ODBIÓR I PRZEKAZYWANIE
SYGNAŁÓW W
ORGANIZMIE ROŚLINNYM
Dr Anna Aksmann
Katedra Fizjologii i
Biotechnologii Roślin
ODBIÓR I PRZEKAZYWANIE
SYGNAŁÓW W
ORGANIZMIE ROŚLINNYM
Dr Anna Aksmann
Katedra Fizjologii i
Biotechnologii Roślin
Bodźce środowiskowe odbierane przez roślinę i
wpływające na jej wzrost i rozwój
Fotoperiod
wilgotność
Światło
fotosyntetycznie
aktywne
Światło
morfogenetycznie aktywne
temperatura
wiatr
patogeny
roślinożercy
Etylen
pasożyty
Dostępność
wody
gleba
Mikroorganizmy glebowe
Toksyny
Związki allelopatyczne
Sole
mineralne
grawitacja
Mechanizm przekazywania sygnałów
Receptory komórkowe – struktury
odpowiedzialne za rozpoznawanie bodźców
1. Receptory błonowe
2. Receptory wewnątrzkomórkowe
Przeniesienie informacji od receptora do miejsca
docelowego działania bodźca to
transdukcja
(przekazywanie) sygnału. Poszczególne etapy
transdukcji to
łańcuch transdukcji sygnału.
Łańcuch transdukcji sygnału
Cytoplazma
Kolejne cząsteczki kaskady transdukcji sygnału
Cząsteczka
sygnałowa
Plazmalemma
Przestrzeń
zewnątrzkomórkowa
1. Odbiór bodźca
2. Transdukcja sygnału
Aktywacja
enzymów,
transkrypcji
genów itp.
3. Odpowiedź
komórki
Typy układów transdukcyjnych
1. Jednoskładnikowy, np. receptorowa kinaza tyrozynowa
Integralne białko błonowe (kompleks białek). Domena wystająca poza
komórkę =
receptor
, domena wewnętrzna =
efektor
wyzwalający
kaskadę sygnałową.
Typy układów transdukcyjnych
2. Dwuskładnikowy, np. receptoropodobna kinaza histydynowa
Złożony z dwóch białek:
sensora
, odbierającego bodziec i
regulatora
,
wyzwalającego kaskadę sygnałową.
Zewnątrzkomórkowa domena sensora odbiera bodziec, co powoduje
autofosforylację domeny wewnętrznej. Ta z kolei fosforyluje białko
regulatorowe, aktywując je. Zapoczątkowana zostaje kaskada sygnałowa.
3. Trójskładnikowy
.
Składa się z:
a) receptora
, którego domena
zewnętrzna odbiera bodziec, a
wewnętrzna (kinaza serynowo-
treoninowa) aktywuje białko
sprzęgające
b) białka sprzęgającego
(transdukcyjnego, np. białko G
– wiążące GTP)
c) efektora
(enzym lub kanał
jonowy), który powoduje
zmiany stężenia wtórnego
przekaźnika informacji
d) wtórnego przekaźnika
informacji
(np. Ca
2+
, cAMP),
który wpływa na aktywność
kolejnych efektorów kaskady
sygnałowej
Aktywny efektor
Receptor
Białko G
Efektor
Kaskada sygnałowa
Receptory roślinne
1. Fitochromy – receptory światła
czerwonego i dalekiej czerwieni
2. Kryptochrom – receptor światła
niebieskiego
3. Receptory fitohormonów
Receptory roślinne
Fitochromy – receptory
światła czerwonego i
dalekiej czerwieni:
wraz z kryptochromem
kontrolują
fotomorfogenezę
–
procesy wzrostowo-
rozwojowe zależne od
światła.
