Особенности роста и развития растений Автотрофия ↕? Прикрепленное существование Клетка: • Три генома; их взаимодействие • Клеточная стенка: другая стратегия водного обмена, обмена информацией • Пластиды: фабрики «горячих производств» • Вакуоли: многоцелевые органеллы • Метамерное строение • Стадийность развития, зависимое от внешних условий (например, закладка репродуктивных органов)) • Постоянный рост • Особенности эмбрионального развития • Расселение зачатками. Семя – особая структура – растение в миниатюре и упаковке
Гормоны растений – эндогенные регуляторы программ развития Критерии гормонов: • Вещество вызывает специфический физиологический ответ у определенных клеток. • Разобщено место синтеза и место действия, т. е. необходим транспорт сигнального вещества по растению (для растений - не строгий критерий) • Вещество практически не играет роли в основном метаболизме клетки, используется только для сигнальных целей. • Вещество должно действовать в низкой концентрации (начиная с 10 -5 моль/л). Особенности фитогормонов: • Низкомолекулярны • Регулируют целые программы развития • Специфика действия может быть различной в зависимости от места действия, стадии развития растения, внешних условий. • В принципе могут синтезироваться любой клеткой растения • Взаимное действие – «Переговоры гормонов» .
Фитогормоны, – старожилы и новички. . Old timers and Newcomers. . Cytokinins Gibberellins Auxin Abscisic Acid Ethylene Brassinosteroids Strigolactones Salicylates Jasmonates
Ауксины ~0, 5 nm Индолилуксусная кислота ИУК наиглавнейший ауксин Для табака было показано, что треть всей ИУК находится в хлоропластах, две трети – в цитозоле. Триптофан – предшественник ИУК – образуется в хлоропластах Индолилмасляная кислота (ИМК) – у горчицы и пшеницы, хлоро-индолилуксусная (горох), фенилуксусная (ФУК) кислоты – природные соединения, обладающие ауксиновой активностью. Присутствуют не у всех растений 2, 4 -Д, α–НУК – синтетические соединения. В малых дозах – ауксины, в больших - гербициды
Что важно для ауксиновой активности и пути формирования активной ИУК
Синтез ауксинов: много вариантов… IAN – через индол-3 -ацетонитрил TAM – через триптамин IAM – через индолацетамид Хоризмат Антранилат Разные пути могут быть в разных тканях, на разных этапах онтогенеза… триптофан Индолацетамид (IAM) IPA – через индол-3 -ПВК Триптамин (ТАМ) Фософорибозилантранилат Индол-3 -ПВК (IPA) Триптофаннезависимый Индол-3 -ацетонитрил Индол Варианты… ИУК Триптофан-зависимый ИУК TAM и IPA – основные пути образования ИУК у растений IAN – у Brassicaceae, Poaceae, Muscaceae и ряда других… IAM – у бактерий, в частности Agrobacterium tumefaciens
Обратимая инактивация ауксинов (образование конъюгатов) и их катаболизм Значительная часть ауксинов образует неактивные конъюгаты, которые хранятся в запасающих органах и семенах Низкомолекулярные конъюгаты: с глюкозой, инозитолом, кислотами Катаболизм: а/ декарбоксилирующий - за счет работы пероксидазы, б/ без декарбоксилирования Высокомолекулярные: с глюканами (7– 50 остатков glu) с пептидами, с гликопротеинами гликозилирование
Полярный транспорт ауксинов 1. Вход ауксинов клетку AUX 1 в корне: колумелла, корневой чехлик и стела. . – два механизма: • Пассивная диффузия в протонированной форме (IAAH) через любую фосфолипидную мембрану. • Вторично активный транспорт в анионной диссоциированной форме IAA- - 2 H+ -симпортер. 2. В клеточной стенке – кислый р. Н за счет работы Н+-АТФ-зы, Преобладает протонированная форма (IAAH) В цитозоле нейтральный или слабощелочной р. Н. Преобладает диссоциированная анионная форма IAA- Направление транспорта ауксинов AUX 1 - переносчик ауксина в клетку путем симпорта с протоном Похож на бактериальный переносчик аминокислот. Обнаружен в проводящих тканях листа и корневом апексе. 3. Выход ауксинов из клетки в виде IAA- за счет специальных транспортеров, которые концентрируются в базальной части клетки
