Hormonalna regulacja wzrostu i rozwoju roślin

WYKŁAD I

Rola kwasu indolilo-3-octowego we wzroście elongacyjnym komórek roślinnych - teoria kwasowa wzrostu

Wzrost rośliny można zdefiniować jako nieodwracalne zwiększenie się rozmiarów organizmu lub jego organu. Wiąże się on z powiększeniem liczby i wielkości komórek, masy protoplastu i ścian komórkowych.

Wzrost elongacyjny - wydłużeniowy, zachodzi dzięki nieodwracalnemu, czyli plastycznemu odkształceniu ściany kom. pod wpływem ciśnienia turgorowego, co związane jest z pobieraniem wody przez kom. oraz zwiększeniem rozmiarów ściany komórki (wzrost objętości wakuoli i rozciąganie ściany kom.)

Tak więc wzrost kom. roślinnej jest ściśle związany z właściwościami plastycznymi i elastycznymi ściany komórkowej, a wiec zależy od jej podatności na rozciąganie (właściwości elastyczne i plastyczne)

Składniki ściany komórkowej:

-polisacharydy

-białka 2-5%

-celuloza

-hemiceluloza

-pektyny

Kompleks syntezy celulozowej - wytwarza podstawowe składniki ściany komórkowej

W aparatach Golgiego wytwarzana jest hemiceluloza i pektyny

Kwas poligalakturonowy - „egg-box structure” usztywnia strukture ściany komórkowej

Składniki ściany komórkowej dwuliściennych (typ I):

- celuloza - 25%

- hemiceluloza - 30%

- pektyny - 40-50%

- białka strukturalne - 2-5%

Składniki ściany komórkowej traw (typ II):

- celuloza - 20-25%

- hemiceluloza - 60-70%

- pektyny - 10%

- białka strukturalne - 2-5%

Budowa ściany komórkowej:

WTÓRNEJ

- celuloza 60%

- u dojrzałych, starzejących się oraz martwych komórek; zaweira znaczne ilości ligniny; Komórki, które przestały się powiększać, wytwarzają kolejną warstwę ściany komórkowej nazywaną ścianą wtórną. Nowe warstwy nakładane są od strony protoplastu. Zwykle w trakcie pogrubiania ściany komórkowej nakładane są trzy warstwy składające się na ścianę wtórną. Ich podstawowe składniki nie różnią się od substancji budujących ścianę pierwotną; Wtórna ściana komórkowa może ulegać modyfikacjom, które polegają na wnikaniu substancji między elementy szkieletowe (inkrustacja) lub odkładaniu dodatkowych związków chemicznych na powierzchni ściany (adkrustacja). Jednym z głównych związków prowadzanych do ściany komórek roślinnych w wyniku inkrustacji jest lignina. Efektem lignifikacji jest nieprzepuszczalność ściany dla wody oraz zwiększenie jej odporności chemicznej oraz mechanicznej^[11]. U drzew w skład wtórnej ściany komórkowej wchodzi znaczna ilość ksylanów^[2]. W komórkach tkanki korkowej pomiędzy pierwotną a wtórną ścianą komórkową odkładana jest suberyna. Proces określany jest jako korkowacenie^[9]. Proces ten zachodzi głównie w korku, ale także np. w komórkach egzodermy i endodermy.Wtórne ściany komórkowe mogą osiągać znaczną grubość. W przypadku komórek sklerenchymy wypełniają niemal całe wnętrze komórki. Znaczną grubość osiągają również ściany cewek i naczyń. Szczególny rodzaj ściany komórkowej otacza ziarna pyłku. Warstwa zewnętrzna odpowiadająca pierwotnej ścianie komórkowej określana jest jako intyna, warstwa odpowiadająca ścianie wtórnej to egzyna. Odkładane są w niej znaczne ilości sporopoleniny, substancji o wyjątkowej odporności chemicznej. Wtórnym przekształceniom zachodzącym w obrębie pierwotnej ściany komórkowej ulegają komórki epidermy^[2]. W wyniku kutynizacji, odkłania kutyny pomiędzy elementami szkieletowymi zewnętrzna ściana komórkowa staje się trudno przepuszczalna dla wody, chroniąc roślinę przez jej utratą. Dodatkowo, w procesie kutykularyzacji, na powierzchni ściany mogą odkładać się woski i kutyna tworząc kutykulę^[9].

