Programowana śmierć

i

starzenie

komórek roślinnych

Wstęp i definicje

• Programowana śmierć komórki (PCD)

jest uznawana

za jedno z najważniejszych zjawisk odpowiedzialnych
za formowanie organów roślinnych.

• PCD jest procesem niezbędnym na wielu etapach

ontogenezy

.

• Przykłady PCD:

– embriogeneza – degradacja komórek tworzących tapetum,

bielma i wieszadełka,

– histogeneza – powstawanie

aerenchymy

(miękiszu

powietrznego), powstawanie członów naczyń

ksylemu

(kanałów transportujących wodę w roślinie)

– reakcja nadwrażliwości (HR) – bardzo szybkie obumieranie

komorek zainfekowanych patogenem.

• Programowana śmierć komórki (programmed cell death,

PCD)

- aktywny proces eliminacji składników komórki,

prowadzący ostatecznie do jej śmierci, zachodzący
podczas rozwoju, a także w odpowiedzi na warunki
środowiskowe.

• Starzenie

– podczas starzenia, z komórek organów

które obumierają zostają wycofywane zmagazynowane
zasoby węgla i azotu do pozostałych części rośliny.

• Zasadnicza różnica

–

starzenie

może być procesem

odwracalnym

, jednak po przekroczeniu określonej

granicy staje się

nieodwracalnym procesem PCD.

Wstęp i definicje

Różnica PCD w komórkach zwierzęcych

i roślinnych

• W komórkach zwierzęcych przed PCD nie ma

wycofywania zmagazynowanych zasobów węgla i azotu
do tkanek żywych.
Starzenie komórek zwierzęcych nie musi się wiązać z ich
śmiercią. Stara komórka nie dzieli się, zmienia się jej
morfologia i metabolizm, ale może długo funkcjonować i
żyć.

• W komórkach roślinnych oba procesy są

zsynchronizowane, starzenie uznaje się jako
zaprogramowaną genetycznie, samobójczą
śmierć komórki - PCD.

Funkcje PCD

Likwidacja komórek

zaatakowanych

przez patogeny

Likwidacja komórek
pełniących

czasowo

czasowo

określone funkcje

Likwidacja
niepotrzebnych komórek

Likwidacja komórek
podczas różnicowania
(specjalizacji) komórek

• W komórkach zwierzęcych PCD kończy się apoptozą.

Apoptoza to zaprogramowany genetyczne proces
obumierania komórek, w którego końcowej fazie
fragmenty struktury zostają

pochłonięte przez sąsiadujące

komórki (makrofagi) i całkowicie strawione w lizosomach.

• W komórkach roślinnych proces wchłaniania jest

niemożliwy
z powodu istnienia

ściany komórkowej.

U roślin podczas PCD następuje proces

samotrawienia AUTOFAGIA.

Różnica PCD w komórkach zwierzęcych

i roślinnych

PCD u roślin

AUTOFAGIA – ( gr. autos –sam, phagos – pożeracz) – polega

na trawieniu przez komórkę niektórych własnych
elementów jej struktury.

Może dotyczyć jednej komórki, bez włączania
sąsiadujących komórek.

Autofagia

W procesie autofagii kluczową rolę

odgrywa

wakuola lityczna

,

prowadzącej do degradacji

protoplastu.

Zawiera ona zestaw enzymów

hydrolitycznych trawiących

komponenty komórkowe.

W komórce roślinnej może występować kilka

rodzajów wakuoli. Zróżnicowanie funkcji

wakuoli jest uwarunkowane m.in.

charakterem białek zgromadzonych w ich

wnętrzu.

Wakuole lityczne

powstają, gdy w

soku wakuolarnym gromadzą
się liczne enzymy
hydrolityczne, co prowadzi do
znacznego zwiększenia jej
objętości.

