Růst a vývoj rostlin

(1)

Bun ěč né základy r ů stu a morfogeneze, signalizace u rostlin

fytohormony

(2)

Stavba rostlinného těla není předem určená Významný podíl nediferencovaných buněk

(meristémy)

Přítomnost buněčné stěny brání migraci buněk Poziční určení buněčného osudu

Neukončený vývoj

R ů st a vývoj rostlin

Zásadní rozdíly ve vývoji rostlin a živo č ich ů

Absence buněčných linií

http://www.baileybio.com/plogger/?level=picture&id=646

(3)

Růst – nabývání velikosti, objemu, plochy či hmotnosti buněk či celých orgánů

Morfogeneze – vývoj tvaru buňky či celé rostliny

Vývoj – je dán souhrnem procesů růstu a diferenciace, musí být pevně zasazen v čase a orientován prostorově

Růst a vývoj rostlin

Diferenciace – funkční rozrůznění buněk či orgánů podle jejich specializace

Dediferenciace – opětovné nabytí schopnosti buněk realizovat více vývojových programů

Totipotence – schopnost rostlinných buněk regenerovat za vhodných podmínek celou rostlinu.

(4)

Růst a vývoj rostlin

Fenologické fáze:

- praktický a experimentální význam - etapy embryonální, juvenilní

(vegetativní), zralosti, stárnutí (senescence)

Boyes et al, Plant Cell 13, 1499, 2001

(5)

Růst a vývoj rostlin

_R_ůstové fáze:

- buněčné dělení - objemový růst - diferenciace

Buněčné dělení - v meristémech, neustálý průběh buněčného cyklu

Objemový růst - vrcholový a difúzní typ růstu, orgány s ukončeným a neukončeným typem růstu

Diferenciace - specializace na úrovni buněk, pletiv a orgánů apikální meristém prýtu

kořene

(6)

Základní rozdíly v d ě lení

živo č išných a rostlinných bun ě k

Převzato z přenášky D. Honyse, B130P14: Fyziologie rostlin.

(7)

Růst a vývoj rostlin

Před cytokinezí je polarita budoucí buněčné přepážky ustavena

prostřednictvím preprofázového svazku mikrotubulů

Polarita buňky a rostliny – dána směrovaným buněčným dělením a směrovaným buněčným růstem

...d ů ležitá role cytoskeletu!

(8)

Růst a vývoj rostlin

(9)

Růst a vývoj rostlin

Během růstu buněk:

komponenty buněčné stěny ukládány s určitou orientací

pohyb sekrečních váčků - aktinový a mikrotubulární cytoskelet

Ukládání celulózových mikrofibril:

v interakci s cytoskeletem v kortikální cytoplazmě

(10)

dlouživý růst buněk

zvětšuje se

plocha buněčné stěny plocha plazmalemy

objem vakuoly a plocha tonoplastu

bez turgoru buňka neroste význam K⁺

H₂O

syntéza celulózy

hemicelulóz a pektinů lipidů

proteinů

(11)

Golgiho aparát

syntéza celulózy

(12)

Základní aspekt morfogeneze

Kontrola roviny buněčného dělení ve vztahu v povrchu rostlinného těla

Uvnit ř orgánu

Vn ě orgánu

Povrch orgánu

Orientace bun ěč ného d ě lení, bun ěč né vrstvy a morfogeneze

Wolpert (1998) Principles of Development Bowman (2001)

kolmý na povrch rovnoběžný s povrchem

Převzato z přenášky D. Honyse, B130P14: Fyziologie rostlin.

(13)

Primární apikální meristémy

„Věčné“ trvání embryonálního charakteru meristému

Část buněk nenastoupí cestu diferenciace, ale zachovává si dělivou schopnost po celou dobu existence vegetativního

meristému

iniciály / Kmenové buňky Nediferencované buňky:

Po rozdělení si jedna dceřinná buňka zachová charakter iniciály (kmenové buňky) a druhá nastoupí diferenciační dráhu (může po několika dalších děleních)

Meristémy

Populace malých isodiametrických buněk

Převzato z přenášky D. Honyse, B130P14: Fyziologie rostlin, upraveno

toitipotence iniciály x pluripotence kmnové buňky ☺

(14)

Primordia laterálních kořenů vznikají periklinálním dělením

pericyklu

P ř ísná kontrola orientace bun ěč ného d ě lení b ě hem

morfogeneze

Iniciace laterálních ko ř en ů

(15)

Mezibun ná komunikace

Chemické signály Fytohormony

(Auxin)

Fyzické propojení buněk Plasmodesmy

Syncytium

www.molecularexpression s.com

www.ualr.e du/botany/

(16)

totipotence rostlinných buněk

podmínky – úplná genetická výbava – aparát schopný ji realizovat

regenerace rostlin – restituce (náhrada v ráně – neobvyklé)

Gottlieb Haberlandt (1854 – 1945)

• 1902 Hypotéza Totipotence rostlinných bun ě k

somatická embrya

(17)

Regenerace rostlin z izolovaných somatických bun ě k

Totipotence rostlinných bun ě k

V ě tšina rostlinných bun ě k není termináln ě diferencovaných

Wolpert (1998) Principles of Development

Rostliny jsou přisedlé organizmy →→→→ vysoká schopnost regenerace doplňování a nahrazování ztracených částí těla