STRUKTURA FITOCHROMU
Dwie identyczne podjednostki dimeru
Domena 2
–
aktywność
kinazy
Chromofor
– kowalencyjnie
zwiazana cząsteczka
absorbująca światło
Domena 1
–
aktywność
fotoreceptorowa
STRUKTURA FITOCHROMU
Chromofor:
fitochromobilina
Izomer cis
Izomer trans
Wiązanie
tioeterowe
Światło
czerwone
powoduje
konwersję
cis do trans
Po
lipe
pty
d
DZIAŁANIE FITOCHROMU
Brak reakcji
lub
hamowanie
Reakcja
organizmu
Forma
Pr
absorbuje światło
czerwone
…
… więc
w świetle
czerwonym
w
komórce występuje
forma
Pfr
… więc
w świetle
dalekiej czerwieni (lub
w ciemności)
w
komórce występuje
forma
Pr
Forma
Pfr
absorbuje
światło dalekiej
czerwieni…
Procesy kontrolowane
przez fitochrom
Gromada
Rodzaj
Stadium
rozwoju
Efekt indukowany przez
światło czerwone
Okrytozalążkowe Lactuca (sałata),
Nasiona
Indukcja kiełkowania
Avena (owies)
Siewki (etiolowane)
Indukcja deetiolacji (np.
rozwijanie liści)
Sinapis (gorczyca)
Siewki
Tworzenie zawiązków liści, rozwój
liści pierwotnych oraz produkcja
antocyjanów
Pisum (groch)
Roślina
Inhibicja wydłużania międzywęźli
Xanthium (rzepień)
Roślina
Inhibicja kwitnienia (odpowiedź
fotoperiodyczna)
Nagozalążkowe
Pinus (sosna)
Siewka
Zwiększona akumulacja chlorofilu
Paprotniki
Onoclea (onoklea)
Młody gametofit
Indukcja wzrostu
Mszaki
Polytrichum (płonnik) Zarodek
Indukcja replikacji plastydów
Zielenice
Mougeotia (mużocja) Dojrzały gametofit
Zmiany położenia chloroplastu
(prostopadle do kierunku padania
światła)
R - czerwień, FR - daleka czerwień.
Ciemność
R
R
FR
R FR
R
R
FR
R
FR
Kiełkowanie nasion sałaty
kontrolowane jest przez fitochrom
Światło czerwone
indukuje proces
kiełkowania nasion;
efekt ten jest
odwracalny przez
światło dalekiej
czerwieni.
Receptory roślinne
Receptory fitohormonów:
uczestniczą w przekazywaniu
sygnałów hormonalnych w
organizmie roślinnym
RECEPTOR AUKSYN
– BIAŁKO TIR1
Kompleks receptorowy SCF
TIR1
Powtórzenia bogate w leucynę
ułatwiają interakcje białko-białko
Kompleks
receptorowy
SCF
TIR1
Ubikwityna
Poliubikwityna
Indukowana przez auksynę
degradacja represora AUX/IAA
Proteosom 26S
TIR1 zawiera
powtórzenia bogate w
leucynę.
TIR1 stanowi podjednostkę
kompleksu ligazy ubikwitynowej
E3 (SCF
TIR1
).
Brak auksyny
– represor AUX/IAA
hamuje ekspresję genów
zależnych od auksyn.
Wiązanie auksyny z
kompleksem SCF
TIR1
powoduje
jego aktywację a następnie
ubikwitynację i proteolizę
represora AUX/IAA
– następuje
ekspresja genów.
Mechanizm przekazywania sygnałów
Endogenne cząsteczki sygnałowe u roślin –
fitohormony:
1. Auksyny, np. kwas indolilo-3-octowy (IAA).
2. Cytokininy, np. zeatyna.
3. Gibereliny, np. kwas giberelowy (GA
3
).
4. Jasmonidy, np. kwas jasmonowy (JA).
5. Etylen.
6. Kwas abscysynowy (ABA).
7. Brasinosteroidy (BS), np. brasinolid.
Hormony
§ Aktywne w bardzo niskich stężeniach.
§ Występują powszechnie w roślinach i wszędzie wykazują
jednakową aktywność biologiczną.
§ Miejsce ich działania jest inne, niż miejsce syntezy.
§ Wykazują działanie plejotropowe – jeden hormon działa na
kilka procesów, a każdy proces jest regulowany przez kilka
hormonów.
Auksyny – funkcje
§ Stymulują wzrost wydłużeniowy komórek.
§ Stymulują ukorzenianie.
§ Uczestniczą w zawiązywaniu owoców, ale
opóźniają ich dojrzewanie.
§ Regulują kwitnienie – hamują/stymulują
zależnie od stężenia i fazy rozwoju rośliny.
§ Regulują procesy starzenia – zależnie od
stężenia hamują /stymulują zależnie od
stężenia i organu rośliny.
§ Biorą udział w ruchach roślin.