Полярный транспорт ауксинов Выход ауксинов из клетки В цитозоле р. Н 7, 2, ауксин в диссоциированной форме, поэтому он концентрируется в клетке (так как IAA- плохо проходит через мембрану). Выход – семейство переносчиков PIN (название от pin-shaped inflorescences – булавковидное соцветие, по мутанту PIN 1) Они располагаются как и предсказано – по линии транспорта ауксинов. Разные белки – в разных тканях. ИУК, формирующийся в листьях, транспортируется также неполярно по флоэме. При этом скорость транспорта выше, чем полярного. Загрузка и разгрузка – переносчиками. При этом неполярный транспорт видимо важен для камбиального деления клеток, формирования каллозы в ситовидных трубках и формирования боковых корней. Он может вносить значительный вклад в поступление ауксина в корни. Работа PIN связана с другими белками – регуляторными и транспортными. PIN 1 – вертикальный транспорт ИУК от побега к корню PIN 3 – возврат ауксина в сосудистую паренхиму В частности, АТФ-зависимые переносчики, принадлежащие к семейству MDR/PGR белков (multidrug resistance/P-glycoprotein PGPs) -. Это интегральные белки – анионные транспортеры. У арабидопсиса – 21, у риса – 17 PGP. Три PGPs – это транспортеры ауксина. PIN и PGPs действуют синергично.
Полярный транспорт ауксинов NPA – нафтилфталамовая кислота, ингибитор транспорта ауксинов Транспорт ауксинов ингибируют и природные соединения – флавоноиды (кверцитин, кемпферол), изофлавоноиды (генистеин). Механизм – возможно, за счет ингибирования гидролиза АТФ, и/или ингибирования процесса фосфорилирования
Содержание свободной ИУК в контрольном и трансгенном растении табака Контрольное растение Трансгенное растение с двумя бактериальными генами, кодирующими ферменты IAM-пути синтеза ИУК – Trp-монооксигеназы и IAM-гидролазы
«Работа» ауксинов 1. Деление клеток - образование CDKs (совместно с цитокининами, которые «запускают» циклины) 2. Удлинение клетки. Ауксин способствует росту стеблей и колеоптилей, но ингибирует рост корней. Оптимальная концентрация ИУК для роста растяжением колеоптиля овса и стебля гороха – 10 -6 - 10 -5 М. Для других растений – несколько ниже. Для корня сложнее. Ауксин индуцирует продукцию этилена, коий ингибирует рост. Однако, если заингибировать синтез этилена, то показано, что концентрации 10 -9 - 10 -10 М - стимулирует рост корня, а концентрации которые стимулируют рост стебля (10 -6 ) – строго ингибируют. Лаг-фаза действии ауксина – от 10 минут. Гипотеза кислого роста – ауксин активирует Н+АТФ-зу плазмалеммы. Действие ауксина на изолированную плазмалемму – повышение активности Н+АТФ-зы на 20%. Интактные клетки – на 40%. Действует и на синтез Н+АТФ-зы и на ее встраивание в плазмалмму (t – 40 -50 минут) 3. Фототропизм и гравитропизм. Фототропизм. Рецепторы – фототропины 1 и 2. Механизм – за счет неравномерного латерального распределения ауксинов. Это происходит за счет неравномерного распределения латерально расположенных PIN 3 и дестабилизации базально расположенных PIN 1. Затем происходит неравномерное подкисление апопласта. 4. Ауксин влияет на процессы развития. - Апикальное доминирование. Механизм- скорее всего, за счет влияния на развитие ксилемы и межпучковой склеренхимы. - Развитие флоральных почек и филлотаксис. - Увеличивает закладку и количество боковых и адвентивных корней. - Индукция дифференциацию проводящих систем. - Ауксин участвует в опадении листьев и плодов. В молодых листьях ауксина много, в зрелых он прогрессивно уменьшается и его очень мало в листьях, «готовых» к опадению. - Ауксин способствует развитию плодов.
