Czynniki zewnętrzne wpływające na wzrost roślin:

• światło

• temperatura

• woda

• makro- i mikroelementy

Woda: dostępność wody i uwodnienie tkanek ma duże znaczenie, szybko ogranicza wzrost.

• ważna dla przemian metabolicznych

• decyduje o sile rozciągającej ściany

• odpowiada za wzrost ilościowy - nieodwracalne zmiany objętości; przyrosty suchej masy są znacznie mniejsze

Temperatura:

• zbyt wysoka powoduje zachwianie gospodarki wodnej na skutek podsychania (wyparowywania z roślin)

• reguluje wzrost z uwagi na zależność aktywności enzymatycznej od temperatury - są 3 punkty kardynalne (minimum, optimum, maksimum); zgodnie z regułą van't Hoffa wzrost temp. o 10°C pomiędzy minimum a optimum powoduje dwukrotny wzrost tempa procesu; wzrost temperatury powyżej optimum hamuje proces

• optimum harmonijnego wzrostu jest nieco niższe od optymalnej temperatury bezwzględnej dla wzrostu (optimum harmonijne dotyczy równomiernego, zrównoważonego wzrostu wszystkich części rośliny - wrażliwość tkanek jest różna)

Światło:

• działa pośrednio poprzez fotosyntezę

• hamuje wzrost elongacyjny (rośliny etiolowane są bardzo wydłużone)

• stymulacja wzrostu blaszki liściowej (etiolowane mają blaszki zredukowane)

• słabsze tworzenie ścian wtórnych

slajd 2/23

regulacja wzrostu :

• bliska czerwień (630-680nm) - hamuje elongację pędów

• daleka czerwień (710-740nm) - odwraca efekty bliskiej czerwieni

fotoreceptor: fitochrom (chromoproteina)

2 formy:

P_r - absorbuje światło bliskiej czerwieni (red)

P_fr - absorbuje światło dalekiej czerwieni (far red)

fotokonwersje - zmiany bardzo szybkie

wolna przemiana P_fr w P_r w ciemności (kilkanaście godzin)

aktywna fizjologicznie jest forma P_fr - ulega szybszej lub wolniejszej degradacji (szybka - nie jest możliwe odwracanie efektów bliskiej czerwieni przez daleką)

na świetle ustala się pewien stan stacjonarny 93% P_fr, 7% P_r (stan stacjonarny jest istotny dla aktywności P_fr)

slajd 3/23

maksimum absorpcji światła czerwonego przez P_r wynosi 666nm,

a światła dalekiej czerwieni przez P_fr 730nm

slajd 4/23

Dystrybucja fitochromu w etiolowanych siewkach.

najwyższe stężenie cząsteczek fitochromu występuje w apikalnych, merystematycznych częściach epikotylu i korzenia, które charakteryzują najgwałtowniejsze zmiany rozwojowe.

slajd 5/23

Zmiany w strukturze fitochromu spowodowane światłem.

• Część chromatoforowa to fitochromobilina zbudowana z 4 pierścieni pirolowych połączonych łańcuchowo (układ bilanu).

• Po absorpcji światła ostatni pierścień przechodzi z pozycji cis w trans. Ma to przeniesienie na wyższorzędową strukturę apoproteiny - następuje sekwestracja fitochromu w komórkach (cząsteczki z luźnego ułożenia w cytoplazmie przechodzą w regularne ustawienie pod plazmolemmą).

slajd 6/23

Genetyczna regulacja syntezy fitochromu

• Apoproteina kodowana jest przez 5 (A-E) jądrowych genów PHY.

• Część chromatoforowa kodowana jest przez geny plastydowe; synteza w plastydach.

• Asocjacja apoproteiny i fitochromobiliny ma charakter spontaniczny, nie enzymatyczny, zachodzi w cytoplazmie - powstaje fitochrom P_r

• Pod wpływem światła P_r przechodzi w P_fr

slajd 7/23

Istnieją dwie formy fitochromu - A i B, które różnią się stabilnością.