(18)

Buněčný cyklus – sekvence pravidelně se opakujících událostí fáze G1, S, G2, M, G0

kontrolní body G1/S, G2/M

Buněčný cyklus u rostlin

interfáze

dělení růst buňky zvýšení počtu

organel a ribozomů vstup do G₀ nebo

příprava na fázi S

2C

replikace DNA syntéza

strukturních proteinů jádra

2C 2C

(19)

Buněčný cyklus u rostlin regulace bun ěč ného cyklu

cykliny cykliny: :

vazba na základní katalytickou jednotku a vyskytují se jen v bu ň kách, které se aktivn ě d ě lí

mitotické: A, B;

G1 fáze: D

CKD – CKD –

cyklin dependentnícyklin dependentní kinkinázyázy

: kinázy : ř ízené regula č ními proteiny- CYKLINY

aktivní komplex CDK-cyklin

fosforylace dalších proteinů

= reorganizace cytoskeletu a endomembránového

systému v příslušné fázi cyklu

např. při vstupu do M: fosforylace

(inaktivace, destrukce) histonůH1 a laminů

= kondenzace chromatinu a rozpad jaderné membrány

(20)

Buněčný cyklus u rostlin regulace bun ěč ného cyklu

CKD – CKD – cyklin dependentní cyklin dependentn í kiná kin ázy zy

kinázy ř ízené regula č ními proteiny - cykliny

další regulace CDK:

fosforylace / defosforylace specifickými kinázami / fosfatázami:

v G1 fázi je CDK fosforylována v pozici Tyr 15 nebo Thr 14 (i obou) Se vstupem do S-fáze je CDK fosforylována v pozici Thr 160

fosforylace dalších proteinů

= reorganizace cytoskeletu a endomembránového systému v příslušné fázi cyklu

(21)

Buněčný cyklus u rostlin

regulace bun ěč ného cyklu

Degradace cyklinů specifických pro jednotlivé fáze buněčného cyklu je pod kontrolou proteolytického aparátu

(komplex ubikvitin ligázy SCF)

..cykliny určené k degradaci – označeny ubiquitinem

Převzato z Buchanan et al 2000

(22)

Endoreduplikace Endoreduplikace

Buněčný cyklus u rostlin

Převzato z Buchanan et al 2000

-zmnožení jaderné DNA bez následné cytokineze

-diferenciace v G2 fázi (místo G1)

-v pr ů b ě hu vývoje rostlin vyšší

č ím je orgán starší

(23)

Co víme po více než sto letech?

Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr 2010 Katedra fyziologie rostlin, UK PřF,Jan Petrášek

O typech signál ů , které rostlina p ř ijímá ?

O mechanizmech jejich

zpracování ?

(24)

p ř isedlé organizmy → → → → nutnost reagovat na okolí

mnohobun ěč né organizmy → → → → koordinace vnit ř ních proces ů

potřeba získávat informace z vnějšího i vnitřního prostředí

signály: fyzikální (světlo, změny vektorového rozložení mechanických tlaků v pletivech, změny teploty )

chemické (fytohormony, cukry, gradienty iontů, patogeny... )

rostliny – p ř íjem a p ř enos signál ů

V ě tšina signál ů zp ů sobuje zm ě ny genové exprese

RECEPTORY – obvykle bílkovinného chrakteru

- umístěny na membránách (plasmalemě,

membránách organel, i v cytoplazmě) SENSORY - bílkoviny (např. hexokinasa) či bílkovinné komplexy

-vnímají jako signál změnu průtoku signální molekuly (např. cukru) -metabolické enzymy, membránové přenašeče

P Ř ÍJEM SIGNÁLU

(25)

rostliny – p íjem a p enos signál

vyhodnocení informace = reakce na signál

zm ě ny genové exprese

zm ě ny v organizaci a aktivitách cytoplasmy

obecné schéma příjmu a přenosu signálu

„SLOŽKY PŘENOSU signálu“

fyziologický signál nebo s. z vnějšího prostředí

signální dráha

odpověď exprese genů, uspořádání cytoskeletu, enzym. aktivita kinázy, vápník, lipidy, pH

receptorová kináza, receptor spjatý s G-proteinem

vnější: světlo, teplota, dotek fyziologický: fytohormony, živiny

(26)

P ř enos signálu v rostlinách

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

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

Reakce rostliny spo

Reakce rostliny spoččívíváá v:v:

1) zesílení signálu 2) jeho přenosu

3) změnách růstu a metabolismu

(27)

Přenos signálu:

zachycení receptorem, aktivace druhých poslů vyvolání odpovědi

buňky

P enos signálu v rostlinách

převzato od J. Petráška

(28)

Signál – míra informace v čase či prostoru

P ř enos signálu v rostlinách

Reakce rostliny na signál je závislá na:

• vývojovém stavu

• p ř edchozích vlivech prost ř edí

• vnit ř ních biologických hodinách, které specifikují č as v rámci roku a dne

!! D!! Důůležležitost itost ččasovasovánáníí odpovodpověědi na signdi na signál ál

příkladu klíčení semene - pokud je špatně načasováno, nelze zvrátit

Zea mays, mutace v prekurzoru ABA klíčící semena na mateřské rostlině

(29)

kooperace mezi dv ě ma č i více druhy signál ů

•u rostlin např. známa v případě signalizace červeným a modrým světlem

• vnímání gravitace a světla

•světla a dostupnosti nitrátů

•kooperace růstových regulátorů (fytohormonů)

•různých minerálních látek

Existence společných mechanismů pro více signálních drah

Kone č ná reakce rostliny (resp. bu ň ky) bývá

projevem integrace r ů zných signálních informací

P enos signálu v rostlinách

(30)

P ř íjem signálu v rostlinách - receptory

1) pomocí receptorů v plazmatické membráně / cytosolu / jádře / ER

Taiz and Zeiger 2010

(31)

Fig. 18.13.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecualr Biology of Plants, 2000

2) vlastní změnou

membránového potenciálu, která otevírá iontové kanály

P íjem signálu v rostlinách - receptory

(32)

složité vztahy na úrovních:

• druhých poslů

• metabolických reakcí

• přestavby podpůrných struktur

• cytoskeletu

• membránového systému

Fig. 18.71.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000

Úrovn ě signalizace v rostlinném t ě le

Komplexita regulace signálních drah:

(33)

C –C – receptor váreceptor vázanzanýý na iontovýna iontový kanákanáll

Receptory v plazmatické membráně jsou u rostlin pravděpodobně analogické živočišným receptorům (ale důkazy pro všechny typy nejsou prozatím úplné)

P íjem signálu v rostlinách - receptory

A –A – receptor váreceptor vázanzanýý na trimerickýna trimerický G proteinG protein B -B - receptor váreceptor vázanzanýý na enzymna enzym

SIGNSIGNÁLNÁLNÍÍ DRÁDRÁHA:HA:

Sled reakcí, které vedou od receptoru aktivovaného signálem k buněčné reakci

(34)

P ř ehled d ů ležitých signálních drah u rostlin

Fosfatidyl inositolov

Fosfatidyl inositolový ý signá sign áln lní í systé syst ém m

Fosfolip

Fosfolipáza Cáza C

•enzym vázaný na plasmalemu

•často aktivována G-proteinem

štěpení fosfatidylinositol 4,5 bisfosfátu (PIP2) inositol 1,4,5 trisfosfát (IP3)

diacyl glycerol (DAG)

IP3 a DAG fungují jako

druzí poslové

(35)

P ehled d ležitých signálních drah u rostlin

Fosfatidyl inositolov

Fosfatidyl inositolový ý signá sign áln lní í systé syst ém m

IP₃aktivuje Ca²⁺ kanály v

membránách endoplazmatického retikula

výsledný signál je zprostředkován přes kalmodulin-dependentní protein kinázy

DAG zůstává vázaný na membránu může aktivovat proteinkinázu C (PKC) mění její citlivost k Ca²⁺

(PKC působí v mnoha signálních

drahách spojených s dělením a růstem buněk)

(36)

Protein kinázové kaskády

nejrozšířenějším způsobem regulace genové exprese

MAPK - protein kinázy aktivující mitogeny

= transkripční faktory

Ca²⁺/ kalmodulinové kinázy

po reakci s Ca²⁺/ kalmodulinem aktivují TF

návazné fosforylace slouží k zesílení signálu a případné další regulaci

Výsledkem kinázové kaskády je aktivace transkripčních faktorů (TF) v

cytoplazmě či přímo v jádře.

P ř ehled d ů ležitých signálních drah u rostlin

(37)

Ř ízená proteolýza signálních molekul, nap ř . transkrip č ních faktor ů .

Protein určený k degradaci je označen ubiquitinem ve třech následných krocích:

P ehled d ležitých signálních drah u rostlin

2) konjugační enzym E2 ho dále napojí na komplex ubiquitin ligázy E3

1) Aktivační enzym E1 za spotřeby ATP aktivuje ubiquitin

3) na komplexu E3 je již vázán protein určený k degradaci a dochází k vazbě ubiquitinu

Degradace proteinů následně probíhá v proteasomu

ubiquitin – 76 AMK protein, vysoce konzervovaný ☺

(38)

N ě které receptory fytohormon ů jsou sou č ástí ubiquitinové proteolytické dráhy (p ř . auxin, giberelin, k. jasmonová)

P ř ehled d ů ležitých signálních drah u rostlin

v jádře:

část vazebného místa IAA

komplex E3 ligázy

komplex E3 ligázy a AUX/IAA represoru - ubiquitinace

!přenos signálu v rostlinách často představuje

INAKTIVACI REPRESORŮ

„negativní“ regulace se ukázala podle mat. modelů jako rychlejší

x živočichové spíš „pozitivní“

(aktivační) signální dráhy

AUX/IAA represor degradace 26s proteasomem

(39)

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

Pr ez en tac e n a p říšt ě .... .

