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.

---