Hormony roślinne i regulatory wzrostu

• Auksyny

• Gibereliny

• Cytokininy

• Brasinosteroidy

• Kwas abscysynowy

• Etylen

• Kwas jasmonowy

• Poliaminy

• Kwas salicylowy

• Związki fenolowe (allelopatiny)

Klasyczne hormony
roślinne

Regulatory wzrostu

Kwas abscysynowy

–

hormon spoczynku

i

odporności na stresy

Historia odkrycia ABA

• 1963 – Okhuma i wsp. wyizolowali substancję, która

hamowała wzrost, przyspieszała zrzucanie organów,
zapadanie w spoczynek; nazwano ją

abscyzyną

lub

dorminą

• 1966 – Milbororow i Wareing ustalili strukturę

kwasu

abscysynowego

Synteza ABA

rozpoczyna się w

chloroplastach

(ksantoksyna)

Metabolizm ABA

Stężenie ABA w cytosolu

zależy od:

1

/ syntezy

2

/ transportu

3

/ metabolizmu:

• koniugacja
• degradacja

(utlenianie do kwasu

fazeinowego)

1

2

3

2

Produkcja i transport ABA

• ABA – jest produkowany przez wszystkie organy

rośliny: liście, nasiona, korzenie i owoce

• jest transportowany przez ksylem i floem (głównie) w

formie niezdysocjowanej

• W formie zdysocjowanej (ABA

-

) łatwo

transportowany przez błony

Aktywność biologiczna ABA

• hamuje

wzrost pędów (koleoptyli)

• hamuje kiełkowanie nasion
• indukuje stan spoczynku nasion, pąków
• przyspiesza kwitnienie i zawiązywanie pąków kwiatowych
• stymuluje starzenie organów roślinnych
• indukuje zrzucanie liści, kwiatów i owoców (współdziałanie z
etylenem

w tworzeniu warstwy odcinającej)

w warunkach stresu

• stymuluje

zamykanie aparatów szparkowych

• hamuje fotosyntezę, syntezę chlorofilu, transport jonów przez
błony

• stymuluje ekspresję genów kodujących białka związane z
aklimatyzacją roślin

• zwiększa odporność roślin na stresy (susza, zalanie, zranienie)

Mechanizm działania ABA

Najlepiej poznane efekty ABA:

-

hamowanie kiełkowanie nasion

- udział w reakcji na stresy

(susza) –

zamykanie

aparatów szparkowych

Spoczynek i kiełkowanie nasion jest
regulowane przez hormony roślinne

Aktywacja zarodka

GA,

ETYLEN

ABA

Spoczynek nasion

– przewaga inhibitorów (

ABA

) na stymulatorami

(GA, etylen)

Stratyfikacja (

ustępowanie spoczynku

) -

spadek

inhibitorów (

ABA

),

-

indukcja

syntezy

stymulatorów (

GA, etylen

)

Kiełkowanie nasion

– przewaga stymulatorów (GA, etylen) nad

inhibitora (ABA)

ABA hamuje kiełkowanie nasion –

hamowanie wytwarzania alfa-amylazy w warstwie

aleuronowej ziarniaków zbóż

Hamujący wpływ ABA

na kiełkowanie nasion

ABA hamuje

aktywność enzymów

(endo-mannanaz) uczestniczących w
rozluźnianiu bielma (

wokół korzenia

zarodkowego

) w kiełkujących

nasionach kawy

+ABA

Kontrola, 5 dni

Kontrola, 7 dni

Kontrola, 8 dni

Porastanie zbóż

Zbyt niskie stężenie ABA

(brak spoczynku)

powoduje

przedwczesne kiełkowanie
nasion na roślinie
matecznej, co powoduje
duże straty plonu.

Udział ABA w procesie porastania

ABA indukuje stan
spoczynku w
dojrzewających nasionach.

Mutacja genów ABI3 i
ABA1 powoduje brak
spoczynku i przedwczesne
kiełkowanie.

kontrola

brak ABA

ABA powoduje szybkie zamknięcie

aparatów szparkowych w warunkach

suszy

Udział ABA w zamykaniu aparatów

szparkowych

Stres suszy powoduje 50-krotny wzrost stężenia ABA

w ciągu 4-8 godzin

Mechanizm zamykania aparatów

szparkowych

(synteza ABA de novo)

Annual Review of Plant Biology, 2005, Vol. 56 Issue 1,
p165-185

Wizualizacja ekspresji
białka AAO3
(katalizującego ostatni
etap szlaku biosyntezy
ABA) w komórkach
szparkowych liści
poddanych stresowi suszy

W zamknięciu aparatu
szparkowego bierze udział
ABA - transportowany z
korzeni i -
syntetyzowany de novo w
liściach

Mechanizm zamykania aparatów

szparkowych

(udział RFT)

A - kontrola

B-F – wizualizacja powstawania
H

2

O

2

w wyniku podania ABA (1-

5 min).