(40)

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

FYTOHORMONY

(41)

Fytohormony

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

ZZáákladnkladníích 6 skupin ch 6 skupin

- auxiny - cytokininy - gibereliny

- kyselina abscisová - etylén

- brasinosteroidy

DalšíDalší lálátky s rtky s růůstovstověě-regula-regulaččníní funkcífunkcí:: - polyaminy

- kyselina jasmonová - kyselina salicylová - fenolické látky

- peptidové hormony - deriváty karotenoidů

(strigolaktony)

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

Signální molekuly s růstově regulační funkcí

(42)

Signální molekuly v podobě organických nízkomolekulárních látek Přítomné v nízkých koncentracích (10^-6 až 10^-9M)

Při vyvolání růstové či vývojové odpovědi se samy chemicky nemění

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

Podrobněji o fytohormonech pojednává semestrální přednáška KEBR PřFUK Fytohormony B130P15

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

Fytohormony

Působí v místě svého vzniku nebo i v jiných částech rostliny -transport!

(43)

Analogie živo išných a rostlinných hormon 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 (různorodé) účinky (mohou vyvolávat kvalitativně rozdílné účinky v různých pletivech, ale v závislosti na koncentraci i ve stejném pletivu)

- koncentrační rozmezí širší mezi 10^-6 až 10^-9M

(44)

Syntetické látky s r ů stov ě -regula č ní funkcí

chemicky p ř ipravené látky se strukturou podobnou fytohormon ů m -váží se na receptory pro fytohormony

-vyvolávají r ů stovou odpov ěď rostliny

-mohou mít spole č ný mechanismus

-mohou narušovat transport konkrétního hormonu

- č asto stabiln ě jší, lépe aplikovatelné použití v zahradnictví, agronomii

PREZENTACE

Commercial Uses of Gibberellins prezentace

http://5e.plantphys.net/article.php?ch=t&id=372

(45)

...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

Buňka

Kalus, buněčná kultura

Protoplast

Protoplastová kultura

Buňka

Organogeneze, embryogeneze

Rostlina

Nároky na fytohormony

(46)

Nejdéle známé fytohormony

Darwin 1880, Paal 1919, Went 1928 – v pokusech s koleoptilí ovsa prokázali existenci účinné látky (izolace z fermentační směsi) podporující prodlužování buněk (auxein=růst)

Kögl (Holandsko) 1933 –izoloval tuto látku z lidské moči a následně identifikoval jako kyselinu indolyl-3-octovou (IAA)

teprve 1946 potvrzena ve vyšších rostlinách

Auxiny – historie objevu

kyselina indolyl-3-octová

(47)

Auxiny – historie objevu

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

(48)

IAA IBA 4-Cl-IAA

PAA 2,4-D NAA

Auxiny - chemické struktura

Kyselina 1-naftyloctová Kyselina 2,4-dichlorfenoxyoctová

Kyselina fenyloctová

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

endogenní auxiny

syntetické auxiny

(49)

1) Biosyntéza vycházející z L- tryptofanu:

Biosyntéza hlavně v mladých apikálních pletivech a rychle se dělících buňkách

tj. meristémech, embryu, vyvíjejících se plodech

Auxiny - biosyntéza

2) Biosyntéza nezávislá na L- tryptofanu:

- Prekurzorem indol či indolylglycerol-fosfát

Taiz and Zeiger 2002

(50)

Konjugace IAA: - kovalentní vazba nízkomolekulárních látek - je reverzibilní

- konjugované formy IAA jsou neaktivní (mohou se hromadit) - funguje jako rychlý regulační mechanismus

- glukosylestery, myoinositol estery, konjugáty s aminokyselinami (aspartát)

Funkce konjugátů: - zásobní pool auxinu (klíčící semene), až 50-90%

celkového obsahu IAA

- možné rychlé uvolnění aktivní formy (rychlejší než syntéza) - detoxifikační

- transportní

- ochrana před degradací

Auxiny - metabolismus

(51)

- Disociace molekul IAA vyšší v cytosolu (vyšší pH oproti apoplastu)

-IAA^- je zachytávána v cytoplasmě v tzv.

aniontové pasti,

Chemiosmotická teorie transportu auxinu z buňky do buňky:

Polarita toku je dána polárním umíst ě ním p ř enaše čů

Polární transport auxin – regula ní funkce

Odlišná prostupnost IAA a IAA^-přes plazmatickou membránu

IAA může procházet membránou IAA- potřeba přenašeče

(52)

(53)

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 auxin – regula ní funkce

(54)

Polární transport auxin ů – p ř enaše č e auxinu

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

AUX1/LAX

– rodina transmembránových protein ů , podobné

aminokyselinovým permeázám přenašeče auxinu do buňky

přenašeče auxinu z buňky

PIN - rodina protein ů PIN1 - PIN8 (Arabidopsis)

ABC p ř enaše č e – (ATP binding casette)

lokalizace PIN1 proteinu na bazální straně buněk

pin1 mutant Arabidopsis

převzato z Taiz and Zeiger 2002

(55)

P enaše ové molekuly podléhají konstitutivnímu cyklování

Přenašečové molekuly cyklují mezi plasmatickou membránou a

endomembránovým systémem:

- regulace inhibitory transportu auxinu (PBA, TIBA)

- regulace samotnými auxiny

(56)

Auxinem stimulovaná aktivace H⁺-ATPázy:

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

Auxiny – mechanismus ú č inku

(57)

Stimulace prodlužovacího růstu – segmenty koleoptilí ovsa

Auxiny – fyziologické ú inky

H₂O IAA

(58)

