Hormony v rostlinách. Jaké jsou a co dělají?
Radomíra Vaňková Ústav experimentální botaniky AV ČR, Praha
Rozdíl mezi rostlinami a živočichy Přisedlý způsob života
x
mobilní
Autotrofní výživa (fotosyntéza) x heterotrofní (býložravci, masožravci)
Tvarová různorodost Totipotence buněk
x
předem definovaný tvar
Rozdíly mezi rostlinnými a živočišnými hormony tvorba hormonů v různých částech rostliny x biosyntéza ve specializovaných žlázách Každý hormon ovlivňuje více procesů x působení na určitý specifický proces Jeden proces je ovlivňován více hormony
Důsledek přisedlého způsobu života Velmi dynamické chování intenzivní interakce s prostředím (dostupnost živin, reakce na stresy)
Abiotické stresy
Biotické stresy
Rostlinné hormony „positivní regulátory růstu“ Auxiny Cytokininy Gibereliny Brasinosteroidy Strigolaktony „stresové hormony “ Kyselina abscisová Etylén Kyselina salicylová Kyselina jasmonová Peptidové hormony
Auxin
- byl objeven při studiu fototropismu Ohyb za světlem, zdrojem energie Kyselina indol-3-octová (IAA) auxin
CDC 25
CDK
Auxiny G2
- Stimulace buněčného dělení
M M
S G1
- Prodlužování buněk
G0
E2F
- Gravitropismus a fototropismus - Apikální dominance
RBR
- Stimulace tvorby kořenů
CYTOKININS sucrose
Cyc D
CDK
Gravitropismus – reakce na gravitaci V nadzemní části akumulace auxinu způsobí růst a prodlužování buněk ohyb
auxin V kořenech způsobí akumulace auxinu inhibici růstu
Koordinace mezi nadzemní částí a kořeny Auxiny a cytokininy
Apikální dominance zdroj auxinu Odstraněn vrchol (zdroj auxinu)
Cytokininy stimulují růst větví – náhrada vzrostného vrcholu
Praktické využití Zakořeňování řízků, sazenic Herbicidy na bázi auxinu
• Cytokininy Definovány jako látky stimulující buněčné dělení v přítomnosti auxinu ( Skoog a Miller, 1955) trans-zeatin
Tkáňové kultury
Převaha auxinu – diferenciace kořenů Převaha cytokininů – diferenciace výhonků Vyrovnaný poměr – nediferencované kalusové pletivo
Plant Phys. 38(3): 291, 1963.
Aplikace cytokininu na zakořeněný kus stonku hrachu - inhibice tvorby laterálních kořenů, - stimulace tvorby postranních pupenů
Snížení hladiny cytokininů (např. konstitutivní exprese CKX)
Zpomalení růstu nadzemní části, zvýšení růstu kořenů
Funkce cytokininů Stimulace buněčného dělení Zpomalení stárnutí
Zpomalení degradace chlorofylu Stimulace diferenciace chloroplastů Stimulace větvení – antagonismus s auxinem Zvýšení síly sinku (atrakce živin)
Stimulace buněčného dělení CDC 25
CDK
G2
Přechod G1/S i G2/M
M M
S G1
G0
E2F
RBR
CYTOKININS sucrose
Cyc D
CDK
CYTOKININS
Zpomalení stárnutí Zpomalení degradace chlorofylu „dlouhověká rostlina“ R. Amasino Rostlina začne stárnout Spustí se promotor SAG +
Vypne se SAG promotor
gen kódující isopentenyltransferázu
Zvýší se hladina cytokininů Zrušení programu senescence
SARK:IPT rostliny, zvýšená odolnost vůči suchu Praktická aplikace SAG:IPT kasava (prodloužení skladovatelnosti hlíz)
Zvýšení síly sinku (atrakce živin)
Ochrana apexu a mladých listů ve stresu
Gibereliny Plíseň Gibberella fujikuroi sekretuje látku, která stimuluje dlouživý růst rýže, ale eliminuje tvorbu zrn - ekonomicky velmi významná choroba. v r. 1958 identifikován giberelin A1 ve vyšších rostlinách (Phaseolus coccineus) dosud identifikováno přes 136 GA
Není ovlivněna aktivita
Pouze vzácně ve vyšších rostlinách
GA7 (= GA3 – 13C OH)
7) Funkce A) Stimulace dlouživého růstu stonku
především růst stonku z růžice listů, překonání zakrslosti B) Indukce kvetení C) Regulace embryogeneze, klíčení semen D) Stimulace buněčného dělení a elongace buněk G) Vývoj plodů - partenokarpie
A) Stimulace dlouživého růstu druhy tvořící vegetativní růžici listů, jednoděložné