+ABA

Mechanizm zamykania aparatów

szparkowych

(udział NO)

kontrola

+ABA

+NO

Egzogenny ABA powoduje wzrost
produkcji NO i zamknięcie aparatu
szparkowego

Udział ABA w reakcji na stres

zasolenia

ABA stymuluje ekspresję i
aktywność transporterów
jonów Na

+

(via SOS2 i SOS3 –

kinazy białkowe zależne od
Ca) w celu utrzymania
niskiego stężenia Na

+

w

cytosolu (transport i
akumulacja w wakuoli).

Udział ABA w reakcji na stres zasolenia

Kontrola pozbawione sos3
nadekspresja sos3

Transdukcja sygnału ABA

1a. ABA – stymuluje
aktywność NADPH
oksydazy, która powoduje
wzrost produkcji H

2

O

2

1b. H

2

O

2

blokuje ABA1/ABA2

- negatywny regulator
szlaku ABA (represor)

2. ABA aktywuje otwarcie
kanałów wapniowych
wpustowych i wzrost
stężenia tych jonów w
cytosolu (szybka
odpowiedź)

1a

2

1b

ABA

-

hormon o działaniu antagonistycznym do auksyn,

giberelin, cytokinin, etylenu, brasinosteroidów w
regulacji wielu procesów fizjologicznych m. in. spoczynku
nasion.

Etylen –

hormon dojrzewania,

starzenia

i reakcji na stres

Historia odkrycia

etylenu

1901 – D. Neljubov zaobserwował zmiany morfogenetyczne

roślin poddanych działaniu tajemniczego gazu

1910 – zaobserwowano wydzielanie specyficznego gazu

podczas dojrzewania owoców

po 25 latach

1934 – R. Gane zidentyfikował bioaktywny gaz jako

etylen

po 25 latach

1959 - Burg i Thimann scharakteryzował etylen jako

hormon roślinny

Szlak biosyntezy etylenu

ATP

PPi + Pi

SAM

(

S-adenozylometionina)

syntaza ACC

ACC

(kwas 1-amino-cyklopropano-1-
karboksylowy)

O

2

CO

2

Etylen
(C

2

H

4

)

oksydaza
ACC

HC
N

Metionin
a

Kluczowe etapy
biosyntezy etylenu: ACS
i ACO

Autostymulacja
syntezy etylenu
przez etylen lub/i
HCN (produkt
uboczny)

Produkcja etylenu

• Etylen jest produkowany przez wszystkie części rośliny.
• Intensywność produkcji zależy od stanu fizjologicznego i typu
tkanki.

• Najbardziej aktywna produkcja etylenu:

- w tkankach merystematycznych

- dojrzewających owocach

- starzejących tkankach

- w tkankach poddanych działaniu warunków stresowych

(susza, chłód, zalanie, atak patogenu,

zranienie)

• Stymulatory syntezy etylenu: auksyny i cytokininy

(stymulują

ACS, ACO)

Aktywność fizjologiczna etylenu

• reguluje wzrost i rozwój siewek
• indukuje epinastie (ruchy roślin)
• przyspiesza dojrzewanie owoców
• stymuluje kiełkowanie i wzrost młodych siewek
• przyspiesza starzenie
• przyspiesza opadanie organów (liści, owoców)

Etylen reguluje wzrost i rozwój siewek

• hamuje wzrost elongacyjny, indukuje wzrost na grubość

siewek rosnących w ciemności.

Kontrola

+ etylen

Efekty działania etylenu („potrójne”):

• skrócenie i pogrubienie hypokotyla
• zahamowanie wzrostu korzeni
• zwiększenie „kolanka”
podwierzchołkowego

pędu

Etylen reguluje wzrost i rozwój siewek

(ograniczenie wzrostu elongacyjnego, indukuje wzrost na

grubość)

+G
A

+etyle
n

Etylen powoduje reorientację mikrotubul cytoszkieletu i
mikrofibryli celulozowych w ścianie komórkowej

Etylen reguluje wzrost i rozwój siewek

zwiększenie zakrzywienia „kolanka”

