Fizjologia roślin

Fizjologia roślin - obejmuje procesy zachodzące w roślinach oraz mechanizmy ich regulacji od momentu kiełkowania do wydania nasion.

Strategia życia rośliny związana jest z koniecznością stałej kontroli nad utrzymywaniem równowagi pomiędzy wieloma procesami:

• syntezy i rozkładu

• utleniania i redukcji

• pobierania i straty wody (absorpcja i transpiracja)

• utrzymywanie przewagi procesu fotosyntezy nad oddychaniem

Fitohormony pełnią funkcję kontrolną w regulacji przebiegu wielu fizjologiczno-biochemicznych procesów.

Hormony roślinne

• Auksyny

• Gibereliny

• Cytokininy

• Brasinosteroidy

• Kwas abscysynowy

• Etylen

• Kwas jasmonowy

• Poliaminy

• Kwas salicylowy

• Związki fenolowe (allelopatiny)

Cechy hormonów roślinnych

• Posiadają funkcje regulatorowe bez zmian chemicznych

• Są to substancje o małej masie cząsteczkowej

• Produkty wtórnego metabolizmu

• Zdolne do przemieszczania

• Aktywne w bardzo niskich stężeniach ( ~10-6 M)

• Regulatory wzrostu są aktywne w wyższych stężeniach (~10-4 M)

• Powszechne w świecie roślin

• Regulatory wzrostu nie występują powszechnie, często ich występowanie w roślinie jest cechą gatunkową np. zw. fenolowe, HCN, fitoaleksyny, allelozwiązki.

Współdziałanie hormonów -żaden proces nie jest regulowany przez jeden, lecz przez kilka fitohormonów.

Współdziałające ze sobą hormony tworzą sieć „ścieżek sygnałowych” (cross-talk), doprowadzając do efektu stymulacji lub hamowania wybranego procesu.

Stymulacja lub hamowanie (inhibicja) to odpowiedzi uzależnione m. in. od stężenia fitohormonów (np. proces starzenia jest stymulowany przez ABA, a hamowany przez CK)

Stężenie hormonu w komórce zależy od:

1/ syntezy de novo

2/ transportu do/z komórki

3/ metabolizmu:

• koniugacja (wiązanie z cukrami, białkami i in.)

• degradacja (najczęściej utlenianie)

Reakcja (odpowiedż) fizjologiczna rośliny na hormon

Reakcja komórki/tkanki/organu/rośliny zależy nie tylko od stężenia hormonu, ale także od wrażliwości na hormon

Duża wrażliwość na określony hormon, wyrażona wyraźnym efektem fizjologicznym, świadczy o kompetencji komórki na dany hormon.

Wysoka kompetencja komórki wobec określonego hormonu zależy od występowania specyficznych receptorów białkowych.

Szlak transdukcji sygnału zaczyna się od receptora- są to najczęściej białka zlokalizowane w błonach komórkowych (plazmalema, ER)

1. Hormon+receptor

2. Czynnik transkrypcyjny (=białka regulatorowe)

3. Kompleks z promotor

4. Uruchomienie transkrypcji genów regulowanych przez hormon

5. Translacja i synteza białka pełniącego określoną funkcję

Długoterminowa odpowiedź rośliny (kilka godz.)- związana ze zmianą ilości specyficznych białek komórkowych poprzez:

• indukcję/zablokowanie syntezy wybranych białek (na etapie: transkrypcji, translacji, potranslacynym przekształcaniu cząsteczek)

• zmianę intensywności degradacji białek (całkowita lub częściowa proteoliza)

Szybka odpowiedź na hormon (sek., min.) -polega na regulacji transportu jonów z/do komórki

• IAA - wzrost kwasowy (jony H+ i K+)

• ABA - ruch aparatów szparkowych (wypływ jonów K+)

W szlaku transdukcji sygnału indukowanego przez hormon biorą udział różne wtórne przekażniki sygnału (np. jony wapnia, reaktywne formy tlenu)

AUKSYNY - hormony wzrostu

Naturalne auksyny

IAA - kwas indolilo-3-octowy

4-Cl-IAA- kwas 5-chloro-indolilo-3-octowy

IBA - kwas indolilo-3-butyrowy

Występowanie auksyn :

• auksyny występują we wszystkich roślinach wyższych oraz w niektórych gatunkach grzybów;

• są syntetyzowane głównie w merystemach wierzchołkowych, głównie pędów (także korzeni), najmłodszych liściach;

• z miejsca swojego powstania przemieszczają się do innych części rośliny (bazypetalnie);

• różna podatność poszczególnych części roślin na działanie auksyn.