Auxiny – fyziologické ú č inky

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

Regulace tropismů - pozitivní gravitropismus kořene - negativní gravitropismus stonku

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

(59)

Auxiny – fyziologické ú inky

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

Regulace tropismů - pozitivní gravitropismus kořene - negativní gravitropismus stonku

stonek

pupen kořen

pleiotropní (různorodé) účinky auxinu

odlišná citlivost a odpov ěď k auxinu

(60)

Auxiny – fyziologické ú č inky

Regulace tropismů – fototropismus stonku:

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

- zřejmě souvisí se signalizací prostřednictvím fosforylace receptoru modrého světla

fototropinu

DR5::GUS světlo

(61)

(62)

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

Auxiny – fyziologické ú č inky

boční (axilární) pupeny

odstranění apikálního meristému

uvolňuje inhibici růstu bočních pupenů

(63)

Auxiny – fyziologické ú inky

Regulace embryogeneze, zakládání laterálních orgánů

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

(64)

Podpora tvorby hlíz či plodů, stimulace zakořeňování

Auxiny – fyziologické ú č inky

Callis 2005, Nature 435, 436-437 normální plod

zbytnělé receptákulum

nažka

odstranění nažek

po odstranění nažek, stříkáno auxinem

r ů st receptákula je stimulován

auxinem produkovaným v nažkách

(65)

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

(66)

Sakakibara, Annu Rev Plant Biol 2006.57, 431

Cytokininy – chemická struktura

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

(67)

Cytokininy – biosyntéza

převzato od J. Petráška (IPT)

probíhá hlavně v kořenech, embryích, mladých listech a plodech, všude

tam, kde se buňky dělí

-signalizace na krátkou i dlouho vzdálenost

-transport xylémem

rostliny

agrobakterium

Vychází z isopentenyl pyrofosfátu (= AMAPP dimetylalyl difosfát) +

adenosin fosfátu – ATP / ADP (AMP)

(68)

PREZENTACE Vývoj tumoru

a role etylénu při jeho morfogenezi

http://5e.plantphys.net/article.php?ch=e&id=273

(69)

Stimulace buněčného dělení v explantátových kulturách

Poměr hladin auxinu (A) a cytokininu (CK) určující pro organogenezi:

-vyrovnaný poměr – kalus

Převaha auxinu Převaha cytokininu

Cytokininy – fyziologické ú inky

model organogeneze in vitro Skoog a Miller 1957

(70)

Stimulace buněčného dělení v meristémech, narušení apikální dominance.

Rostlina tabáku exprimující ipt gen z agrobakteria – zvýšení syntézy cytokininů

- účinek podobný exogenní aplikaci:

• narušena apikální dominance aktivita laterálních meristémů

Cytokininy – fyziologické ú č inky

intaktní apex

Odstranění apexu apikální

meristém

úžlabní pupen

IPT – izopentenyl transferáza (CK biosyntéza) CKX – cytokinin oxidáza (CK degradace)

prorůstání úžlab.

pupenu

auxin – inhibice IPT

(71)

Zpomalení stárnutí – rostliny tabáku exprimující gen ipt pod kontrolou

promotoru indukovaného senescencí jsou

„nesmrtelné“.

Cytokininy stimulují tvorbu chlorofylu.

Cytokininy – fyziologické ú inky

ovlivn ě ní vývoje chloroplast ů Za tmy:

etioplasty

(prolamelární těleso)

ošetřeno cytokininy – vývoj thylakoidů

Chory et al. 1994, courtesy of J. Chory, © American Society

of Plant Biologists Taiz and Zeiger 2002

(72)

Cytokininy – fyziologické ú č inky

cytokininy podporují redistribuci živin a asimilát ů v rostlin ě -m ě ní vztahy zdroj / sink

-podílejí se (spolu s auxinem) na pom ě ru vývoje ko ř en ů / prýtu -též v závislosti na obsahu živin v daném orgánu

kontrola

(ošetřeno vodou)

50mM kinetinc

50mM kinetin

radioaktivně¹⁴C značená aminokyselina

neošetřeno neošetřeno neošetřeno

(73)

Cytokininy – fyziologické ú inky

Corynebacterium fascians - aktinomyceta Agrobacterium tumefaciens.

• regula č ní funkce fytohormon ů m ů že být „zneužita“ i

pateogenními organismy (bakterie, hmyz, nematoda)

• produkce vlastních cytokinin ů nebo stimulace jejich produkce samotnou rostlinou

prolomení dormace pupenů – „čarověníky“

kořenové tumory - Agrobacterium

(74)

Dělení podle počtu atomů uhlíku na gibereliny C₁₉ a C₂₀, řazení dle čísel podle posloupnosti objevů.

Gibereliny – historie objevu a chemická struktura

30. léta 20. století Kurosawa – Japonsko, choroba rýže vyvolaná houbou Gibberella fujikuroi (Fusarium moniliforme – v imperfektním stadiu), vyvolává dlouživý růst a následné poléhání rostlin

50. léta 20. století – kyselina giberelová (GA₃) identifikována v extraktu z houby a následně nalezena též ve vyšších rostlinách

Dnes známo okolo 130 různých forem giberelinů

Jsou to tetracyklické diterpeny, slabé organické kyseliny, základem tetracyklický ent-giberelanový skelet

(75)

Gibereliny – historie objevu a chemická struktura

První objevené a současně nejaktivnější jsou gibereliny G₁₉ - GA₁, GA₃, GA₄ a GA₇.