Fitochrom A (labilny)

• syntetyzowany w formie P_r (na świetle czerwonym przechodzi w P_fr)

• kodowany przez gen PHY A

• jego poziom kontrolowany jest przez 3 czynniki:

• degradację mRNA (jest mało stabilne)

• degradację formy P_fr (ubikwitynacja, wymaga nakładu energii - ATP)

• reakcje wywoływane przez P_fr hamują ekspresje genu

• reakcje, w których pośredniczy nie są odwracalne przez daleką czerwień (P_fr nie może przejść w P_r)

Fitochrom B (stabilny)

• kodowany przez geny PHY B - E

• syntezowany znacznie wolniej

• zarówno mRNA jak i białko formy P_fr są stabilne

• ekspresja genów nie podlega hamowaniu przez P_fr

• reakcje odwracalne

slajd 9/23

Typy reakcji regulowanych przez fitochrom.

1. reakcje bardzo nisko energetyczne VLFR

• natężenie światła bardzo niskie - świecenie gwiazd w nocy

• reakcje nieodwracalne

• odpowiada za nie fitochrom labilny

2. reakcje nisko energetyczne LFR

• natężenie światła 1-1000μmoli/m² - światło podczas średnio słonecznego dnia

• reakcje odwracalne

• odpowiada za nie fitochrom stabilny

• większość reakcji wzrostowych i rozwojowych zależnych od światła

3. reakcje wysoko energetyczne HIR

• wysokie natężenie światła, działające w sposób ciągły

• siła reakcji zależy od natężenia światła

• odwracalne lub nieodwracalne

• stabilny bądź labilny

slajd 10/23

Reakcje niskoenergetyczne LFR

wywoływane przez światło czerwone, odwracane lub hamowane przez daleką czerwień

slajd 11/23

• indukcja kiełkowania siewek sałaty

• wywoływana przez naświetlenie światłem czerwonym

• zawsze gdy cykl naświetleń kończyło światło czerwone - stymulacja

• gdy cykl naświetleń kończyła daleka czerwień - hamowanie

slajd 12/32

• typowe fotoodwracalne reakcje kontrolowane przez fitochrom:

GATUNEK	STADIUM ROZWOJOWE	EFEKT ŚWIATŁA CZERWONEGO
sałata	nasiona	indukcja kiełkowania
owies	etiolowane siewki	indukcja de-etiolacji (np. rozwój liści)
gorczyca	siewki	indukcja powstawania primordiów (zawiązków liści), rozwoju pierwszych liści
groszek	wyrośnięta roślina	hamowanie wzrostu elongacyjnego łodygi
chryzantema	wyrośnięta roślina	hamowanie zakwitania (reakcja fotoperiodyczna)
sosna	siewka	wzmożona synteza chlorofilu
Polytrichium (mszak)	sporofit	indukcja replikacji plastydów
Mougeotia (glon)	dojrzały gametofit	indukcja zmiany orientacji chloroplastów w kierunku światła

slajd 13/23

• za wywoływanie efektu odpowiada P_fr

slajd 14/23

Zmiany w stosunku P_fr/P_total wpływają na elongację pędów roślin rosnących na nasłonecznionych stanowiskach. Nie mają wpływu na rośliny stanowisk zacienionych.

slajd 15/23

Model regulacji przez fitochrom ekspresji genów:

• zmiana pod wpływem światła czerwonego P_r w P_fr

• P_fr modyfikuje czynnik transkrypcyjny, który dzięki temu może się związać w miejscu promotorowym genu

• wszystkie promotory genów regulowanych światłem mają elementy LRE

• jednym z genów regulowanych przez światło jest gen kodujący małą podjednostkę Rubisco

slajd 16/23

Indukcja de-etiolacji etiolowanych siewek Arabidopsis przez fitochrom B.

• światło czerwone (660nm) indukuje konwersję P_r do P_fr

• P_fr przemieszcza się z cytoplazmy do jądra komórkowego

• w jądrze P_fr wiąże się z białkiem PIF3 (ang. Phytochrom Interacting Protein 3)

• kompleks P_fr-PIF3 asocjuje z sekwencjami promotorowymi zawierającymi motyw CACGTG/GTGCAC

• motywy te odnaleziono w sekwencjach promotorowych kodujących inne czynniki transkrypcyjne

• nowo zsyntetyzowane czynniki transkrypcyjne łączą się z odpowiednimi promotorami inicjując syntezę grupy genów, które ulegają ekspresji po przeniesieniu rośliny na światło

slajd 17/23

Reakcje wysokoenergetyczne typu HIR.