Najbardziej charakterystyczny przejaw działania
auksyny – stymulacja wzrostu wydłużeniowego
komórek
*ekspansyny, hydrolazy
Enzymy*
Pompa
protonowa
Stymulacja przez
auksynę
Plazmalemma
Ściana
komórkowa
Aktywacja
Celuloza
WZROST
WYDŁUŻENIOWY
ŚCIANA
KOMÓRKOWA
CYTOPLAZMA
Rozluźnienie fibrylli celulozowych –
komórka może rosnąć
AUKSYNY STYMULUJĄ WZROST WYDŁUŻENIOWY
FRAGMENTÓW KOLEOPTYLI OWSA
Fragmenty koleoptyli inkubowano przez 18 h w wodzie (A) i roztworze
auksyny (B). Wewnątrz półprzezroczystego koleoptyla widoczny jest liść.
(A)
(B)
Cytokininy
Wszyscy przedstawiciele nielicznej klasy
cytokinin są pochodnymi adeniny.
W przeciwieństwie do pochodnych
cukrowych innych hormonów, glikozydy
(rybozydy) cytokinin i ich fosforany
wykazują aktywność biologiczną.
Cytokininy - funkcje
§ Indukują podziały komórek.
§ Stymulują kwitnienie.
§ Rozwój/uaktywnianie pąków bocznych.
§ Opóźniają starzenie.
§ Znoszą spoczynek.
§ Biorą udział w ruchach aparatów
szparkowych.
Przekrój podłużny przez
wierzchołek wzrostu tytoniu (typ
dziki).
Przekrój podłużny przez wierzchołek
wzrostu transgenicznego tytoniu
(nadekspresja genu AtCKX1,
kodującego oksydazę cytokininową).
Redukcja wielkości merystemu
wierzchołkowego u roślin
transgenicznych (niedobór
cytokinin).
Najbardziej charakterystyczny przejaw działania
cytokinin – stymulacja podziałów komórkowych
Opóźnienie starzenia się liści u transgenicznego
tytoniu zawierającego gen ipt
Agrobacterium tumefaciens
Transgeniczny
tytoń
Kontrola
ipt – koduje enzym uczestniczący w
biosyntezie cytokinin (transferaza
izopentenylowa).
Liście rośliny transgenicznej pozostają
zielone (zdolne do fotosyntezy).
Gibereliny
Związkiem wyjściowym do syntezy giberelin jest acetylo-CoA
Synteza giberelin zachodzi w:
Dojrzewających nasionach i owocach
Pręcikach kwiatów
Młodych liściach
Gibereliny – efekty działania
§ Indukcja kwitnienia.
§ Wzrost wydłużeniowy komórki.
§ Przerywanie spoczynku.
§ Bierze udział w kiełkowaniu nasion.
§ Stymuluje zawiązywanie owoców.
Kapusta, roślina dnia długiego, tworzy
rozety jeśli uprawiana jest w warunkach
dnia krótkiego. Podanie GA
3
powoduje
wybijanie długiego pędu kwiatowego.
Najbardziej charakterystyczny
przejaw działania giberelin –
indukcja kwitnienia
Świerk biały (Picea glauca)
Świerk biały
Siewka sekwoi olbrzymiej (Sequoiadendron giganteum)
POD WPŁYWEM GIBERELIN POWSTAJĄ ZAWIĄZKI SZYSZEK
Do łodygi świerka
wstrzykiwano poprzedniego
lata mieszaninę GA
4
/GA
7
w
uwodnionym alkoholu.
14-
tygodniową siewkę
sekwoi zraszano 8 tygodni
wcześniej wodnym
roztworem GA3
„Super
karzeł”
„Karzeł”
„Wysoki”
„Smukły”
Super karzeł: brak GA, nana
Karzeł: zawiera GA
20
oraz śladowe ilości GA
1
, NA
le
Wysoki: zawiera GA
1
, NA LE
Smukły: zawiera więcej GA
1
, NA LE sln
MUTANTY GROCHU RÓŻNIĄCE SIĘ
ZAWARTOŚCIĄ GIBERELIN W
TKANKACH WEGETATYWNYCH
Rola giberelin w kiełkowaniu ziarniaków
jęczmienia
Koleoptyl
Zawiązek pierwszego liścia
Stożek wzrostu pędu
Tarczka
Korzeń
Okrywa owocowo-nasienna
Warstwa aleuronowa
Skrobiowa część bielma
Komórki aleuronowe
Enzymy
hydrolityczne
Produkty
hydrolizy
1. Gibereliny syntetyzowane są w
zarodku a następnie dyfundują przez
tarczkę do skrobiowej części bielma.