Aktivita ovlivněna přítomností karboxylových skupin v poloze 7 a 19 a přítomností hydroxylových skupin.

(76)

Gibereliny – biosyntéza a metabolismus

Fáze 1 v plastidech:

Až po ent-kauren.

Taiz, Zeiger, Plant Physiology online

Fáze 2 v ER:

Od ent-kaurenu až po aldehyd GA₁₂.

Fáze 3 v cytoplazmě:

Vzájemné přeměny a inaktivace giberelinů. Jsou pod vývojovou kontrolou (světlo, teplota) Inaktivace nejčastěji hydroxylací v poloze 2. či reverzibilní konjugací s cukry.

(77)

(78)

Stimulace prodlužovacího růstu stonku

– spojena s okyselením buněčné stěny a aktivitou hydroláz - též podpořeno buněčné dělení v meristémech.

Gibereliny – fyziologické ú č inky

GA₃ Kontrola

Elongace stonku u trpasličího semenáčku hrachu po aplikaci GA₃ Elongace listové pochvy u zakrslých

semenáčků rýže po aplikaci GA₃

Kontrola 100 pg GA₃ 1 ng GA₃

Figs. 17.5., 17.7.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000 převzato od J. Petráška

(79)

Stimulace prodlužovacího růstu stonku

Gibereliny – fyziologické ú inky

Paclobutrazol

inhibitor syntézy GA

Kontrola

Aplikace inhibitorů cytochrom P450 monooxygenáz sníží množství giberelinů v rostlině a způsobí cílenou zakrslost, praktické využití v zemědělství

Poinssetia

netransformovaná

rostlina transrormace cDNA pro giberelin-2-oxidázu

(degradace GA₁)

(80)

Stimulace kvetení – navození kvetení v jinak neinduktivních podmínkách:

Gibereliny jsou nezbytné při stimulaci kvetení u mrkve požadující tzv. jarovizaci.

Chlad indukuje tvorbu giberelinů.

-GA, bez chladu +GA, bez chladu -GA, v chladu

Pro indukci kvetení existují 4 vzájemně propojené dráhy indukované těmito 4 stimuly:

Fotoperioda – přes FT protein

_Počet listů a nízká teplota

_Sacharóza

_Gibereliny

Gibereliny – fyziologické ú č inky

exogenní dodání giberelinu umožní „obejít“ jarovizaci

(81)

Gibereliny – fyziologické ú inky

gibereliny regulují p ř echod z juvenilní do dosp ě lé fáze

jehli č nany – dlouhá juvenilní fáze (20let)

aplikace GA4/GA7

14 týdenní sekvoj aplikace GA4/GA7

(82)

Gibereliny – fyziologické ú č inky

Stimulace klíčení semene

•gibereliny nahromaděny v embryu vyvíjejícího se semene

•na počátku klíčení se transportují do aleuronové vrstvy buněk

•stimulace exprese enzymu α-amylázy hydrolyzující škrob

•vzniklé cukry poté stimulují prodlužování buněk hypokotylu klíčícího embrya

(83)

Kyselina abscisová – historie objevu a chemická struktura

60. léta 20. století – látka identifikována nezávisle při studiu dormance u javoru jako dormin (navozující dormanci)

současně při studiu opadu mladých plodů bavlny jako abscisin (navozující opad) (dnes je úloha při opadu přisuzována etylénu, ne ABA)

Kyselina abscisová je seskviterpen, přirozeně se vyskytuje v podobě několika isomerů, aktivní je pouze (S)-ABA.

(84)

Kyselina abscisová - biosyntéza a metabolismus

Biosyntéza z karotenoidu violaxantinu (C40)

Tvorba:

• v dormantních orgánech (pupeny, semena hlízy)

•v rychle rostoucích pletivech

•Transport floémem i xylémem.

•Obsah stoupá při nedostatku vody, zasolení, chladu či poranění.

•ABA představuje hormon odpovědi na stres

Konjugace ABA s glukózou – inaktivace ve vakuole

(85)

Regulace vodního hospodářství snížením transpirace při nedostatku vody.

Při nedostatku vody stoupá biosyntéza ABA v kořenech transport xylémem do nadzemní části

svěracích buňkách průduchů dochází ke zvýšení výtoku iontů K⁺ a uzavření průduchů

Kyselina abscisová – fyziologické ú inky

Commelina communis, pokožkové buňky s průduchy

Kontrola ABA

Fig. 17.23.: Buchanan et al., Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 2000 převzato od J. Petráška

(86)

ABA signalizace p ř i odpov ě di na vodní stres Kyselina abscisová – fyziologické ú č inky

koncentrace ABA ve xylému se p ř i vodním stresu m ě ní

až ze 10nM to 3000nM

(87)

Regulace vodního hospodářství snížením transpirace při nedostatku vody.