především růst stonku z růžice listů, překonání zakrslosti jednoděložné – růst interkalárních meristémů
synergismus s auxinem, antagonismus vůči ABA
B) Květní indukce
GA nahradí dlouhý den u dlouhodenních rostlin, příp. vernalizaci
C) Regulace klíčení a tvorbu embryí
- mobilizace zásobních látek z endospermu, - stimulace rozkladu škrobu
- zrušení dormance (nahražení světla nebo chladu)
Vliv GA z embrya na tvorbu hydrolytických enzymů a štěpení škrobu během klíčení semene
G) Vývoj plodů – partenokarpie
GA iniciují růst plodů po opylení i bez opylení (partenokarpie – hrozny bez semen)
Protažení tvaru některých plodů (např. jablka)
Praktické aplikace GA
Stimulace hydrolytických enzymů -Tvorba sladu - GA ji urychlí stimulací tvorby hydrolytických enzymů Regulace dlouživého růstu - zvýšení výnosu cukrové třtiny (třtina netvoří škrob, uchovává cukry jako sacharozu, kterou skladuje v centrálních vakuolách parenchymu internodií stimulace prodloužení internodií (třtina o 20 t/ha, cukr o 2 t/ha) - inhibice růstu - omezení polehávání obilovin,
kompaktní vzrůst květin
- tvorba plodů - prodloužení délky stopek umožní větší nárůst bobulí vína - protažení tvaru jablek (Golden delicious) - oddálení senescence citrusů prodlouží období sklizně
Zablokování signální dráhy giberelinů umožnilo odstranit polehávání pšenic s vysokým výnosem (Norman Borlaug, zelená revoluce)
Brasinosteroidy Nalezeny v extraktu z pylu řepky olejky (Brassica napus) jako látky stimulující růst – nazvány „brassiny“
V biotestu na druhém internódu fazolu byla zjištěna řada účinků: Prodlužování buněk Buněčné dělení Ohyb Bobtnání Rozštěpení druhého internódu
Svébytný, nový druh hormonů
Z 227 kg pylu řepky olejky byly získány 4 mg brassinu nazvaného brassinolid (1979) 1982 získán castasteron (prekurzor brassinolidu )
Brasinosteroidy
Strigolaktony 1972– strigol a strigyl acetát nalezeny v kořenových exudátech bavlníku, identifikovány jako sloučeniny, které stimulují klíčení rostlin parazitujících na kořenech plodin Parazité: Striga lutea, Orobanche Plodiny: kukuřice, sorghum, proso, rýže, Rajčata, tabák, mrkev, okurka, slunečnice, luštěniny
2005 – 5-deoxystrigol izolován jako látka, která stimuluje větvení arbuskulární mykorhizní houby (symbiont – poskytuje fosfáty, bere si cukry)
Striga hemonthica
Terpenoidní laktony ABC kruh spojený labilním etherovým můstkem s
D kruhem
1. Atrahuje symbionty, kteří
poskytují fosfáty
Tvorba strigolaktonů (SL) je stimulována nedostatkem fosfátů Dostatek Pi – jsou sorbovány kořeny větvení je stimulováno Nedostatek Pi – zvýšení tvorby SL 1. Větvení je inhibováno
2. Ve starších listech je aktivována senescence, 3. živiny (včetně Pi) translokovány do apexu a mladých listů
4. Arbuskulární mykorhizní plísně (AMF) poskytují nedostatkový Pi (výměnou za cukry)
Umehara, Plant Biotechnology 2011
Kyselina abscisová Regulace růstu a vývoje – positivní i negativní regulátory inhibice růstu za nepříznivých podmínek
ABA = negativní regulátor růstu a otevírání průduchů zvyšuje odolnost vůči dehydrataci/desikaci (obrana proti vodnímu deficitu – zavření průduchů, stimulace obranných drah dormance semen a pupenů, vývoj semen,)
Struktura kyseliny abscisové Fyziologicky aktivní: (+)-S-cis-isomer Nezbytné : - cis-konfigurace postranního řetězce - dvojná vazba v kruhu - hydroxylová skupina v poloze 1´
Mechanismus působení ABA 1) Krátkodobé působení – regulace otevřenosti průduchů
2) Dlouhodobé působení - změny exprese genů (potlačení růstu, vývoj semen)
Lokalizace a transport ABA
Volná ABA v chloroplastech a v cytoplasmě, Světlo – transport protonů do gran, zvýšení pH stromatu, disociace ABA, pro ABAje membrána neprůchodná, pasivní difuzí nedisociovaná ABA do chloroplastů Vodní deficit – zvýšení pH cytoplasmy, transport z chloroplastů do cytoplasmy a dále do apoplastu