Распределение ауксинов при фототропизме и гравитропизме. Ч. Дарвин. «О способностях растений к движению» . 1880 г. Основа действия - изменения латерального транспорта ауксинов
![«Клеточки памяти» для ауксинов [С]](https://present5.com/presentation/3/82600715_347813326.pdf-img/82600715_347813326.pdf-14.jpg "«Клеточки памяти» для ауксинов [С]")
«Клеточки памяти» для ауксинов [С]
Цитокинины и их биосинтез ? В отличие от ауксинов, среди цитокининов нет «наиглавнейшего» . В рамочках – синтетические соединения с цитокининовой активностью. 6 -BAP - ? In vivo присутствуют и рибозиды и риботиды. Но активная форма – «свободное» основание…
Биосинтез и инактивация цитокининов Regulated by CK and nitrogen Tissue specific; auxin, CK and ABA sensitive Meristem specific Образование и инактивация цитокининов строго регулируется их концентрацией, другими гормонами и внешними факторам. LOG - LONELY GUY Inactive form CKX Upregulated by CK and ABA Hirose, N. , Takei, K. , Kuroha, T. , Kamada-Nobusada, T. , Hayashi, H. , and Sakakibara, H. (2008). Regulation of cytokinin biosynthesis, compartmentalization and translocation. J. Exp. Bot. 59: 75– 83.
Цитокинины найдены в т-РНК. Зачем?
Филогенетическое древо изопентенилтрансфераз • Гены At. IPT 1, 3 -8 арабидопсиса и их гомологи у всех растений – семейство DMAPP: : ATP/ADP IPT • Гены At. IPT 2 и 9 и их гомологи у растений и животных семейство Т-РНКIPT • Гены IPT/TMR Agrobacterium tumefaciens и их гомологи у бактерий DMAPP: : AMP IPT
Тканеспецифичность экспрессии некоторых генов At. IPT в корне At. IPT 7 – эндодерма зоны элонгации корня At. IPT 1 – предшественники ксилемы в прокамбии At. IPT 3 – флоэма, молодые сосуды и перицикл. At. IPT 5 – кончик корня и зачатки боковых корней
Конъюгаты цитокининов
Транспорт цитокининов 2. Z, IP, ZOG 1. ZR, (также ZMP, Z, i. PMP, i. PA, i. P) A. Транспорт между органами растения: 1. Ксилемный транспорт. Основная транспортная форма зеатин-рибозид. Транспорт от корня к стеблю. 2. Флоэмный транспорт. Свободные цитокинины и гликозиды. В обоих направлениях. Б. Транспорт между клетками: PUP ENT 1. Белки PUP свободные цитокинины (Z, IP) 2. Белки ENT цитокининнуклеозиды (ZR, IPR)
Межклеточные переносчики свободных цитокининов – белки PUP 1 и PUP 2 • Относятся к семейству пуринпермеаз – осуществляют также транспорт аденина • Гены At. PUP 1 и At. PUP 2 различаются по пространственному характеру экспрессии, имеют разные функции предотвращение потери цитокининов через гидатоды при гуттации PUP 2: : GUS PUP 1: : GUS обмен цитокининами между проводящей системой и окружающими тканями
Межклеточные переносчики цитокинин-нуклеозидов (IP-R и Z-R) – белки ENT (Equilibrative Nucleoside Transporters) – транспорт ЦК-нуклеотидов Экспрессия генов At. ENT арабидопсиса и Os. ENT риса наблюдается в сосудистых пучках стебля и корня, эндосперме прорастающих семян Os. ENT 2: : GUS
IPT LOG ( LONELY GUY ) Лист: 1. PUP 1 транспортируют ЦК из гидатод в окружающие ткани ПАМ: ENT PUP 2 PUP 1 1. ENT транспортируют ЦКнуклеотиды из сосудов 2. LOG активируют ЦК 3. PUP 2 транспортируют свободные ЦК в сосуды и флоэму Корень: 1. IPT синтезируют ЦКнуклеотиды 2. ENT транспортируют их в сосуды
«Клеточки памяти» для цитокининов
Количество известных гиббереллинов превышает сотню (136 штук…) Ent-гиббереллан: С 6 -С 5 -С 6 -С 5 Две группы GAs: С 20 и С 19. C 19 обычно имеют лактонное кольцо от С 4 к С 10 Активные С 19 GAs содержат лактонное кольцо, карбоксил у С 6 и β-гидроксил у С 3 С 2 -гидроксил снимает активность…
Синтез гиббереллинов распределен между тремя компартментами клетки Три стадии образования гиббереллинов: 1. Пластиды. Образование энт-каурена из изопентенилдифосфата по MEP-пути. 2. Оболочка пластид и ЭР. Образование GA 12 из эет-каурена. каурен-оксидаза, оксидаза кауреновой кислоты. NB - формирование гибберелланового скелета. 3. Цитозоль. Формирование активных GAs. Два варианта. Для большинства растений – гидроксилирование по С 13. Для некоторых (в том числе арабидопсиса) гидроксилирования не происходит. NB - окисление С 20 и его удаление – образование GA 19. Формирование активных GАs (GA 4, GA 1).
