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:
Pr - absorbuje światło bliskiej czerwieni (red)
Pfr - absorbuje światło dalekiej czerwieni (far red)
fotokonwersje - zmiany bardzo szybkie
wolna przemiana Pfr w Pr w ciemności (kilkanaście godzin)
aktywna fizjologicznie jest forma Pfr - ulega szybszej lub wolniejszej degradacji (szybka - nie jest możliwe odwracanie efektów bliskiej czerwieni przez daleką)
na świetle ustala się pewien stan stacjonarny 93% Pfr, 7% Pr (stan stacjonarny jest istotny dla aktywności Pfr)
slajd 3/23
maksimum absorpcji światła czerwonego przez Pr wynosi 666nm,
a światła dalekiej czerwieni przez Pfr 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 Pr
Pod wpływem światła Pr przechodzi w Pfr
slajd 7/23
Istnieją dwie formy fitochromu - A i B, które różnią się stabilnością.
Fitochrom A (labilny)
syntetyzowany w formie Pr (na świetle czerwonym przechodzi w Pfr)
kodowany przez gen PHY A
jego poziom kontrolowany jest przez 3 czynniki:
degradację mRNA (jest mało stabilne)
degradację formy Pfr (ubikwitynacja, wymaga nakładu energii - ATP)
reakcje wywoływane przez Pfr hamują ekspresje genu
reakcje, w których pośredniczy nie są odwracalne przez daleką czerwień (Pfr nie może przejść w Pr)
Fitochrom B (stabilny)
kodowany przez geny PHY B - E
syntezowany znacznie wolniej
zarówno mRNA jak i białko formy Pfr są stabilne
ekspresja genów nie podlega hamowaniu przez Pfr
reakcje odwracalne
slajd 9/23
Typy reakcji regulowanych przez fitochrom.
reakcje bardzo nisko energetyczne VLFR
natężenie światła bardzo niskie - świecenie gwiazd w nocy
reakcje nieodwracalne
odpowiada za nie fitochrom labilny
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
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 Pfr
slajd 14/23
Zmiany w stosunku Pfr/Ptotal 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 Pr w Pfr
Pfr 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 Pr do Pfr
Pfr przemieszcza się z cytoplazmy do jądra komórkowego
w jądrze Pfr wiąże się z białkiem PIF3 (ang. Phytochrom Interacting Protein 3)
kompleks Pfr-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:
Synteza antocyjanów w siewkach różnych gatunków roślin dwuliściennych i w skórce jabłek.
Hamowanie wydłużania hypokotyli siewek gorczycy i sałaty.
Prostowanie na świetle odcinka podliścieniowego etiolowanych siewek.
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 -