Nedostatek ABA v semenech – klíčení již na poli na rostlině viviparie
Dormance pupenů – umožní přežít zimu bez poškození
Etylén Plynný hormon Žloutnutí stromů v blízkosti lamp na svítiplyn 1901 Dimitrij Neljubov identifikoval etylén jako aktivní složku svítiplynu (pozoroval „triple response“ u klíčních rostlin hrachu pěstovaných v laboratoři) 1910 H.H. Cousins sloučenina uvolňovaná pomeranči urychluje zrání banánů (zřejmě produkce Penicilliem) 1934 identifikace etylénu jako přírodního produktu, klasifikován jako hormon
Struktura a výskyt Nejjednodušší olefin,
H
Plyn, lehčí než vzduch, hořlavý Snadný transport mezibuněčným prostorem (difuse)
Snadno uniká z tkání
H C=C
H
H
Funkce etylénu A) Indukce tloustnutí a zkracování stonku B) Stimulace dlouživého růstu ponořených vodních rostlin C) Tvorba apikálního háčku u etiolovaných klíčních rostlin
trojná odezva
F) Indukce tvorby kořenů a kořenového vlášení G) Stimulace abscise listů H) Urychlení senescence květů a listů
I) Urychlení zrání plodů ( klimakterických ) L) Reakce na stres a poranění (účastní se odezvy rostlin na stres – sucho, zatopení, zvýšená teplota, chlad, zasolení, ozón, infekce, exprese PR-genů)
B. Stimulace dlouživého růstu ponořených vodních rostlin Ponoření způsobuje zvýšení hladiny etylénu (nemůže unikat) Etylén stimuluje elongaci stonků a řapíků horní části rostlin, až se listy se dostanou nad hladinu
Diferenciace aerenchymu Vodní rostliny + rýže
(podobně např. i při nedostatku síry)
„escape strategy“
ERF subgroup VII
Interakce GA a etylénu
„quiescence strategy“ Stabilizace DELLA proteinů inhibuje odezvu na GA
GRASS doména
J Plant Res 2010, 123:303-309
C. Tvorba apikálního háčku
Etiolované klíční rostlinky (dvouděložné) mají apikální meristém při průchodu zemí chráněn ohnutím , tj. tvorbou apikálního háčku Způsobeno asymetrickým růstem – rychlá elongace vnější strany, inhibice vnitřní strany Světlo inhibuje tvorbu etylénu
zvýší rychlost elongace na vnitřní straně Otevření háčku
E. Indukce tvorby kořenů a kořenového vlášení
A Kořenové vlášení se za normálních okolností tvoří z buněk epidermis, které jsou nad rozmezím buněk kortexu
B - exogenní aplikace (ACC) nebo
C -konstitutivní odezva Vlášení vzniká ze všech epidermálních buněk
D Aplikace antagonisty etylénu (Ag+) inhibuje diferenciaci
F. Stimulace abscise listů
Zóna abscise – 2 – 3 řady buněk, specifické chování
Etylén - Indukce celulázy
Cell wall hydrolysis, Round protoplasts increase volume Cell separation Leaf abscision
G. Zrychlení senescence květů Aplikace Ag+ (antagonistu etylénu) ve formě thiosulfátu stříbrného k řezaným karafiátům zpomaluje výrazně jejich vadnutí
I. Zrání plodů Rostliny, u nichž šíření semen závisí na přenosu zvířaty, vytváří „jedlé“ plody
- během zrání: rozvolnění buněčných stěn (aktivace pektináz a galakturonidáz) zvýšení obsahu rozpustných pektinů hydrolýza škrobu, akumulace cukrů degradace chlorofylu, přeměna chloroplastů na chromoplasty tvorba antokyanů a karotenoidů (upoutání pozornosti) tvorba chuťových a aromatických látek
snížený obsah organických kyselin a fenolických látek, včetně taninů
Během zrání klimakterických plodů se zvyšuje hladina etylénu, zvýšení respirace
klimakterické plody: avokado, banán, jablko, fíky, oliva, broskev, hruška, švestka, rajče, … neklimakterické plody: citrusy, ananas, třešně, jahody
Tvorba etylénu a intenzita dýchání u banánu
Regulace zrání rajčat pomocí etylénu 1. Prodloužení skladovatelnosti plodů pomocí inhibice biosyntézy etylénu (AVG) 2. Zrychlení zrání plodů zvýšením hladiny etylénu