Enzymy hydrolityczne,
kodowane przez genom
jądrowy lub pochodzące z ER,
syntetyzowane są w cytozolu i
dostarczane do wakuoli w
świetle

pęcherzyków

błonowych

(PPV)

jako

nieaktywne prekursory
proteaz. Wewnątrz wakuoli w
kwaśnym pH ulegają aktywacji.

Powstawanie wakuoli litycznych

Typy autofagii

Wakuola „wyposażona” w odpowiednie enzymy

podlega następnie kolejnym zmianom związanym z
procesem autofagii.

Trzy typy (ścieżki) autofagii:-

mikro

autofagia -

makro

autofagia

-

mega

autofagia

Mikro

autofagia

------

Mały fragment cytoplazmy

zostaje

„włączony” przez inwaginację (wpuklenie)
do wakuoli litycznej, powstaje ciało
autofagowe, które zostaje strawiony przez
proteazy.

Makro

autofagia

-----

Duży fragment cytoplazmy

wraz z

organellami zostaje „zamknięty” w

autofagosomie

(pęcherzyk otoczony

podwójną błoną).

Autofagosomy

powstaje prawdopodobnie z

ER.

Makro

autofagia

(a) Na terenie cytoplazmy powstają

autofagosomy

które zostają

włączone do

wakuoli litycznych

.

Zewnętrzna błona

autofagosomu „zlewa” się z

tonoplastem, a autofagosom

przekształca się w ciało

autofagowe, stopniowo

degradowane przy udziale

wakuolarnych proteaz.

(b) U niektórych roślin (tytoń)

autofagosomy mogą także

zlewać się z lisosymami lub

endosomami na terenie

cytoplazmy. Powstają

autolisosomy

, na terenie

których autofagosomy mogą być

częściowo degradowane, zanim

zostaną włączone do wakuoli.

autofagosom

autolisosom

Mega

autofagia

1. Mega

autofagia rozpoczyna się od indukcji genów kodujących

specyficzne enzymy hydrolityczne, których ilość wzrasta w soku

wakuolarnym:

■

proteazy cysteinowe i serynowe

■ endonukleazy

(RNA-zy, DNA-zy)

■ kwaśne fosfatazy
■ lipazy

2. Wakuola znacznie się powiększa, zajmując niemal cały protoplast.
3. Następuje przerwanie tonoplastu i zakwaszenie protoplastu
4. Uwolnione enzymy rozpoczynają degradację składników komórki

PCD w roślinach

Obecnie wyróżnia się 2 typy przebiegu PCD w roślinach:

■

autofagia

- PCD z wytworzeniem autofagosomów

(mikro- i

makroautofagia)

■ apoptoza -

PCD bez ich wytwarzania autofagosomów

(=

megaautofagia)

■ nekrozy

- PCD nielizozomalna

Przebiegu PCD zależy od typu komórek/tkanek oraz czynników

środowiskowych i endogennych.

Rodzaje PCD w roślinach:
▲

PCD związana z rozwojem (autofagia)

-

obumieranie protoplastu podczas procesu
embriogenezy lub histogenezy
(powstawanie ksylemu, floemu,
aerenchymy) nazwano DCD (ang.
developmental cell death).

▲

PCD związana z reakcją na stresy (apoptoza)

(abiotyczne, biotyczne – HR, SAR)

PCD w roślinach

Warunkiem rozpoczęcia ksylogenezy jest odpowiednie

uformowanie wtórnej ściany komórkowej (zlignifikowanej).

Autofagia związana z rozwojem

(prowadząca do powstania naczyń ksylemu)

6 h

20 min.

Brassinisteroidy

(+jony Ca)

indukują PCD związaną z

powstawaniem naczyń ksylemu:

■

indukcja formowanie

ściany wtórnej

komórek

■

stymulują syntezę i

akumulację w wakuoli
specyficznych enzymów
hydrolitycznych:

S1-

nukleazy, DNA-zy, RNA-zy,
proteazy cysteinowe,
kwaśne fosfatazy.