Auksyny występują w komórkach w formie wolnej i związanej

• Koniugaty auksyn są to kompleksy auksyny z cukrami (glukoza i myo-inozytol);

• Są nieaktywne biologicznie;

• Jest to transportowa lub akumulowana forma hormonu.

Aktywność biologiczna auksyn

• Auksyny uczestniczą w bardzo różnorodnych procesach fizjologicznych związanych ze wzrostem i rozwojem roślin.

• stymulują wzrost elongacyjny ściany komórkowej

• kontrolują dominację wierzchołkową

• odpowiadają za fototropizm, geotropizm

• stymulują tworzenie zawiązków korzeniowych

• pobudzają rozwoju owoców (partenokarpia)

• hamuje opadaniu liści i owoców

• udział w naprawie zranień

Auksyny stymulują wzrost elongacyjny ściany komórkowej (tzw. wzrost kwasowy):

• IAA aktywuje pompę protonową zależną od ATP w plazmalemie lub ER

• Protony przemieszczają się do apoplastu, co powoduje zakwaszenie apoplastu

• Następuje aktywacja enzymów hydrolitycznych i rozerwanie wiązań wodorowych pomiędy mikrofibrylami celulozowymi

• To prowadzi do rozluźnienia struktury ściany komórkowej

Dominacja wierzchołkowa

A - dominuje pąk wierzchołkowy (IAA syntetyzowany w merystemie transportowany bazypetalnie powoduje uśpienie pąków pachwinowych (spoczynku)

B - usunięcie pąka wierzchołkowego powoduje uwolnienie pąków bocznych

C - po dekapitacji umieszczenie bloczka agarowego z auksyną ( + IAA)

D -po dekapitacji umieszczenie bloczka agarowego kontrolnego ( - IAA)

Fototropizm

Mechanizm zjawiska fototropizmu tłumaczy się nierównomiernym rozmieszczeniem auksyn w strefie wzrostu koleoptyla.

- Na stronie zacienionej występuje większe nagromadzenie auksyn.

- Następuje zahamowanie syntezy IAA po stronie oświetlonej i poprzeczny transport auksyn na stronę zaciemnioną.

Geotropizm

• Nierównomierny rozkład auksyn w strefie reagującej na bodźce.

• auksyn przemieszczają się w roślinie w kierunku pola przyciągania ziemskiego.

• pędy ułożone w pozycji poziomej zawierają więcej auksyn po stronie dolnej,

• większa wrażliwość na auksynę po stronie dolnej.

• nagromadzenie auksyn powoduje geotropizm ujemny pędu i geotropizm dodatni korzenia.

Polarny transport auksyn (bazypetalny)

Powoduje stałe utrzymanie w roślinie przepływu auksyn od wierzchołka pędu do korzenia, co jest ważnym mechanizmem determinującym polarność organizmu i jego skoordynowany harmonijny rozwój.

- Apoplast ma odczyn kwaśny

- IAA w apoplaście występuje w formie niezdysocjowanej

- Wewnątrz komórki (pH 7) IAA ulega jonizacji i nie może przeniknąć plazmolemmy

- Przenośniki anionu IAA- zlokalizowane w błonie komórkowej w sposób aktywny wypompowują IAA- z cytoplazmy do ściany komórkowej

- Przenośniki te są rozmieszczone niesymetrycznie w cytoplazmie, znajdują się na bazalnej stronie komórek, co warunkuje kierunek transportu.

Auksyny stymulują ukorzenianie i rozwoj owoców:

• Usunięcie niełupek (naturalnego żródła IAA)

• Aplikacja IAA powoduje:

- rozrost dna kwiatowego
- rozrost zalążni
- produkcja bezpestkowych owoców

Partenokarpia - indukowanie wytwarzania owoców z pominięciem zapylenia.

Szlak transdukcji sygnału auksynowego

• Ekspresja genów odpowiedzi na auksynę jest zablokowana przez represor

• Auksyna łączy się z receptorem TIR1 (powstaje kompleks SCFTIR1)

• Następuje odłączenie represora i jego destrukcja

• Uruchomiona jest ekspresja genów związanych z odpowiedzią fizjologiczną rośliny na ten hormon

Gibereliny - hormon „wysokości”

 

Masa molowa = 348.4 Wzór chemiczny = C19H24O6

Znanych jest obecnie ponad 120 giberelin.