PIERWOTNEJ

- u młodych, aktywnych metabolicznie komórek; elastyczna, zbudowana głównie z celulozy, hemiceluloz i pektyn; zdolna do plastycznego rozciągnięcia, mikrofibryle celulozowe ( 10%)ułożone równolegle do powierzchni ściany; W jej skład wchodzą wyłącznie elementy szkieletowe z celulozy praz macierz z hemiceluloz, pektyn oraz białek.

ekspansyny - grupa białek o masie 29-30 kDa, obecnych w ścianie komórkowej roślin, odpowiedzialnych za wzrost komórki roślinnej związany z rozluźnieniem struktury ściany komórkowej. Wyróżniane są cztery rodziny ekspansyn: α-ekspansyny, β-ekspansyny, ekspansyny typu A i ekspansyny typu B. Ekspansyny α i β mają wykazaną doświadczalnie zdolność rozluźniania ścian komórkowych. Pozostałe dwie rodziny zostały poznane jedynie jako sekwencje genów. Zwykle cząsteczka ekspansyny składa się z 250-275 reszt aminokwasowych tworzących dwie domeny. Ekspansyny zostały zidentyfikowane jako czynnik odpowiedzialny za wzrost objętościowy komórek, tzw. wzrost kwasowy. Najwyższą aktywność biologiczną ekspansyny wykazują przy niskim pH. Wzrost kwasowy indukowany jest przez auksyny, które powodują zarówno obniżenie pH apoplastu, jak i rozluźnienie struktury ściany komórkowej. Rozciągnięcie ściany komórkowej następuje pod wpływem turgoru po jej rozluźnieniu przez ekspansyny. Rola ekspansyn we wzroście kwasowym została potwierdzona przy wykorzystaniu roślin modyfikowanych genetycznie w doświadczeniach, polegających na wprowadzeniu dodatkowego genu ekspansyny, co prowadzi do wzmożenia wzrostu lub wyciszeniu genów komórki co skutkuje zahamowaniem wzrostu rośliny. Poza wzrostem objętościowym komórki ekspansyny uczestniczą w procesie mięknięcia owoców, odcinanie liści, kiełkowaniu nasion, wzrostu łagiewki pyłkowej, formowania ksylemu, tworzenia połączenia korzeni z organizmem grzyba w mikoryzie, formowaniu się brodawek korzeniowych tak zwanym zmartwychwstaniu Craterostigma plantagineum po wysuszeniu tkanek wegetatywnych. Mogą być również cząstką sygnałową dla roślin pasożytniczych.

W żywej komórce ekspansyny prawdopodobnie rozrywają wiązania wodorowe pomiędzy mikrofibrylami celulozowymi (MF), a hemicelulozą umożliwiają „ślizganie” się wzajemne mikrofibryl (MF) i w efekcie doprowadzają do rozluźnienia struktury ściany komórkowej (pH 3,5-4,5 - wtedy są aktywne). Glin i miedź hamują aktywność tych białek, poślizg elementów śiany komórkowej.

ekspansyny α i β - Ekspansyny α i β mają wykazaną doświadczalnie zdolność rozluźniania ścian komórkowych.

Ekstensyny - rodzina glikoprotein bogatych w hydroksyprolinę, budujących strukturę ściany komórek roślin. Masa monomerów ekstensyny została początkowo oszacowana na 80 kDa. W kolejnych badaniach natywny prekursor ekstensyn miała masę 240-300 kDa. Do licznych reszt hydroksyproliny przyłączona jest L-arabinoza. Ściana komórkowa roślin jest kompozytem składającym się z trzech wzajemnie przenikających się sieci. Dwie z tych sieci zbudowane są z polisacharydów a trzecia z glikoprotein. W genomie Arabidopsis thaliana kodowanych jest 20 ściśle homologicznych polipeptydów ekstensyn. Polipeptydy te są niezbędne do wykształcenia ściany komórkowej podczas cytokinezy. Potwierdzają to obserwowane zaburzenia na etapie embriogenezy u mutanta niezdolnego do syntezy ekstensyny. Podwyższona zawartość ekstensyn umożliwia ochronę tkanek roślinnych przed patogenami. Usieciowanie powstające w wyniku działania peroksydaz i H₂O₂ pozwala uzyskać barierę przez która nie są w stanie przeniknąć mikroorganizmy.

Auksyny - regulacja wzrostu i różnicowanie; grupa substancji chemicznych zaliczanych do hormonów roślinnych. Stymulują wzrost roślin oraz wpływają na kształtowanie się owoców partenokarpicznych) i odgrywają istotną rolę w procesach adaptacji takich jak fototropizm i geotropizm

Kwas indololo-3-ostowy (IAA)- powstaje w tkankach roślinnych z tryptofanu i zawiera w swej czasteczce aromatyczny pierścień indolowi z bocznym łańcuchem zakończonym grupą karboksylową.