■

pęknięcie wakuoli

powoduje wypłynięcie soku
wakuolarnego wraz z
enzymami

■

następuje

szybka

degradacja organelli
komórkowych

■

częściowej

degradacji ulega także
ściana komórkowa (powstają

pory

naczyń ksylemu)

Autofagia związana z rozwojem

(prowadząca do powstania naczyń ksylemu)

Ca

Kluczowym momentem PCD jest przerwanie tonoplastu,

dalsze etapy trwają ok. 10-20 min

Sekwencja zdarzeń od momentu przerwania ciągłości

tonoplastu:

• degradacja zawartości chloroplastów (DNA),

• kondensacja chromatyny w jądrze komórkowym,

• stopniowa degradacja chromatyny, otoczka jądrowa

pozostaje nienaruszona do późnych etapów PCD.

Autofagia związana z rozwojem

(prowadząca do powstania naczyń ksylemu)

Adaptacji korzeni do niekorzystnych warunków środowiska
(hypoksja) jest regulowana przez etylen i ROS.

Wykształcenie aerenchymy umożliwia dyfuzję tlenu i
przebieg procesów metabolicznych funkcjonujących w
warunkach tlenowych

ROS

Powstawanie
aerenchymy jest
związane z

całkowitym

zanikiem ścian
wybranych komórek.

Autofagia związana z rozwojem

(prowadząca do powstania aerenchymy)

Wpływ

ROS

i fitohormonów na

PCD komórek

(a-e) i

protoplastów

(f-g) w warstwie aleuronowej kiełkującego jęczmienia.

GA – stymulują aktywność enzymów hydrolizujących materiały zapasowe,

ROS – odgrywają ważną rolę w degradacji komórek, powodując uszkodzenia składników komórkowych.

+ABA + H

2

O

2

+GA

- k. żywe

- k.
martwe

+ABA

+GA+H

2

O

2

Autofagia związana z rozwojem

(degradacja warstwy aleuronowej podczas kiełkowania

zbóż)

Produkcja i akumulacja

ROS

Spadek aktywności

mitochondriów

(deficyt ATP, słaba

regeneracja anty-

oksydacyjna

Obniżenie aktywności

systemu antyoksydacyjnego

(SOD, CAT, APOX)

Oksydacyjne uszkodzenia

błon

(peroksydacja lipidów,

degradacja białek

i rozpad plazmalemy)

PCD

Autofagia związana z rozwojem

(udział

ROS

w degradacji warstwy aleuronowej podczas

kiełkowania zbóż)

Apoptoza podczas reakcji nadwrażliwości

(HR) w odpowiedzi na atak patogenów

• Reakcja nadwrażliwości to bardzo

szybka reakcja

, bez

wytwarzania autofagosomów,

podobna do apoptozy (u

zwierząt),

• Pierwsze symptomy HR następują w

mitochondriach

-

wypływ cytochromu c.

• Wczesne zmiany w jądrze komórkowym, przed

pęknięciem wakuoli

• Szybkie obkurczanie cytoplazmy
• Produkcja dużej ilości ROS

PCD spowodowana atakiem patogenu

Pierwsze symptomy HR następują w

mitochondriach

(wypływ cytochromu c)

ROS -

powstające podczas reakcji nadwrażliwości (HR) wraz z

białkami BAX powodują powstanie

MEGAKANAŁÓW

w

zewnętrznej błonie mitochondrialnej, pozwalające na przejście
białek (m.in. cytochromu c) do cytosolu.

Białka te stymulują

kaspazy

i inne pomocnicze białka

apoptotyczne, co aktywuje nieodwracalną PCD.

Mechanizm PCD

spowodowana atakiem

patogenu

Odpowiedź

systemiczna

Odpowiedź rośliny na patogeny może być:

• miejscowa

• systemiczna (w miejscu oddalonym od miejsca ataku
patogena)

Odpowiedź miejscowa

Nekrozy

(odpowiedź miejscowa)

• Powstanie nekroz polega na

zahamowaniu

w protoplaście

obumierającej komórce podstawowych

procesów

biosyntetycznych

, któremu towarzyszy dezorganizacja

błon, bez udziału litycznej wakuoli i autofagosomów.