Występowanie i formy giberelin

Występują u wszystkich roślin

• jako wolne, aktywne związki

• w kompleksach typu glikozydów i estrów glikozydowych

• związane z białkiem

Organy obficie produkujące gibereliny to:

• części wierzchołkowe korzeni i najmłodsze liście, ale nie merystem,

• węzły u traw i pędów dwuliściennych,

• pręciki,

• rozwijające się nasiona.

Synteza GA

• początek w chloroplastach,

• następnie w błonach ER i cytoplazmie

Intensywność biosyntezy GA jest regulowana przez stężenie aktywnej formy gibereliny (GA4, GA1), następuje hamowanie zwrotne syntezy lub/i przekształcanie (utlenianie) w formy nieaktywne (GA9, GA20, GA34, GA8)

Mutanty niezdolne do syntezy giberelin charakteryzuje karłowy fenotyp.

Odpowiedź fizjologiczna na GA -

1. przełamanie wrodzonej karłowatości rośliny.

• Wzrost wydłużeniowy stymulowany przez giberelinę

• Zredukowany wzrost wynika ze skrócenia międzywęźli, a nie redukcji liczby międzywęźli.

2. indukcja kwitnienia rośliny dnia krótkiego (kapusta)

• W warunkach krótkiego dnia kapusta tworzy rozetę i nie wybija w pęd kwiatowy.

• Podanie gibereliny powoduje indukcję kwitnienia w warunkach krótkiego dnia.

• stymulacja kiełkowania nasion sałaty w ciemności

3. - przełamywanie spoczynku nasion jabłoni

• Ustępowanie spoczynku nasion jabłoni w czasie stratyfikacji w niskiej temperaturze związane jest ze wzrostem poziomu GA uwalnianych z form związanych i pochodzących z biosyntezy „de novo”

Gibereliny- efekty fizjologiczne działania

• Stymulacja wzrostu pędu przez stymulację podziałów komórkowych i wzrost elongacyjny komórek (wraz z auksynami).

• Stymulacja kwitnienia u roślin długiego dnia

• Przerywanie spoczynku nasion, których kiełkowanie jest uzależnione od światła lub wymagających stratyfikacji.

• Stymulacja biosyntezy enzymów (α-amylaza) w kiełkujących ziarniakach. Stymulacja mobilizacji materiałów zapasowych w czasie kiełkowania.

• Indukcja tworzenia owoców partenokarpicznych (wraz z auksynami).

• Opóźnianie procesu starzenia liści i owoców cytrusowych.

Stymulacja kiełkowania ziarniaków w obecności gibereliny. Giberelina jako sygnał uruchamiający hydrolizę materiałów zapasowych

1. Po zakończeniu imbibicji giberelina transportowana jest z zarodka do bielma i warstwy aleuronowej

2. W warstwie aleuronowej następuje indukcja syntezy α -amylazy, która hydrolizuje skrobię zmagazynowaną w liścieniach

3. Powstające cukry (sacharoza, glukoza) transportowane są do rosnącego zarodka i rozwijającej się siewki

Szlak transdukcji sygnału giberelinowego

1/ Aktywacja białka G i indukcja szlaku niezależnego od jonów wapnia (second messenger)

2/ „ „ zależnego od jonów wapnia

*Obecność negatywnych regulatorów: DELLA, SPY

*Degradacja represora DELLA (i SPY) umożliwia ekspresję genów związanych z określoną odpowiedzią fizjologiczną:

• kiełkowanie

• wydłużenie łodygi

• kwitnienie

Praktyczne zastosowanie giberelin (GA3)

• Winogrona beznasienne o dużych rozmiarach

• GA4+ GA7 +cytokininy stosowane dla polepszenia kształtu jabłek (bez wpływu na plon i smak)

• Przedłużenie trwałości owoców cytrusowych na drzewach

• Zwiększenie plonu trzciny cukrowej

• Przyspieszenie hydrolizy skrobi w produkcji piwa

• Zastosowanie inhibitorów syntezy giberelin pozwala otrzymać rośliny o krępym pokroju (lilie, chryzantemy, poinsecje) i zapobieganiu wylegania (zboża)

Cytokininy - regulatory podziałów komórkowych

Cytokininy adeninowe - pochodne zasady purynowej - adeniny

Cytokininy mocznikowe - pochodne mocznika

Antycytokininy

Każda modyfikacja chemiczna polegająca na wprowadzeniu do grupy aminowej dodatkowych podstawników tj. chlorowce, grupa sulfhydrylowa, powoduje zmianę charakteru działania cytokinin - stają się silnymi inhibitorami podziałów komórkowych, antycytokininami.