2. Gibereliny
dyfundują
do warstwy
aleuronowej
3. W komórkach warstwy
aleuronowej gibereliny
indukują syntezę α-
amylazy i innych hydrolaz,
które wydzielane są do
bielma.
4. Skrobia i inne
makrocząsteczki
są hydrolizowane.
5. Produkty
hydrolizy
makrocząsteczek bielma są
wchłaniane przez tarczę i
transportowane do
rozwijającego się zarodka
Indukuje ekspresję genów
odpowiedzi na stres.
Indukuje zamykanie aparatów
szparkowych.
Bierze udział w odpowiedzi na
stres biotyczny.
Inhibitor kiełkowania i wzrostu.
Kwas abscysynowy
Bierze udział w rozwoju:
- przyspiesza starzenie,
- indukuje opadanie liści,
- reguluje kwitnienie.
Indukuje spoczynek
nasion.
Kwas abscysynowy (ABA) – funkcje
Zamykanie aparatów szparkowych pod
wpływem ABA
Aparat szparkowy komeliny widziany w mikroskopie świetlnym.
Do prawej komórki szparkowej wstrzyknięto pochodną ABA.
(A)
(B)
Pochodne ABA wstrzykiwano bezpośrednio do cytoplazmy
pojedynczych komórek szparkowych komeliny (Commelina
communis).
Etylen
Związkiem wyjściowym w biosyntezie etylenu w
tkankach roślinnych jest aminokwas metionina.
Kwas 1-aminocyklopropano-1-karboksylowy
(
ACC
) jest bezpośrednim prekursorem
etylenu w reakcji katalizowanej przez oksydazę
ACC.
Etylen – funkcje
§ Przyspiesza dojrzewanie owoców – zjawisko
klimakterium.
§ Przyspiesza starzenie i defoliację.
§ Wpływa na transport auksyn.
§ Indukuje wydłużanie międzywęźli oraz formowanie
pąków bocznych.
§ Występuje w formie gazowej.
Oksydaza ACC
Etylen
ACC (nmol
g
-1
)
Ety
len
(nL
g
-1
) lub ok
s
y
daz
a
ACC (nL
g
-1
h
-1
)
Dni po zbiorze owoców
Zmiany zawartości etylenu i ACC oraz
aktywności oksydazy ACC podczas dojrzewania jabłek
Golden Delicious
Owoce klimakteryczne i nieklimakteryczne
Klimakteryczne
Nieklimakteryczne
Jabłko
Papryka
Awokado
Wiśnia
Banan
Cytrusy
Melon cantaloupe
Winogrono
Jabłko budyniowe (Czerymoja)
Ananas
Figa
Fasolka szparagowa
Mango
Truskawka
Oliwka
Arbuz
Brzoskwinia
Gruszka
Kaki
Śliwka
Pomidor
Kaki
Jabłko
budyniowe
(Czerymoja)
Melon
cantaloupe
Przyspieszanie procesów starzenia i
defoliacji przez etylen
Kwiaty goździka trzymane w
wodzie dejonizowanej
(kontrola) i w roztworze
tiosiarczanu srebra (STS) –
inhibitora działania etylenu.
Róże przetrzymywane w
komorze z czystym powietrzem
(po prawej) i w komorze z
powietrzem z domieszką
etylenu (po lewej).
Rola etylenu i auksyn podczas
zrzucania liści
Auksyny
Auksyny
Żółknięcie
Etylen
Strefa
odcinania
Dojrzały liść
W liściach utrzymuje
się wysoki poziom
auksyn, który
obniża ich
wrażliwość na etylen
i zapobiega ich
opadaniu.
Powstanie strefy
odcinania
Spadek zawartości
auksyn zwiększa
produkcję etylenu
oraz wrażliwość
komórek strefy
odcinania na etylen.
Zrzucanie liści
Synteza enzymów
hydrolizujących
polisacharydy ściany
komórkowej i odcięcie
liścia.