Z

reguły dotyczy małej liczby komórek

.

• Szybka reakcja na atak patogenu,

wskutek nagromadzeniu

ROS

.

Dwufazowa akumulacja ROS podczas

HR

0 1 2 3 4 5 6 7

1.

sygnał

2.

fala

oksydacyj

na

ROS (H

2

O

2

) i RNS (NO) biorą udział we wczesnych etapach

odpowiedzi na patogen:

1. jako sygnał, „iskra” uruchamiają

ścieżki obrony,

2. jako fala oksydacyjna powodują nekrozy lub PCD,

które

ograniczają rozprzestrzenianie patogenu.

NEKROZY

Warunki środowiska i faza rozwojowa

kształtują odpowiedź morfogenetyczną

rośliny

ROS = sygnał ”śmierć”

PCD podczas

starzenia

■ Proces obumierania komórek podczas starzenia jest znacznie

dłuższy

niż PCD

związana z rozwojem czy atakiem patogena.

■ Starzenie jest bowiem

poprzedzony redystrybucją materiałów

zapasowych

do

innych organów rośliny (młodsze liście, kwiaty i rozwijające się owoce i nasiona).

PCD podczas

starzenia

■

PCD w trakcie starzenia charakteryzują w pierwszej

kolejności

szybkie zmiany

w chloroplastach

w chloroplastach

- zahamowanie syntezy białek poprzez zahamowanie

aktywności polimerazy RNA,

- degradacja tylakoidów,
- degradacja białek i DNA w stromie).

■ Proces starzenia może być

odwrócony

.

Przywrócenie aktywności polimerazy RNA może prowadzić
do zatrzymania degradacji chloroplastów, powtórnego ich
funkcjonowania i zazielenienia liści.

■

Dopiero gdy proces obumierania

chloroplastów

stanie się

nieodwracalny rozpoczynają się zmiany w wakuoli.

■

Zmiany w jądrze zachodzą na końcu procesu PCD

(kondensacja chromatyny, fragmentacja DNA przy udziale
swoistych endonukleaz).

Regulacja starzenia

Proces starzenia jest regulowany przez:

■

czynniki egzogenne

(stres, brak

substancji pokarmowych, ciemność),

■

endogenne

(wiek, hormony)

Etylen indukuje powstawanie warstwy

odcinającej

Wysokie stężenie
auksyn hamuje
syntezę etylenu

Spadek stężenia
auksyny
stymuluje
syntezę etylenu

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

Starzenie liści zależy od ich wieku

i jest regulowane przez specyficzne geny: SDG

i SAG

Ekspresja genów podczas rozwoju liści (SDG – geny

hamowane podczas starzenie) i ich starzenia (SAG – geny

stymulowane podczas starzenie)

SDGs – senescence-decreased genes
SAGs – senescence-associated genes

Ekspresja genów SAG jest stymulowana przez szereg hormonów (JA, ABA, etylen)

Regulacja procesu starzenie roślin

Endo- i

egzogenne

sygnały inicjacją

starzenia

ROS

oraz SA i

hormony (etylen,

JA) regulują

realizację

starzenia

I. Faza inicjacji:

- spadek intensywności fotosyntezy
- zmiana wzorca dystrybucji asymilatów

- zatrzymanie proc. metabolicznych

II. Faza degradacji

- degradacja składników komórkowych
białek, lipidów, kw. nukleinowych

- transport produktów rozpadu do
innych organów

III. Faza końcowa

-

wzrost produkcji ROS

- degradacja jądra i mitochondriów

- utrata integralności komórki

- śmierć komórki

Sygnał endogenny

rozwojowy

Sygnał egzogenny

środowiskowy

Przebieg procesu starzenia

(fazy starzenia)

Podsumowanie