1. Zpomalení zrání
2. Uspíšení (případně synchronizace ) zrání
Změknutí následkem zvýšení polygalakturonidázy
Využití v praxi Aplikace etylénu ve formě ethrelu synchronizace zrání,
Synchronizace opadu listů a plodů
OH Cl
CH2
CH2
O
P OH
Zablokování biosyntézy – zpomalení zrání plodů
Zablokování dráhy – zpomalení stárnutí květů
O
Kyselina salicylová Známa více jako lék než jako rostlinný hormon Kyselina salicylová (SA) se nachází v řadě rostlin (vrba, myrta, topol, tužebník jilmový), které se již od 4. století př.n.l. (Hippocrates) používají k tišení bolesti (horečka, reumatismus), při nachlazení
Ve 20. letech 19. stol. izolována aktivní látka z kůry vrby a z libavky (Gaultheria procumbens), identifikována jako salicin (glukosid SA) kyselina salicylová nazvána podle Salix (vrby)
1852 SA syntetizována chemicky (levnější), ale hořký - zdravotní potíže při delším užívání (podráždění žaludku) 1898 kyselina acetylsalicylová = aspirin
Současná světová produkce – mnoho tisíc tun/rok v rostlinách je součástí obrany po napadení pathogeny, rovněž součástí odezvy na abiotické stresy
• Struktura hydroxyderivát kyseliny benzoové
Funkce Thermogeneze – zvýšení SA až 100x SA indukuje expresi alternativní oxidázy zvýšení aktivity alternativní respirační dráhy v mitochndriích (omezení konzervace energie do ATP, velká část uvolněna jako teplo) SA zvýší během anthese teplotu až o 14°C, dojde k volatilizaci látek, které atrahují opylovače (u užovníku nebo zmijovce - vůně tlejícího masa)
Obrana rostlin po napadení pathogeny •Lokální odezva - hypersensitivní odezva: vznik nekrotických lézí (programovaná buněčná smrt) - zabrání šíření pathogena v rostlině •Stimulace exprese obranných genů tvorba “pathogenesis-related proteins” - PR-proteiny
Krátce po napadení pathogenem (minuty) - virulentním i avirulentním Zvýšení hladiny superoxidu (O2-) a H2O2 Peroxidasy v apoplastu oxidační vzplanutí („oxidative burst“)
Přímé ničení pathogenů, stimulace lignifikace buněčných stěn, Stimulace tvorby SA Ta zpětně stimuluje tvorbu ROS
+ inhibice katalasy a APX Positivní „feed-back loop“ Amplifikace signálu, HR Druhá fáze – u avirulentních p. PCD, exprese obranných genů
Interakce s NO
Biotrophs Cell death control
JA/Et
SA
Halting patogen colonization
auxins CK
ABA
Nutrient and water demands
Biotrofní pathogeny produkují auxiny nebo cytokininy nebo stimulují jejich biosyntézu/snižují degradaci v rostlinách Pseudomonas syringae - Coronatine – analog JA-Ile, potlačuje dráhu SA
Kyselina jasmonová 1971 - kyselina jasmonová (JA) izolována jako inhibitor růstu rostlin z filtrátu plísně Botryodiploidi theobromae
80. léta JA a metyljasmonát nalezeny v mnoha druzích jako látky stimulující senescenci a inhibující růst, odlišné od ABA metyljasmonát a cis-jasmon jsou složkami vůně jasmínu, parfémy
Struktura hlavní jasmonáty jsou (-)-kyselina jasmonová (JA) a (-)-metyljasmonát (těkavý, snadná konverze)
1) Obrana vůči okusu a “nekrotrofním“ patogenům „proteolytické enzymy, obranné proteiny – („vadí“ býložravcům a pathogenům)
Funkce 1. Zvyšuje resistenci vůči hmyzu a chorobám (akumulace JA po zranění,
elicitory, systemin) Zvyšuje resistenci vůči “nekrotrofním“ pathogenům 2.. Zvyšuje expresi obranných proteinů proti plísním (např. osmotin, thionin) 4. Indukce inhibitorů proteáz (cílených proti hmyzu i ve vzdálených listech) Váží se do aktivního místa proteolytických enzymů (trypsin, chymotrypsin), zabrání trávení, housenky mají nedostatek živin Antisense transgeny – housenky je zkonzumují daleko rychleji 5. Indukuje tvorbu sekundárních metabolitů - alkaloidů a fenolických látek, včetně pigmentů 6. JA inhibuje buněčné dělení
Děkuji za pozornost!