Końcowa reakcja rośliny jest
wynikiem określonej
równowagi
hormonalnej
Organogeneza jest determinowana ilościowym
stosunkiem auksyn i cytokinin w podłożu
hodowlanym
brak
2
2
0,02
0,2
0,2
0,02
1
Brak wzrostu kallus korzenie pędy
Eksplantant
początkowy
Podłoże mineralne
zestalone agarem
Auksyna
IAA (mg/L)
cytokinina
Kin (mg/L)
dr Wojciech Pokora, Katedra Fizjologii i Biotechnologii Roślin
AUKSYNY STYMULUJĄ BIOSYNTEZĘ GIBERELIN
Wierzchołek
wzrostu
Wzrost
Wzrost
IAA (powstający w wierzchołku wzrostu) stymuluje syntezę GA
1
w
międzywęźlach grochu. Kwas indolilo-3-octowy hamuje również degradację
GA
1
.
Mechanizm przekazywania sygnałów
Wtórne przekaźniki informacji
1. Fosfoinozytole błonowe
2. Jony wapnia
3. Kalmodulina
4. Cykliczne nukleotydy (AMP i GTP)
5. Tlenek azotu
1. Fosfoinozytole błonowe – estry glicerolu i wyższych
kwasów tłuszczowych (np. palmitynowego):
IP
3
(inozytolo -1,4,5- trisfosforan) oraz
DAG
(1,2-
diacyloglicerol) powstające w cyklu przemian z PIP
2
(fosfatydyloinozytolo-4,5-bis-P) uczestniczą w
otwieraniu kanałów wapniowych (IP
3
) oraz aktywacji
kinaz białkowych błony (DAG)
2. Jony wapnia
Zwykły stan fizjologiczny – niskie stężenie Ca
2+
Otwarcie kanałów wapniowych
Bodziec
Wzrost stężenia Ca
2+
w cytoplazmie
Aktywacja procesów – odpowiedź komórki
Aktywacja pomp wapniowych – spadek
stężenia Ca2+
3. Kalmodulina – białko wiążące Ca
2+
Kalmodulina posiada na końcach cząsteczki dwie glubularne domeny
oddzielone elastyczną helisą
. Na obydwu globularnych końcach
kalmoduliny znajdują się po dwa miejsca wiążące jony wapnia.
1.
Związanie Ca2+
2. Aktywacja
kalmoduliny
3.
Związanie z białkiem
docelowym
– podczas
asocjacji z białkiem
kompleks
kalmodulina-Ca
2+
owija się wokół białka.
4.
Regulacja aktywności
związanego białka
(kinazy, fosfatazy
białkowej itp.)
4. Nukleotydy cykliczne
1.
Bodziec
2.
Aktywacja
receptora
błonowego
3.
Związanie cAMP
z kinazą białkową
A (PKA)
i jej
aktywacja
4.
Aktywacja białka
docelowego (np.
kanału
jonowego) przez
PKA
5. Tlenek azotu
a) Powstaje na drodze
enzymatycznej (z NO
2
-
przekształcanego przez
reduktazę aztanową) lub
nieenzymatycznej (z L-
argininy przy udziale
syntazy tlenku azotu
(NOS)
b) Bierze udział w regulacji
ekspresji genów
uczestniczących w
procesach wzrostu,
dojrzewania, starzenia
się i odpowiedzi na
czynniki stresowe, np.
atak patogenów
PATOGEN
Ca
2+
cGMP
NO
cyklaza guanylanowa
KWAS SALICYLOWY
Syntaza tlenku azotu
O
2
-.
ONOO
-
GENY REAKCJI OBRONNEJ
GENY REAKCJI OBRONNEJ
ŚMIERĆ KOMÓRKI
Materiały zawarte w wykładzie zostały przygotowane merytorycznie oraz graficznie na podstawie
następujących źródeł:
Kopcewicz J., Lewak S. „Fizjologia roślin”, PWN Warszawa, 2007
Taiz L., Zeiger E. „Plant physiology” Sinauer Associates, 2006
Taiz L., Zeiger E. „Plant physiology online”
http://quizlet.com/5340160/lec-4-ch-39-plant-signals-flash-cards/
http://plantphys.info/plant_physiology/phytochrome.shtml
oraz dzięki uprzejmości Pana dr Wojciecha Pokory (Katedra Fizjologii Roślin UG)