Варианты конъюгатов и пути катаболизма гиббереллинов различны
Синтез гиббереллинов происходит в разных органах и в разное время (GA 1 -промотор фермента копалил-дифосфатсинтазы CPS, циклизующего GGPP + GUS)
Гиббереллины индуцируют синтез гидролаз при прорастании…
«Клеточки памяти» для гиббереллинов
Абсцизовая кислота – АБК В растениях присутствуют S -формы АБК У печеночных мхов функцию АБК, возможно, выполняет стильбен – лунулариевая кислота
Синтез абсцизовой кислоты и ее «работа» . Синтез имеет ритмичность – ночью может быть в 50 – 60 раз больше, чем днем
Биосинтез АБК в пластидах в цитозоле Основные ферменты: 1. Зеаксантин-эпоксидазы (ZEP) - синтез виолоксантина из зеаксантина 2. Ликопин-циклазы-b (LCYB, NSY) – синтез неоксантина из виолоксантина 3. N-цис-эпоксикаротеноиддиоксигеназы (NCED) – синтез ксантоксина из циснеоксантина 4. АБК-альдегидоксидазы (АВА 2, ААО 3) – синтез АБК из ксантоксина через АБКальдегид
Метаболизм АБК
«Клеточки памяти» для АБК
Этилен – газообразный гормон растений… Синтез этилена, его деградация и его «работа» CH 2 = CH 2 этилен CH 2 – CH 2 окись этилена O CH 2 – CH 2 этиленгликоль Ι OH
Уровень этилена в тканях регулируется через стабильность АСС-синтазы (ACS белков) А – Деградация ACS белков с помощью 26 S-протеасомы. Начинается с присоединения убиквитин-лигазного комплекса ЕТО 1 -CUL 3 к С-концевой последовательности ACS. Мутации по С-концу ACS (eto 2, 3) дают стабильный ACS белок В – стабилизация ACS белков путем фосфорилирования по консервативным остаткам серина: с помощью Са 2+-зависимых киназ CDPK (все ACS) и MAPКК киназы МРК 6 (ACS 2 и 6).