Niektóre działają mutagennie (są wbudowywane do DNA), stosowane jako herbicydy.

Koniugaty cytokinin:

Nieaktywne formy CK - połączenia N-glikozydowe z rybozą

CK + ryboza == rybozyd (glukozyd) - akumulowany lub/i transportowany

rybozyd + P == rybotyd (fosforan glukozydu, mononukleotyd) - transportowany

Metabolizm cytokinin

Nadmiar CK ulega biodegradacji, którą rozpoczyna oksydaza cytokininowa, kodowana przez rodzinę genów CKX1 ( u Arabidopsis AtCKX1)

Występowanie cytokinin - synteza

• głównie w merystemie wierzchołkowym korzeni, skąd są transportowane przez ksylem do pędu.

• również w młodych organach rośliny tj. rozwijających się zarodkach, liściach, owocach.

• Rybotydy (zeatyny, 2iP) występują tRNA, mRNA oraz rRNA, pełnią istotną regulacyjną rolę, stymulując proces translacji.

• CK tworzą kompleksy z białkami m in. błon w chloroplastach, regulują (stymulują) fosforylację.

Aktywność biologiczna cytokinin

• Stymulują podziały komórkowe (w kulturach in vitro)

• Stymulują fotosyntezę, syntezę chlorofilu

• Biorą udział w regulacji morfogenezy (przełamują dominację wierzchołkową, powodują wybijanie pędów bocznych)

• Aktywują transport asymilatów i rozwój liści

• Przyspieszają kwitnienie

• Przyspieszają rozwój owoców

• Symulują kiełkowanie nasion (fotoblastycznych)

• Skracają spoczynek pąków

• Zwiększają odporność na patogeny

• Hamują proces starzenia (liści)

Stymulatory procesów anabolicznych we wczesnych fazach ontogenezy oraz inhibitory procesów katabolicznych (degradacji) podczas końcowych faz ontogenezy roślin.

Nadekspresja genów oksydazy cytokininowej (AtCKX) (brak CK) powoduje zahamowanie wzrostu pędów tytoniu zahamowanie podziałów komórkowych w merystemie wierzchołkowym.

Nadekspresja genów kodujących białka związane z biosyntezą CK (ipt) (wzrost zawartości CK) hamują starzenie liści tytoniu

CK:

- indukują proces fotosyntezy

• stymulują aktywność Rubisco

• stymulują syntezę chlorofilu

• stymulują rozwój wiązek przewodzących

• Cytokininy zwiększają odporność na patogeny - przeciwdziałają powstawaniu nekroz podczas infekcji wirusa

• Liście roślin transformowanych konstruktem kodującym transferazę izopentenylu (ipt), co powoduje zwiększoną biosyntezę cytokinin

• obniżają produkcję RFT w liściach infekowanych wirusem

• zwiększają aktywność systemu antyoksydacyjnego

• współdziałając z auksynami regulują organogenezę (rozwój pędów lub korzeni) w kulturach in vitro

Interakcja pomiędzy cytokininami i auksynami

Auksyny - obniżają stężenie aktywnych cytokinin poprzez promowanie przekształcania ich w formy związane lub poprzez stymulację ich metabolizmu (oksydaza cytokininowa)

Molekularny mechanizm działania cytokinin.

RECEPTOR - kinaza asparaginowo-histydynowa katalizuje fosforylację czynników transkrypcyjnych (AHP) i odpowiednich domen białek regulatorowych (ARR) w jądrze

Białka regulatorowe (ARR) aktywują (poprzez degradację represora??) procesy transkrypcji i translacji specyficznych białek regulowanych przez cytokininy.

Cytokininy regulują oddziaływanie symbiotyczne pomiędzy niektórymi bakteriami i roślinami wyższymi.

Niektóre bakterie produkują cytokininy, które zmieniają proces wzrostu i rozwoju rośliny (indukują tworzenie specyficznych struktur, w których bakterie mogą egzystować - miotła czarownicy).

