vytváří „jedlé“ plody - během zrání: rozvolnění buněčných stěn (aktivace pektináz a galakturonidáz)
zvýšení obsahu rozpustných pektinů hydrolýza škrobu, akumulace cukrů
degradace chlorofylu, přeměna chloroplastů na chromoplasty tvorba antokyanů a karotenoidů (upoutání pozornosti)
tvorba chuťových a aromatických látek
snížený obsah organických kyselin a fenolických látek, včetně taninů Během zrání klimakterických plodů se zvyšuje hladina etylénu,
zvýšení respirace
klimakterické plody: avokado, banán, jablko, fíky, oliva, broskev, hruška, švestka, rajče, … neklimakterické plody: citrusy, ananas, třešně, jahody
Tvorba etylénu a intenzita dýchání u banánu
Regulace zrání rajčat pomocí etylénu
1. Prodloužení skladovatelnosti plodů pomocí inhibice biosyntézy etylénu (AVG) 2. Zrychlení zrání plodů zvýšením hladiny etylénu
1. Zpomalení zrání
2. Uspíšení (případně synchronizace )
zrání
Změknutí následkem zvýšení
polygalakturonidázy
Využití v praxi
Aplikace etylénu ve formě ethrelu synchronizace zrání,
Synchronizace opadu listů a plodů Cl CH2 CH2 O P O
OH OH
Zablokování biosyntézy – zpomalení zrání plodů
Zablokování dráhy – zpomalení stárnutí květů
Kyselina salicylová
Známa více jako lék než jako rostlinný hormon
Kyselina salicylová (SA) se nachází v řadě rostlin (
vrba
, myrta, topol, tužebník jilmový), které se již od 4. století př.n.l. (Hippocrates) používají k tišení bolesti (horečka, reumatismus), při nachlazeníVe 20. letech 19. stol. izolována aktivní látka z kůry vrby a z libavky (Gaultheria procumbens), identifikována jako salicin (glukosid SA)
kyselina salicylová nazvána podle Salix (vrby)
1852 SA syntetizována chemicky (levnější), ale hořký - zdravotní potíže při delším užívání (podráždění žaludku)
1898 kyselina acetylsalicylová = aspirin
Současná světová produkce – mnoho tisíc tun/rok
v rostlinách je součástí obrany po napadení pathogeny, rovněž součástí odezvy na abiotické stresy
• Struktura
hydroxyderivát kyseliny benzoové
Funkce
Thermogeneze
– zvýšení SA až 100x SA indukuje expresi alternativní oxidázyzvýšení aktivity alternativní respirační dráhy v mitochndriích (omezení konzervace energie do ATP, velká část uvolněna jako teplo)
SA zvýší během anthese teplotu až o 14°C, dojde k volatilizaci látek, které atrahují opylovače (u užovníku nebo zmijovce - vůně tlejícího masa)
Obrana rostlin po napadení pathogeny
•Lokální odezva
- hypersensitivní odezva: vznik nekrotických lézí (programovaná buněčná smrt) - zabrání šíření pathogena v rostlině•Stimulace exprese obranných genů
tvorba “pathogenesis-related proteins” - PR-proteiny
Krátce po napadení pathogenem (minuty) - virulentním i avirulentním Zvýšení hladiny superoxidu (O2-) a H2O2
Peroxidasy v apoplastu
oxidační vzplanutí („oxidative burst“) Přímé ničení pathogenů,
stimulace lignifikace buněčných stěn, Stimulace tvorby SA
Ta zpětně stimuluje tvorbu ROS + inhibice katalasy a APX
Positivní „feed-back loop“
Amplifikace signálu, HR
Druhá fáze – u avirulentních p.
PCD, exprese obranných genů
Interakce s NO
Cell death control
auxins
ABA
CK JA/Et SA
Halting patogen colonization
Nutrient and water demands
Biotrophs
Biotrofní pathogeny produkují auxiny nebo cytokininy nebo stimulují jejich biosyntézu/snižují degradaci v
rostlinách
Pseudomonas syringae - Coronatine – analog JA-Ile, potlačuje dráhu SA
Kyselina jasmonová
1971 - kyselina jasmonová (JA) izolována jako inhibitor růstu rostlin z filtrátu plísně Botryodiploidi theobromae
80. léta JA a metyljasmonát nalezeny v mnoha druzích jako látky stimulující senescenci a inhibující růst,
odlišné od ABA
metyljasmonát a cis-jasmon jsou složkami vůně
jasmínu, parfémy
Struktura
hlavní jasmonáty jsou
(-)-kyselina jasmonová (JA) a
(-)-metyljasmonát (těkavý, snadná
konverze)
1) Obrana vůči okusu a “nekrotrofním“ patogenům
„proteolytické enzymy, obranné proteiny – („vadí“
býložravcům a pathogenům)