Miejsca biosyntezy auksyny:

• merystemy wierzchołkowe

• pędy (młode liście, młode owoce, wierzchołki pędów)

• w minimalnym stopniu korzenie

Prekursorem auksyny jest tryptofan.

optymalne stężenie auksyny fizjologiczne - 10^-5M = 0,01mM

Stężenie fizjologiczne pobudza wrost pędu, a hamuje wzrost korzenia (wszystko zależy od stężenia)

Transport auksyny jest polarny. Ruch IAA przebiega w kierunku bazypetalnym (od wierzchołka do podstawy) , a po dotarciu do czapeczki korzenia następuje odwrócenie transportu auksyny w kierunku akropetalnym (od korzeni do wierzchołka rośliny)

białka pin - nośnik, wyjście auksyny z komórki

białka auks - nośnik, wejście auksyny do komórki

Auksyna może wejść do komórki przez plazmolemme lub białkami auks. Wychodzą tylko aniony, ponieważ w komórce jest pH 7.

Wykład II

Protonowa (H+) pompa zawierająca ATP-azę która wymaga IAA jako efektora (H+-ATP-aza)

Teoria kwasowego wzrostu - 4 tezy:

• auksyna musi stymulować wyrzucanie protonów na zewnątrz komórki

• egzogenne (podawane z zewnątrz) protony naśladują efekt działania auksyny

• obojętne bufory będą chamować wzrost indukowany auksyną

• inne substancje, które będą stymulować wyrucanie jonów H+ na zewnątrz będą mogły zastępować auksyny

Koncepcja Hagera (1991)

Auksyna po połączeniu się ze swoim receptorem działa na aparat genetyczny (transkrypcja i translacja), specjalne RNA dostaje się do aparatu Golgiego i jest transportowane pęcherzykami. Pęcherzyki niosą nowe H+-ATPazy, błona się poszerza i pula białek się zwiększa. Przyrasta ściana komórkowa.

Sposób działania auksyny i fuzikoksyny:

Plazmolemmowa pompa protonowa - integralne białka błonowe, zdolne do transportu protonów (jonów wodorowych H⁺) przez błony biologiczne przeciwnie do ich gradientu stężenia. Proces transportu jest procesem wymagającym energii.

Hedrich - 6 faz wzrostu :

1. faza Lag - faza utajonego wzrostu, epolaryzacja błony (bardziej dodatni ładunek), połączenie się auksyny z receptorami i jej transport

2. inicjacja - zmniejszenie szybkości wrostu, zwiększenie liczby mRNA, kanały potasowe 2MK1 - aktywacja

3. ekspansja - wzrost elongacyjny, zwiększenie ilości białek kanałów, egzocytoza, skok szybkości wzrostu tkanki

4. pik - przejściowa

5. adaptacja - zwiększenie syntezy błony i ściany komórkowej, spadek liczby cząsteczek mRNA

6. 
   stan ustabilizowany - stały wzrost

Fuzikokcyna (FC) - toksyna grzybowa, wytwarzana przez Fusicoccum amygdali powoduje hiperpolaryzację membran cytoplazmatycznych poprzez stymulację H + -ATPazy (zaburza transport jonów, substratów, wzrost komórek, przenoszenie sygnałów i transkrypcję genów odpornościowych) optymalne stężenie: 10^6- M

Fizjologiczna rola fuzikokcyny:

• stymulacja wzrostu elongacyjnego komórek roślinnych

• otwieranie szparek

• przerywanie okresu spoczynku nasion

• udział w transporcie elektrolitów

• regulacja wewnątrz- i zewnątrzkomórkowego pH

• kontrola potencjału membranowego

• pobudzenie w podobnych stężeniach wzrostu korzeni i pędów

• hamowanie wzrostu liści

• stymulacja produkcji etylenu

Mechanizm fuzikokcyny:

IAA pH 4,5-5

Fuzikokcyna pH 3-3,8

Kwas 4-chloroindolilo-3-octowy - naturalna auksyna, charakterystyczna dla roślin motylkowych; 4-Cl-IAA, pierwszy raz wyizolowano z groszku, że jest naturalnie w roślinach motylkowych. Że jest "hormonem śmierci" -> powoduje zjawisko obumierania części roślin po wykształceniu nasion

---