Kontrola

Etylen powoduje
niesymetryczną dystrybucję
auksyn w pędzie, stąd
nierównomierny wzrost obu
stron hypokotyla pod
„kolankiem”

+ etylen

Mutanty etylenowe Arabidopsis

kontrola

kontrol
a

+

etylen

ein2
+etyle
n

eto1

his1

eto1 – nadprodukcja etylenu

his1 i ein2 – niewrażliwe na etylen,

brak receptorów, brak

reakcji

Etylen stymuluje

wzrost korzeni

bocznych

(root hairs)

• Etylen jest pozytywnym

regulatorem procesu
różnicowania, indukuje
powstawanie korzeni bocznych z
komórek epidermy, a nie z
perycyklu

(A, B - kontrola

)

I – N - Mutanty nadwrażliwe na
etylen

C - H - Mutanty niewrażliwe na etylen

Etylen indukuje epinastie liści

Anoksja lub zalanie korzeni
powoduje epinastię liści
spowodowaną stymulacją
syntezy etylenu w pędach.

ACC syntetyzowane w
korzeniach jest
transportowany przez ksylem
do pędów i przekształcany do
etylenu (w glebie jest deficyt
tlenu w skutek zalania,
chłodu)

Etylen powoduje
niesymetryczną dystrybucję
auksyn w pędzie i
nierównomierny wzrost obu
stron ogonka liściowego.

kontrol
a

Etylen indukuje epinastie liści

NR - (never ripe), mutant
niewrażliwy na etylen (brak
receptorów)

o nie

dojrzewających owocach i braku
epinastii liści

Kontrola

NR

NR

Kontrola

Wpływ ACC na epinastie liści roślin kontrolnych i mutantów
NR

Etylen przyspiesza dojrzewanie owoców

i starzenie kwiatów

Wpływ etylenu na dojrzewanie owoców i
starzenie kwiatów roślin kontrolnych i
mutantów NR

NR

kontrola

kontrol
a

NR

Etylen reguluje dojrzewanie owoców

klimakterycznych

O W O C E

klimakteryczne

nieklimakteryczne

jabłka

cytrusy

banany

winogrona

figi

ananasy

mango

truskawki

pomidory arbuzy

śliwki

brzoskwinie

Zmiany intensywności oddychania i
produkcji etylenu podczas dojrzewania
bananów

Etylen przyspiesza starzenie kwiatów ciętych

kontrola

+ etylen

Etylen przyspiesza zrzucanie liści

Odpadanie liści jest
związane z
wytworzeniem
warstwy odcinającej

+ etylen

kontrola

Etylen indukuje powstawanie warstwy

odcinającej

Wysokie stężenie
auksyn hamuje
syntezę etylenu

Spadek stężenia
auksyny
stymuluje
syntezę etylenu

Etylen stymuluje
degradację ścian
komórkowych przy
udziale enzymów
hydrolitycznych (celulazy,
poligalakturonazy)

Transdukcja sygnału etylenowego

ETR1 i 2 - receptory (kinazy
histydynowe)

CTR1

– negatywny regulator szlaku

etylenowego (

REPRESOR

-

aktywny przy braku etylenu =
BLOKADA szlaku)

EIN2 – czynnik powiązany ze
specyficznym transporterem jonów
Cu

++

EIN3 – pozytywny regulator szlaku
etylenowego

ETR1/2 - Receptor (rodzina
homodimerów), zlokalizowany w
ER

Mechanizm działania etylenu

Obecność etylenu
powoduje:
eliminację
(dezaktywację)
negatywnego
regulatora CTR1 i
odblokowanie szlaku
etylenowego
(ekspresje
specyficznych genów
związanych z
odpowiedzią
fizjologiczną na etylen)

Praktyczne znaczenie

etylenu

W praktyce stosowanych jest wiele
preparatów, które emitują etylen
(etefon, etrel) lub zawierają IAA i ACC w
celu:

- przyspieszania dojrzewanie owoców
- synchronizacji zakwitanie niektórych
roślin

(ananasów)

- modelowania pokroju roślin (skracanie,
promocja

wzrostu na grubość)

- ukorzeniana odciętych fragmentów
pędów

Preparaty blokujące syntezę etylenu
opróżniają dojrzewanie owoców,
opadanie kwiatów, przedłużają trwałość
kwiatów ciętych.

Fizjologiczne efekty działania

etylen

wynikają z

jego współdziałania z innymi hormonami:

auksynami, GA, CK, ABA, BR,

JA.