• Trans-regulator = Białka regulatorowe =

• aktywny czynnik transkrypcyjny -

• sekwencje nukleotydów biorące udział w hormonalnej regulacji ekspresji genów:

• ABRE - ABA-response element - element warunkujący odpowiedź na ABA, towarzyszy promotorom kilku genów kodujących białka indukowane przez ABA

• ERE - ethylene-response element - element warunkujący odpowiedź na etylen, towarzyszy promotorom kilku genów kodujących białka indukowane przez etylen

• GARE - gibberellin-response element - element warunkujący odpowiedź na giberelinę, towarzyszy promotorom kilku genów kodujących białka indukowane przez giberelinę (6-nukleotydowy)

• BIAŁKA RECEPTOROWE

• - ma dwa lub więcej miejsc aktywnych zdolnych do wiązania różnych hormonów, stąd możliwość współdziałania różnych hormonów w regulacji wybranego procesu fizjologicznego

• ABP - auksyn-binding protein

• GABP -gibberellin-binding protein

• ABABP ETBP

Praktyczne zastosowanie cytokinin

• W kulturach tkankowych in vitro (BA, BAP, KIN) pobudzają podziały komórkowe, stymulują wyrastanie pędów bocznych

• Kształtowanie pokroju rośliny, rozkrzewianie roślin, zniesienie dominacji wierzchołkowej pędu głównego, wybijanie pędów bocznych, hamują wydłużanie pędów

• Odmładzanie eksplantatow (in vitro), sadzonek roślin sadowniczych

• Spowalnianie procesów starzenia roślin

Roślina ziemniaka z nadekspresją genu Sho (od ang. shooting), odpowiedzialnego na kontrolę syntezy cytokinin. Odcięte fragmenty tej rośliny, po umieszczeniu w wodzie nie wykazują objawów starzenia nawet przez 7 miesięcy od momentu odcięcia od rośliny macierzystej.

Brasinosteroidy (BR) - najaktywniejsze stymulatory

Metabolizm i transport BR

• Brasinolid może być przekształcany do nieaktywnych koniugatów z glukozą np. 23-o-beta-D-gluko-piranozylo-brasinolu

Produkcja i występowanie BR

• Brasinosteroidy są syntetyzowane w niemal wszystkich organach rośliny

• Występują w bardzo małych ilościach (np. w 1 kg nasion Arabidopsis znajduje się 220 ng epibrasinolidu i 360 ng kastasteronu)

• Wykazują aktywność fizjologiczną w stężeniach ok. 1000 razy mniejszych niż inne fitohormony

• BR są transportowane przez ksylem lub floem

Aktywność fizjologiczna BR

• Stymulują wzrost koleoptyli i pędów (najaktywniejsze ze wszystkich hormonów roślinnych)

• Stymulują aktywność ATP-azy (wydzielanie H+ do apoplatu), co prowadzi do rozluźniania struktury ściany komórkowej

• Stymulują podziały komórkowe

• Indukują proces różnicowania komórek mezofilu w elementy ksylemu, pobudzają transport związków pokarmowych

• Zwiększają tolerancję na stresy

• Przyspieszają starzenie liści

• Stymulują syntezę etylenu

BR zwiększają tolerancję na stresy (wysokiej temperatury).

BR zwiększają odporność roślin (rzepak) na stresy poprzez:

- stymulację syntezy białek HSP (70, 90,101),

- aktywację systemu antyoksydacyjnego oraz

- ograniczenie degradacji barwników fotosyntetycznych

Praktyczne znaczenie BR

• W kulturach tkankowych in vitro zastępują działanie cytokinin

• Opryski środkami zawierającymi BR (BIOBRAS-16) zwiększają plonowanie roślin i poprawiają wartości odżywcze zbiorów (np. zwiększają zawartość cukru w burakach cukrowych i owocach - w arbuzach, winogronach)

• Stosowane jako ukorzeniacze sadzonek

BR współdziałają synergistycznie z auksynami (IAA) i cytokininami (CK) w regulacji procesu wzrostu i rozwoju roślin

Kwas abscysynowy - hormon spoczynku i odporności na stresy

• 
  i Wareing ustalili strukturę kwasu abscysynowego

• 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)

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)

Spoczynek i kiełkowanie nasion jest regulowane przez hormony roślinne

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.

Porastanie zbóż

Zbyt niskie stężenie ABA (brak spoczynku) powoduje przedwczesne kiełkowanie nasion na roślinie matecznej, co powoduje duże straty plonu.

ABA indukuje stan spoczynku w dojrzewających nasionach. Mutacja genów ABI3 i ABA1 powoduje brak spoczynku i przedwczesne kiełkowanie.

