Téma:
FYTOHORMONY
Santner et al. 2009
Praktikum fyziologie rostlin
Teoretický úvod: FYTOHORMONY Rostliny se vyvíjejí jako strukturovaný, organicky vyvážený a funk n koordinovaný celek. Vývoj rostlin je ovliv ován mnoha faktory endogenními i podmínkami vn jšího prostedí. Mezi d ležité faktory vnit ní koordinace pat í fytohormony. Rostlinné hormony = fytohormony jsou p irozené metabolity rostlin, které regulují jejich r st a vývoj. Fytohormony p sobí ve velmi nízkých koncentracích - 1µ µM. Molekuly fytohormon mají signální úlohu. Dle chemické povahy molekuly, funkce a ú ink tvo í fytohormony n kolik p irozených skupin: auxiny, cytokininy, gibereliny, etylén, kyselina abscisová, kyselina jasmonová, brassiny (obr. 1) . Jednotlivé fytohormony jsou syntetizovány ur itými skupinami bun k, z nichž jsou transportovány do ostatních ástí rostliny. Stejné nebo podobné efekty jako fytohormony mohou vyvolat i látky, které mají podobnou stavbu molekuly jako fytohormony - deriváty a strukturní analogy, které nejsou v rostlinách syntetizovány, ale mohou signál fytohormonu simulovat. R stové a vývojové efekty mohou vyvolat i látky, které ovliv ují hladiny fytohormon na úrovni jejich metabolismu - biosyntézy nebo odbourávání - nebo p sobí na jejich transport z míst, kde jsou v rostlin syntetizovány, do míst jejich ú inku. Tyto látky ovliv ují sílu signálu v pletivech, která na signál reagují. Všechny tyto látky, v etn fytohormon , se nazývají r stové látky = r stové regulátory = morforegulátory.
auxin – kyselina indolyl-3-octová
cytokinin - izopentenylaminopurin
gibereliny – kyselina giberelová
Obr. 1. Nejd ležit jší rostlinné hormony
kyselina abscisová
Efekty r stových látek jsou pleiotropní (mají v tší množství r zných projev ) a jsou dány jak typem r stové látky a její koncentrací, tak charakterem, vývojovým stadiem a fyziologickým stavem orgánu, pletiva nebo bu ky, které na danou látku (signál) reagují. Zm ny v citlivosti bun k k fytohormon m jsou d ležitou sou ástí regulace vývojových proces . Funkce r stových látek se studuje dv ma základními p ístupy: 1. je sledována endogenní hladina fytohormonu v pr b hu ur itého fyziologického procesu nebo za ur itých podmínek; 2. jsou sledovány ú inky dodané ( exogenní = aplikované) r stové látky.
Stru ná charakteristika nejd ležit jších skupin fytohormon Auxiny Nejvýznamn jším p irozeným auxinem je kyselina indolyl-3-octová (IAA). Krom IAA existují další p irozené (nap . indolyl-3-máselná kys. (IBA)) i syntetické auxiny (2,4dichlorfenoxyoctová kys. (2,4-D), α-naftyloctová kys. (NAA)). IAA je syntetizována v mladých ástech prýtu (apikální meristém, vyvíjející se listy, plody a semena), odtud je transportována polárním (bazipetálním) transportem do ko en . V ko enové špi ce se sm r transportu otá í a auxin je transportován akropetáln sm rem do elonga ní zóny ko ene. V rostlin
se vytvá í gradienty auxinu, které regulují
adu
významných proces . Nejd ležit jší fyziologické ú inky auxinu: •
ustavení polarity embryí
•
regulace apikální dominance (auxin transportovaný z apikální
SV TLO ásti prýtu
potla uje pror stání úžlabních pupen ) •
stimulace r stu stonku a koleoptile (stimulace elongace bun k), inhibice prodlužování ko en
•
stimulace
tvorby
postraních
(laterálních ) ko en •
regulace gravitropismu, fototropismu (obr. 2)
Obr. 2 Regulace fototropismu auxin je redistribuován do zastín né ásti hypokotylu, kde stimuluje r st – hypokotyl se ohýbá sm rem ke sv tlu. Vizualizace
distribuce auxinu pomocí reportérového genu DR5::GUS.
Cytokininy Syntetizovány v ko enech (p edevším meristém ko ene), následn transportovány do prýtu. Cytokininy jsou deriváty adeninu, nejzastoupen jším p irozeným cytokininem je zeatin, ale existují
i
další
–
nap .
izopentenylaminopurin
(iP)
nebo
dihydrozeatin
(DZ).
Nejpoužívan jším syntetickým cytokininem je BAP (6-benzylaminopurin). Nejd ležit jší fyziologické ú inky: • • • • •
regulace bun ného cyklu, stimulace proliferace bun k v tká ových kulturách stimulace r stu prýtu, inhibice r stu ko en oddálení senescence potla ení apikální dominance nadprodukce cytokinin je zodpov dná za tvorbu „nádor “ u rostlin (Obr. 3).
Obr. 3. Nádory na stoncích bylin (levý obr.) a arov níky na d evinách (pravý obr.) vznikají nadprodukcí cytokinin
vlivem patogenních mikroorganism (Agrobacterium tumefaciens – nádory, Corynebacterium fascians – arov níky). P evzato z Taiz a Zeiger 2002.