ABA aktivuje Ca²⁺ kanály v plazmatické membráně

_{vzestup Ca}²⁺ _otevře další Ca²⁺ kanály na tonoplastu a indukuje aktivitu aniontových kanálů (Cl^-) transportujících anionty do apoplastu

výsledná depolarizace membrány podpoří aktivitu kanálů transportujících K⁺ ionty ven z buňky.

Zmenšující se obsah iontů v buňce vede ke ztrátě vody a uzavírání průduchu

Kyselina abscisová – fyziologické ú inky

Julian Schroeder et al.

(88)

Kyselina abscisová – fyziologické ú č inky

Regulace embryogeneze a zrání semen

Hromadění ABA předchází vlastní dehydrataci semena Indukce proteinů LEA (late embryogenesis abundant)

- mají roli v odolnosti proti desikaci

- současně ABA stimuluje produkci zásobních proteinů v semeni

V semenech vysoká hladina ABA brání klíčení, které nastane až po snížení její hladiny.

Mutantní rostliny s poruchou biosyntézy ABA mají narušenou dormanci a projevují viviparii semen – semena klíčí ještě na mateřské

rostlině.

Zea mays, mutace v prekurzoru ABA

Indukce dormance semen a pupen ů , inhibice klí č ení

- hromadění ABA v dormantních orgánech

(89)

Kyselina abscisová – fyziologické ú inky

Zvýšení odolnosti proti suchu, zasolení, chladu či poškození

ABA působí na expresi hydrofilních, termostabilních proteinů ochraňujících strukturu biomembrán.

Stimulace tvorby laterálních kořenů – reakce na nedostatek vody.

Inhibice prodlužovacího růstu a urychlení stárnutí.

(90)

Etylén – historie objevu a chemická struktura

1901 – Dimitrij Neljubov, popsal aktivní složku svítiplynu:

etylén, která indukovala v blízkosti plynových lamp opad listů

30. léta 20. století – důkaz tvorby ethylenu rostlinami, v té době již využíván na defoliaci a dozrávání plodů

Jediný plynný fytohormon

Nejjednodušší uhlovodík H₂C=CH₂

(91)

Biosyntéza ACC je regulována dalšími fytohormony

•auxiny, cytokininy, brasinosteroidy

•též stresovým působením

Etylén - biosyntéza a metabolismus

Produkce etylénu téměř všemi částmi rostlin, nejvíce v rostoucích částech

Největší produkce během zrání, stárnutí a opadu plodů a květů a při stresu.

Biosyntéza z L-methioninu přes S-adenosylmethionin (SAM) a kyselinu 1-aminocyklopropan-1- karboxylovou (ACC)

Oxidací ACC vzniká etylén.

(92)

Etylén – fyziologické ú č inky

Trojná odezva v reakci na aplikaci etylénu:

- inhibice dloužení

- stimulace radiálního růstu (reorganizace mikrotubulů potažmo celulóz. mikrofibril) - uzavírání háčku hypokotylu

- ztráta gravitropismu

Semenáčky hrachu

kontrola + etylén

vzduch etylén

semenáčky salátu

stimulace tvorby kořenového vlášení

(93)

Etylén – fyziologické ú inky

Stimulace dozrávání plodů –aktivace hydrolytických enzymů

Rajče nesoucí antisense- ACC-oxidázu

ihnibice syntézy etylenu

wt

(94)

Etylén – fyziologické ú č inky

Stimulace dozrávání plodů –aktivace hydrolytických enzymů

u některých druhů: jablka, rajčata, hrušky, banány, avokádo, fíky, mango, broskve - zvýšená intenzita tzv. klimakterického dýchání

Taiz and Zeiger, 2002

zpětná vazba – autokatalyticky stimulovaná syntéza etylénu

(95)

Etylén – fyziologické ú inky

Stimulace opadu listů – u stárnoucích listů s poklesem hladiny auxinu dochází ke zvýšené tvorbě etylénu v opadové zóně

...ale supraoptimální dávky auxinu stimulují produkci etylénu

„Agent Orange“ defoliant na bázi auxinu použitý ve vietnamské válce bříza

WT

transformant necitlivý k etyléu

(96)

Brasinosteroidy – historie objevu a chemická struktura

Dnes popsáno více než 40 příbuzných látek

1979 – první rostlinný steroidní regulátor brassinolid (BR) izolován z pylu řepky (z 227 kg pylu – 4mg brassinolidu)

1982 – kastasteron izolován z kaštanu

Jsou to rostlinné steroidní látky, přítomné ve velmi nízkých koncentracích 10^-8-10^-11M

(97)

Brasinosteroidy – biosyntéza a metabolismus

Vychází z izopentenyldifosfátu,

První biologicky aktivní je kampesterol

Nejsou transportovány na

dlouhé vzdálenosti, biosyntéza hlavně v nadzemní části

(98)

Brasinosteroidy – fyziologické ú č inky

Stimulace dlouživého růstu např. odklonění čepele listu rýže (lamina inclination test)

dané zvětšováním buněk na adaxiální straně

Kontrola před testem Aplikace BR

(99)