ABA powoduje szybkie zamknięcie aparatów szparkowych w warunkach suszy

Stres suszy powoduje 50-krotny wzrost stężenia ABA w ciągu 4-8 godzin

Mechanizm zamykania aparatów szparkowych (synteza ABA de novo)

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

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

wizualizacja powstawania H2O2 w wyniku podania ABA (1- 5 min).

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).

Transdukcja sygnału ABA

1. ABA - stymuluje aktywność NADPH oksydazy, która powoduje wzrost produkcji H2O2

2. H2O2 blokuje ABA1/ABA2 - negatywny regulator szlaku ABA (represor)

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

ABA reguluje ekspresję genów przy udziale wielu czynników transkrypcyjnych:

• pozytywnych ABI3, ABI4, ABI5 (współpracują z kinazami)

• negatywnych ABI1, ABI2 (pełnią funkcję fosfataz)

Zalanie powoduje wzrost produkcji i emisji etylenu przez rośliny

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

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

Kluczowe etapy biosyntezy etylenu: ACS i ACO

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

• 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.

Efekty działania etylenu („potrójne”):

• skrócenie i pogrubienie hypokotyla

• zahamowanie wzrostu korzeni

• zwiększenie „kolanka” podwierzchołkowego pędu(ograniczenie wzrostu elongacyjnego, indukuje wzrost na grubość)

Etylen powoduje reorientację mikrotubul cytoszkieletu i mikrofibryli celulozowych w ścianie komórkowej

• zwiększenie zakrzywienia „kolanka” - niesymetryczna dystrybucja auksyn w pędzie pod wpływem działania etylenu, stąd nierównomierny wzrost obu stron hypokotyla pod „kolankiem”

• stymulacja wzrostu korzeni bocznych (root hairs) -pozytywny regulator procesu różnicowania, indukuje powstawanie korzeni bocznych z komórek epidermy, a nie z perycyklu.

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.

NR - (never ripe), mutant niewrażliwy na etylen (brak receptorów) o nie dojrzewających owocach i braku epinastii liści

Etylen reguluje dojrzewanie owoców klimakterycznych

O W O C E

klimakteryczne nieklimakteryczne

jabłka cytrusy

banany winogrona

figi ananasy

mango truskawki

pomidory arbuzy

śliwki

brzoskwinie

Etylen przyspiesza starzenie kwiatów ciętych, zrzucanie liści.

Odpadanie liści jest związane z wytworzeniem warstwy odcinającej.

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

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

• 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

Mechanizm działania etylenu

Eliminacja (dezaktywacja) 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 opóźniają dojrzewanie owoców, opadanie kwiatów, przedłużają trwałość kwiatów ciętych.

Etylen stymuluje dojrzewanie owoców klimakterycznych

• indukuje ekspresję genów kodujących enzymy uczestniczące w procesie dojrzewania owoców:

- enzymy hydrolizujące ściany komórkowe (celulazy, glukanazy) powodujące zmiękczanie owoców,

Fizjologiczne efekty działania etylen wynikają z jego współdziałania z innym hormonami: auksynami, GA, CK, ABA, BR, JA.

Kwas jasmonowy (JA) - hormon obronny roślin

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

Kwas jasmonowy jest prostym, 12-węglowym związkiem, podstawę budowy stanowi cyklopentenowy pierścień.

Ester metylowy kwasu jasmonowego - JA-Me - jest lotnym związkiem o podobnej aktywności biologicznej.

Szlak biosyntezy JA

Prekursorem JA - kwas linolenowy

kluczowy enzym - lipoksygenaza (LOX)

Występowanie

JA i JA-Me- 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.)

• 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

1. JA indukuje powstanie odpowiedzi odległej (systemicznej)

• JA indukuje ekspresję genów kodujących:

• specyficzne białka obronne: inhibitory proteinaz, osmotyny, defensyny, tioniny, beta-1,3-glukanazy, peroksydazy, lipoksygenazy,

• specyficzne metabolity wtórne (ochronne): różne fitoaleksyny, flawanoidy, lotne terpenoidy, seskwiterpenoidy, ligniny i inne

2. 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

Współdziałanie hormonów -cross-talk

• 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

Synergistyczne współdziałanie AUX i GA w regulacji wzrostu wydłużeniowego.

Auksyny (IAA) stymuluje biosyntezę GA, poprzez kontrolowanie przekształcania GA20 (nieaktywna forma, ale prekursor GA1) w formę aktywną GA1, która stymuluje wzrost.

IAA powstrzymuje przekształcanie GA20 i GA1 w formy nieaktywne GA29 i GA9

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

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.

---