Kwas jasmonowy (JA) –

hormon obronny roślin

Historia odkrycia JA

1962 – Demole i wsp. wyizolowali z olejku aromatycznego
kwiatów jaśminu substancję hamującą wzrost roślin

1967 – Crabalona i wsp. stwierdzili występowanie
podobnej substancji w roślinach rozmarynu

1971 – wykryto produkcję tego
związek również w grzybach
Lasiodiplodia

1980 -1995 – intensywne
badania występowania
oraz funkcji jasmonianów
i uznanie ich za nowa
klasę hormonów
roślinnych

Budowa chemiczna JA

Kwas jasmonowy (JA) jest prostym, 12-węglowym związkiem,

podstawę budowy stanowi cyklopentenowy pierścień

Ester metylowy kwasu jasmonowego – JA-Me – jest lotnym

związkiem o podobnej aktywności biologicznej

JA

JA-Me

Szlak biosyntezy JA

Prekursorem JA - kwas linolenowy

kluczowy enzym – lipoksygenaza
(LOX)

LOX

Występowanie JA

Występowanie JA i JA-Me wykazano niemal we wszystkich

grupach systematycznych roślin wyższych, paprociach,
mchach, grzybach i glonach

Występują w bardzo małych ilościach - od 0,1 do 5 mg / kg

ś.m. tkanki.

Koniugaty JA:
• z aminokwasami m. in. z leucyną, waliną, tyrozyną
• z cukrami m. in. z glukozą

Inhibitory JA:
aspiryna, salicylan, ibuprofen,

Aktywność biologiczna JA

Działa

podobnie do ABA

w trakcie ontogenezy rośliny

• Hamowanie

kiełkowania nasion niespoczynkowych (lub o

płytkim spoczynku) np. lnu, rzepaku

• Hamowanie wzrostu korzeni
• Hamowanie fotosyntezy i aktywności niektórych enzymów

chloroplastowych

* * *

• Stymuluje

procesy starzenia

• Stymuluje opadanie liści
• Stymuluje dojrzewanie owoców

• JA indukuje reakcje obronne przeciwko atakowi patogenów,

owadów, promieniowaniu UV, działaniu ozonu, zranieniu

JA przyspiesza starzenie liści

Wzrost JA (c) powoduje:

• Wzrost aktywności

proteolitycznej

• Redukcja fotosyntezy

- ograniczenie syntezy Rubisco

- przyspieszenie degradacji

Rubisco i chlorofilu (a,b)

• Wzrost ekspresji białek

indukowanych przez JA (JIP-23)
w liściach

(d,e)

Współdziałanie synergistyczne z

etylenem i ABA

Udział JA w reakcji na stresy abiotyczne

Stres osmotyczny (A)
oraz obecność metali
ciężkich (B) indukują
syntezę JA w siewkach
Arabidopsis (już po 1-2
godz.)

A

B

Udział JA w reakcji na stresy abiotyczne

Stres suszy liści soi
powoduje 5-krotny wzrost
stężenia JA i ABA w ciągu 2
godzin stresu.

Udział JA w reakcji na stresy biotyczne

(atak patogenów)

Uszkodzenie rośliny przez owady
(zranienie) uwalnia systeminę
(18-aminokwasowy polipeptyd),
która łączy się z receptorem, co
aktywuje lipazę, uwalniającą z
membran kwas linolenowy –
prekursor JA

JA indukuje powstanie odpowiedzi

odległej

(systemicznej)

Udział JA w reakcji na stresy biotyczne

(atak patogenów)

JA indukuje

ekspresję genów kodujących:

• specyficzne białka obronne: inhibitory

proteinaz, osmotyny, defenzyny, tioniny,
beta-1,3-glukanazy, peroksydazy,
lipoksygenazy,

• specyficzne metabolity wtórne (ochronne):

różne fitoaleksyny, flawanoidy, lotne
terpenoidy, seskwiterpenoidy, ligniny i inne

Udział JA w reakcji na stresy

biotyczne

(atak patogenów)

JA indukuje

1/ powstanie odpowiedzi lokalnej, czyli

uczestniczy w reakcji nadwrażliwości (HR),

powodującej realizację programowanej śmierci

komórki (PCD) tj. obumieranie komórek wokół

miejsca zaatakowanego przez patogen (nekrozy),

głównie w wyniku nagromadzania RFT

2/ powstanie odpowiedzi odległej od miejsca ataku

patogenów (SAR, ISR), czyli syntezy systeminy,

która może być transportowana do miejsc

odległych.