Hamowanie elongacji hypokotyli etiolowanych siewek sałaty zachodzi pod wpływem światła: UVA, niebieskiego, dalekiej czerwieni

U mutantów z brakiem genów PHY hamowanie zachodzi tylko pod wpływem UVA i niebieskiego, daleka czerwień jest nieaktywna.

W reakcjach HIR uczestniczą także inne fotoreceptory - kryptochromy, odbierające krótsze fale świetlne.

Reakcje te są odwracalne, odpowiada za nie fitochrom A.

Siewki nieetiolowane - efekt hamowania wzrostu hypokotyli wywołuje bliska czerwień (konieczne duże natężenie)

Efekt nie jest odwracalny, odpowiada za niego fitochrom B.

Prostowanie odcinka podliścieniowego zachodzi dopiero na świetle (czyli na powierzchni); umożliwia właściwe ułożenie liści i fotosyntezę.

slajd 18/23

Przykłady nieodwracalnych fotomorfogenetycznych reakcji typu HIR kontrolowanych przez fitochrom:

1. Synteza antocyjanów w siewkach różnych gatunków roślin dwuliściennych i w skórce jabłek.

2. Hamowanie wydłużania hypokotyli siewek gorczycy i sałaty.

3. Prostowanie na świetle odcinka podliścieniowego etiolowanych siewek.

4. Wzrost liścieni.

slajd 19/23

Zależność pomiędzy fotoperiodem a zakwitaniem roślin.

Zakwitanie to reakcja niskoenergetyczna, w reakcji pośredniczy fitochrom stabilny.

Większość roślin wymaga odpowiedniego fotoperiodu by zakwitnąć.

Rośliny dzielą się na 2 grupy:

• rośliny dnia krótkiego (RDK) - zakwitają, gdy noc trwa więcej niż 12 godzin

• rośliny dnia długiego (RDD) - zakwitają, gdy noc trwa mniej niż 12 godzin

RDK - chryzantemy, Brassicaceae

RDD - Arabidopsis

RDK hodowane w dniu długim nigdy nie zakwitają i odwrotnie - RDD nie zakwitają w dniu krótkim.

Jeśli RDD były hodowane w fotoperiodzie dnia krótkiego, ale przerywanym krótkimi błyskami światła czerwonego - zakwitały.

Jeśli RDK były hodowane w dniu krótkim przerywanym błyskami światła czerwonego - nie kwitły.

Jeśli RDK były hodowane w fotoperiodzie dnia krótkiego przerywanym błyskami światła czerwonego i dalekiej czerwieni - zakwitały.

slajd 20/23

Mutant phyB Arabidopsis (RDD) z uszkodzoną syntezą fitochromu stabilnego (B) zakwita w fotoperiodzie dnia krótkiego - wniosek: fotoreceptorem odpowiadającym za percepcję długości dnia i jakości światła jest fitochrom B.

slajd 21/23

Mechanizm percepcji długości dnia nie jest do końca zrozumiały.

Istnieją pewne czynniki, które są transportowane do innych części roślin.

Hodowano RDK w fotoperiodzie dnia długiego, a jeden z liści tej rośliny w fotoperiodzie dnia krótkiego - to wystarczyło do zakwitania.

Jeżeli przeszczepiono liść RDK z fotoperiodu dnia krótkiego na inną roślinę RDK hodowaną w dniu długim, to ona także zakwitała.

Jeżeli przeszczepiono inny liść (RDK z dnia długiego) - roślina RDK z dnia długiego nie zakwitała.

slajd 22/23

Geny regulujące zakwitanie rośliny:

• zidentyfikowano u Arabidopsis

• są to geny CO (kodują najprawdopodobniej czynniki transkrypcyjne innych genów odpowiadających za wytwarzanie poszczególnych elementów kwiatowych, tzw. genów zakwitania)

• ich ekspresja zależy od długości dnia i determinuje zakwitanie

slajd 23/23

• ekspresja genów zakwitania (AP2, LFY i AP1) niezależnych od długości dnia jest indukowana produktami genu CO

• ich ekspresja powoduje przewartościowanie wegetatywnego stożka wzrostu w zawiązek kwiatowy lub kwiatostanowy

Mutanty pod względem genów CO zakwitają w niewłaściwym fotoperiodzie.

WYKŁAD: FITOCHROM - 5 -

- 5 -

---