Gibereliny Izoprenoidní látky s významem pro dlouživý r st. Poprvé popsány u rýže infikované houbou Gibberella fujikuroi, postižené rostliny vykazovaly abnormáln intenzivní dlouživý r st prýtu.
Literatura: Buchanan, B., Gruissem, W. and Jones, R. (Eds.) - Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologist. 2000. Taiz, L. and Zeiger, E. Plant Physiology. Sinauer Associates, Inc., Publichers. 2002.
Zadání praktických úloh k tématu:
FYTOHORMONY P ehled úloh k vypracování: Úkol 1: Fenotypové projevy aplikace r stových látek 1a) Popište a zhodno te efekty r stových látek na klí ení a vývoj rostlin husení ku (Arabidopsis thaliana L.)
Úkol 2: Odpov
rostlin na p sobení ethylenu
2a) Popište a zhodno te efekt ACC na r st rostlin husení ku (Arabidopsis thaliana L.). Pozorujte rostliny vykazující konstutivní odpov
na ethylen (ctr1 mutanti).
Úkol 1:
Fenotypové projevy aplikace r stových látek Cíl: Sledovat vliv externí aplikace fytohormon na r st a vývoj rostliny.
Hypotéza, kterou b hem práce ov íme: Rostlinné hormony regulují r st a vývoj rostlinného t la. Jejich aplikace se projeví fenotypovou nebo vývojovou zm nou.
Díl í úloha:
1a) Popište a zhodno te efekty r stových látek na klí ení a vývoj rostlin husení ku (Arabidopsis thaliana L.) Princip: Semena klí í a mladé rostliny byly kultivovány na mediích s p ídavkem r stových látek. Klí ení i habitus mladých rostlin je p ítomnými látkami ovlivn n. Kontrolní varianta je p stována bez p ídavk fytohormon na 0,2%MS mediu.
Laboratorní postup: Pot eby: • rostliny husení ku (kultivované in-vitro 2-3 týdny) • agarová media s p ídavkem r stových látek IAA = kyselina indolyl-3-octová - fytohormon auxin BAP = benzylaminopurin - r stová látka cytokininového typu GA3 = kyselina giberelová - fytohormon giberelin ABA = kyselina abscisová – fytohormon • petriho misky • erný papír • m ítko Provedení: Materiál dostanete od vedoucího praktika. Jednotlivé varianty si dob e prohlédn te. Všímejte si efekt jednotlivých r stových látek a varianty porovnejte s variantou kontrolní i mezi sebou. Pro pozorování si rostliny umíst te pomocí pinzety do petriho misky, kterou podložíte erným papírem. U každé varianty p ipraveného souboru sledujte tato kriteria: a) klí ivost b) délka ko enového systému (zm te m ítkem) a rozsah jeho v tvení
Úkol 2: Odpov
rostlin na p sobení ethylenu
Díl í úloha:
2a) Popište a zhodno te efekt ACC na r st rostlin husení ku (Arabidopsis thaliana L.). Pozorujte rostliny vykazující konstutivní odpov na ethylen (ctr1 mutanti). Princip: Ethylen je stresový hormon zapojený do regulace ady proces : zrání plod , opad list , odpov
rostliny na nedostatek kyslíku (tvorba aerenchymu u mok adních rostlin), ale i
dlouživý r st. Rostliny ovlivn né zvýšenou koncentrací ethylenu vykazují trpasli í vzr st – mají kratší ko eny i nadzemní ást. Ko eny jsou naopak siln jší a tvo í delší ko enové vlásky. Zvýšenou koncentraci ethylenu lze navodit uzav ením rostliny do nádoby se zrajícím ovocem (jablko nebo banán) nebo aplikací ACC do media. ACC (1- aminocyklopropan-1-karboxylová kyselina) je p ímým prekurzorem syntézy ethylenu. P sobení ethylenu v rostlin zprost edkovávají receptory ethylenu proteinkinázy ETR1 a ERS. Sou ástí signální dráhy je také negativní regulátor CTR1. Jeho vy azení z provozu se projeví trvalou (konstitutivní) odpov dí rostliny na ethylen. ctr1 mutanti Arabidopsis (ctr = constitutive triple response) jsou rostliny s trpasli ím vzr stem, krátkými ko eny a bohat vyvinutým ko enovým vlášením.
Laboratorní postup: Pot eby: • rostliny husení ku Col0 (kontrolní) a ctr1 mutanti (kultivované in-vitro 2 týdny) • agarová media kontrolní a s p ídavkem ACC • petriho misky • erný papír • m ítko • mikroskop Provedení: Materiál dostanete od vedoucího praktika. Jednotlivé varianty si dob e prohlédn te. Všímejte si p edevším ko enového systému a srovnejte r st rostlin kontrolních a mutantních (délka ko en , v tvení). Ko eny pozorujte pod mikroskopem a zhodno te rozsah tvorby ko enových vlásk . Srovnejte fenotyp kontrolních rostlin kultivovaných v p ítomnosti ACC a ctr1 mutantních rostlin na mediu bez p ídavku ACC. Pozorování slovn komentujte v protokolech.
Vyhodnocení experimentu: Pozorování v úkolu 1 a 2 slovn zhodno te. Charakterizujte fenotyp rostlin v jednotlivých variantách. Popište slovn efekty r stových látek.