JA – jest jednym z głównych
elementów procesu sygnalnego
aktywującego

odpowiedż obronną

na zaistniały stres środowiska
(atak patogenów, zranienia)

JA działa synergistycznie z ABA,
etylenem i kwasem salicylowym.

Praktyczne znaczenie

JA

• Środki ochrony roślin zawierające JA ograniczają rozwój

patogenów np. pomidorów

Photographs:
© Jack Kelly Clark, University of California

Współdziałanie hormonów

cross-talk

Współdziałanie hormonów

• Plejotropowy charakter działania hormonów polega na

udziale poszczególnych hormonów w regulacji wielu
procesów fizjologicznych.

• Wśród zespołu hormonów regulujących wybrany proces

wyróżnić można hormon(y) dominujący(e) i hormon(y)
współdziałające.

• Decydująca jest odpowiednia równowaga hormonalna

Współdziałanie hormonów – synergistyczne lub

antagonistyczne

Współdziałanie hormonów

Proces

stymulacja

hamowanie

-------------------------------------------------------------------------------------

---------------

Wzrost

GA, A

ABA, ET

Różnicowanie

A, CK

Starzenie

ABA, ET

CK, A

Przeciwstawne (antagonistyczne)

działanie GA i ABA w regulacji

kiełkowania nasion

GA stymuluje,

a ABA hamuje

aktywność enzymów hydrolizujących

składniki ścian komórkowych bielma
(pomidora, sałaty, tytoniu), co
rozluźnia bielmo i umożliwia wzrost
korzenia zarodkowego.

Synergistyczne współdziałanie AUX i GA

w regulacji wzrostu wydłużeniowego

Auksyny (IAA) stymuluje
biosyntezę GA, poprzez
kontrolowanie przekształcania
GA

20

(nieaktywna forma, ale

prekursor GA

1

) w formę

aktywną GA

1

, która stymuluje

wzrost.

IAA powstrzymuje
przekształcanie

GA

20

i

GA

1

w

formy nieaktywne GA

29

i GA

9

Współdziałanie szlaków transdukcji sygnałów („sieć”)

biorących udział w reakcji roślin na stresy biotyczne i

abiotyczne

Wspólne elementy szlaków
indukowanych przez różne
hormony:

• ROS,
• kinazy MAP,
• niektóre czynniki
transkrypcyjne.

ERF1

– czynnik transkrypcyjny, kluczowy dla

uruchomienia specyficznych reakcji obronnych na różne

stresy

Gorąca dyskusja dotycząca współdziałania

hormonów roślinnych trwa………

SONIA GAZZARRINI and PETER MCCOURT

Cross-talk in Plant Hormone Signalling:

What Arabidopsis Mutants Are Telling Us

AOBPreview published on March 6, 2003

Ann Bot 2003 91: 605-612; doi:10.1093/aob/mcg064

[e-mail]

Etylen stymuluje dojrzewanie owoców

klimakterycznych

• etylen indukuje

ekspresję genów kodujących enzymy

uczestniczące w procesie dojrzewania owoców:
- enzymy hydrolizujące ściany komórkowe (celulazy, glukanazy)

powodujące

zmiękczanie owoców,

- enzymy hydrolizujące zapasowe cukrowce (skrobia),
zwiększające

słodkość owoców

,

- enzymy związane z syntezą karotenów i antocyjanów oraz
degradacją

chlorofilu, co

zmienia barwę owoców

,

- enzymy uczestniczące w syntezie

substancji aromatycznych

Mechanizm zamykania aparatów

szparkowych (udział H

2

O

2

)

ABA powoduje wzrost produkcji
H

2

O

2

, który hamuje ABI2 -

negatywny regulator szlaku ABA
(fosfataza).

Synergistyczne
współdziałanie ABA i H

2

O

2

.

Etylen stymuluje dojrzewanie owoców

klimakterycznych

• Rośliny zmodyfikowane z zablokowaną ekspresją ACS lub

ACO charakteryzują się przedłużoną trwałością i
możliwością przechowywania np. pomidory, melony.

Transdukcja sygnału ABA

ABA reguluje
ekspresję genów przy
udziale wielu
czynników
transkrypcyjnych:

• pozytywnych ABI3,

ABI4, ABI5

(współpracują z
kinazami)

• negatywnych ABI1,
ABI2 (pełnią funkcję
fosfataz)

Mutanty etylenowe Arabidopsis

(

z nadwrażliwością na etylen i ze zmodyfikowaną zdolnością

wytwarzania korzeni bocznych)

Etylen – hormon stresowy

Zalanie powoduje wzrost produkcji i emisji etylenu
przez rośliny