Brasinosteroidy – fyziologické ú inky

Stimulace dlouživého růstu – mutanty s postiženou biosyntézou brassinolidu jsou zakrslé

wt det2 dim

většinou účinkují nedaleko místa syntézy externě dodané transportovány xylémem

– transpiračním proudem z listů transport ojedinělý

zakrslý vzrůst je dán nejen menší

velikostí ale i menším počtem buněk listu

stimulace buněčného růstu: indukce enzymů rozvolňujících b.s.

stimulace příjmu vody akvaporiny

stimulace růstu pylové láčky

interakce s etylénem – podporují jeho produkci zvyšují odolnost proti suchu a nízkým teplotám

(100)

Brasinosteroidy – fyziologické ú č inky

kontrola dlouživého růstu

záleží na uspořádání mikrotubulů (a celulózových mikrofibril)

huseníček:

wild type

mikrotubuly zeleně

BR deficientní mutant

-BR +BR exogenně

(101)

Polyaminy

Studovány u eukaryotních organismů již přes 50 let, v rostlinách nejčastěji putrescin

putrescin,, sperminspermin aa spermidinspermidin..

Biosyntéza

1.aminokyselin argininu a ornitinu

2.S-adenozylmethioninu (SAM) jeho dekarboxylací SAM

dekarboxylázou.

Nejvíce se vyskytují v meristémech.

Stimulace klíčení, růstu kalusu, somatické embryogeneze atd.

Díky polykationtovému charakteru se váží na DNA, ovlivňují její konformaci a regulují genovou expresi

Kusano et al. 2008, Planta

(102)

Polyaminy

Zablokování exprese SAM dekarboxylázy (narušení biosyntézy)

– pleiotropní účinky u rostlin bramboru: malý vzrůst, malé listy, předčasná senescence.

wt

Antisense SAM

v rostlinách se nacházejí ve vyšších koncentracích než „základní“ fytohormony je třeba i vyšších koncentrací (mmol) pro vyvolání odezvy

(103)

Kyselina jasmonová (jasmínová)

Poprvé u rostlin izolována z esenciálních olejů Jasminum grandiflorum

Kyselina jasmonová (Ja) Methylester Ja (MeJa) Biosyntéza z kyseliny linolenové

hladina Ja stoupá při stresových reakcích po poranění či napadení patogenem

Stimulace genů pro inhibitory proteáz produkovaných patogeny.

(104)

Kyselina salicylová

Kyselina salicylová (SA) byla jako aktivní látka izolována již v 19 století z vrbové kůry, její hlavní využití je v medicíně jako analgetikum (aspirin).

U rostlin je účinek SA především spojen s ochranou před patogeny,

SA indukuje tvorbu proteinů (pathogenesis-related) zvyšujících rezistenci k virovému, houbovému či bakteriálnímu napadení

SA se účastní na hypersensitivní reakci (nekrozy napadených listů) a systemické rezistenci vůči patogenům

indukce termogenního procesu v květech Sauromatum guttatum

(105)

Fenolické látky

Velmi široká skupina sekundárních metabolitů – růstově regulační funkci mají jen některé.

Účastní se např. při inhibici dlouživého růstu (kyselina skořicová) či při zprostředkování infekce půdními bakteriemi (Agrobacterium tumefaciens) u dvouděložných (syringon, acetosyringon).

(106)

Peptidové hormony

Příkladem peptidového hormonu (faktoru) je systemin (18 AMK) role při odpovědi na poranění patogenem

transportován floémem do míst, kde ještě poranění není

spouští syntézu JA, která vyvolá tvorbu ochranných inhibitorů proteáz

(107)

Strigolaktony – terpenoidní látky odvozené od karoteonidů

Inhibují větvení stonku rostlin

Transportovány z kořenů do

nadzemních částí

wt Biosyntetický mutant

Hrách setý

Umehara et al., Gomez-Roldan et al., Nature 455, 2008

Stimulují klíčení parazitických rostlin (Striga –tropická fotosyntetizující, zárazy - nezelené)

Stimulují prorůstání mykorhizních hub – signál pro jejich větvení

Orobanche vulgaris

Striga

Strigolaktony

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1360138509001423

(108)

Auxiny-cytokininy

Stimulace buněčného dělení v explantátových kulturách

Poměr hladin auxinu (A) a cytokininu (CK) určující pro organogenezi:

-převaha A – kořeny

-vyrovnaný poměr – kalus,

-převaha CK – diferenciace prýtu

Interakce hormonálních signál ů - p ř íklady

(109)

Auxiny-cytokininy – vývoj laterálních orgánů (postranních kořenů, listů, květů) je pod stálou kontrolou více hormonálních faktorů

- zřejmě se účastní i strigolaktony

- jsou transportovány vzhůru a jejich účinek je nadřazen auxinovému a cytokininovému účinku

Interakce hormonálních signál -p íklady

Leyser, Plant Cell Environment, 2009 převzato od J. Petráška

(110)

Interakce hormonálních signál ů - p ř íklady

ABA-Gibereliny

– alfa amyláza blokována ABA, - stimulována GA

Dodání ABA působí inhibičně na celý proces indukce klíčení giberelinem:

•na transkripci a syntézu α-amylázy

•na její sekreci z aleuronových buněk do endospermu

Působení GA je v přímém protikladu

– stimuluje α-amylázy a následné rozvolnění endospermu pomocí hydroláz

http://www.seedbiology.de/weakening.asp

(111)