Эффекты этилена А. «Тройной ответ» у 6 -дневных проростков гороха, обработанных 10 ppm этилена В. Эпинастии у томатов С. «Старение» цветков (STS –тиосульфат серебра, ингибитор действия этилена) D. Формирование корневых волосков у 2 -дневных проростков салатука, обработанных 10 ppm этилена
«Клеточки памяти» для этилена
Структура и действие брассиностероидов (брассинолидов) • Карликовость • Образование ксилемы • Мужская фертильность • Удлинение клеток за счет активации ХЕТ • Деление клеток - транскрипция Cyc. D 3 Мутанты по синтезу и рецепции брассинолидов
Структура брассиностероидов 1 Вариации в кольце А 2 3 Вариации боковой цепи Вариации в кольце В
Синтез брассиностероидов Существуют альтернативные пути синтеза – «позднее» и «раннее» окисление по С 6…
Метаболизм эпи-брассинолида
Действие брассинолидов • Усиливают растяжение проростков, но медленнее ауксинов (начало через 30 минут, длительность 1, 5 – 2 часа, для ауксинов – 10 мин. и 30 -45 мин). Синергизм действия с ауксинами. . • На молекулярном уровне эффект обусловлен активацией генов ксилоглюканэндотрансгликозилаз (Кс. ЭТ). Если ауксины запускают процесс растяжения, то брассиностероиды важны для его длительного поддержания. • Частичная и полная мужская стерильность при недостаточности брассиностероидов. У многих растений, мутантных по генам биосинтеза брассиностероидов, тычиночные нити не достигают нужной длины, достаточной для самоопыления. Но даже в том случае, когда пыльцевые зерна попадают на поверхность рыльца, рост пыльцевой трубки существенно замедлен. • Брассиностероиды взаимодействуют не только с ауксинами, но и с гиббереллинами, усиливая растяжение клеток. • Обсуждают участие брассиностероидов при передаче световых сигналов и "переговоры" путей фоторецепции и брассиностероидов. • Брассиностероиды регулируют процессы клеточной дифференцировки. У мутантов bri 1 нарушено формирование столбчатого мезофилла. Кроме того, уменьшено количество проводящих элементов ксилемы. Брассинолиды регулируют вторичный запуск синтеза ФАЛ и ГКК с дальнейшей сильной лигнификацией и программированной гибелью клеток. • Действие на корневую систему брассиностероидов и ауксинов противоположно: если ауксины стимулируют образование боковых корней, то брассиностероиды ингибируют их образование. • В больших дозах брасииностероиды сдерживают рост и повышают устойчивость к неблагоприятным внешним факторам (перегреву, заморозкам, засухе, инфекции).
«Клеточки памяти» для брассинолидов
Структура и метаболизм жасмонатов
Синтез жасмонатов «Запасной» OPDA в мембранах хлоропластов – до 90% от всего ОPDА. OPDA – 12 -оксофитодиеновая кислота LOX – липоксигеназа AOS – аллен-оксид синтаза АОС – аллен-оксид циклаза OPR – OPDA-редуктаза
Биосинтез жасмонатов распределен по клеточным компартментам Cytoplasm JAR 1 conjugation JA-ILE Конъюгат жасмоната с изолейцином также активная форма From Acosta, I. , et al. (2009) tasselseed 1 is a lipoxygenase affecting jasmonic acid signaling in sex determination of maize. Science 323: 262 – 265. Reprinted with permission from AAAS.
«Клеточки памяти» для жасмонатов
Стриголактоны – новый класс фитогормонов? (+)-Strigol (+)-Strigyl acetate Стриголактоны были известны как сигналы для формирования арбускулярной микоризы и прорастания семян паразитических растений рода Striga, откуда и название. Затем выяснилось, что они являются регуляторами архитектуры как коря (длина корня, боковые корни, корневые волоски), так и побега, а также вторичного роста, удлинения гипокотиля, прорастания семян. Striga (+)-Orobanchol (+)-5 -Deoxystrigol (+)-Orobanchyl acetate Sorgolactone
Биосинтез стриголактонов и АБК
Влияние стриголактонов на развитие растения Дикий тип Мутант по стриголактонам Дикий тип на дефиците фосфатов (увеличение стриголактонов)
Серия мутантов арабидопсиса по синтезу стриголактонов
Участие стриголактонов в регуляция архитектуры корня cytokinin (CK)
Взаимодействие стриголактонов с ауксинами и цитокининами
Салициловая кислота – «кандидат» в фитогормоны? СА регулирует термогенез у ароидных лилий СА антогонист этилена – блокирует превращение АСС в этилен СА участвует (запускает? ) в защитных реакциях растений от вирусов и патогенов – участие в системной устойчивости. На рисунке – активация синтеза СА у ВТМинфицированных устойчивых растений табака. Перечеркнутые стрелки – эти пути синтеза не задействованы в резком повышении СА при инфекции.
Взаимодействие гормонов Историческая картинка Фольке Скуга…
Взаимодействие гормонов А. Флуоресценция репортерного гена ауксина DR 5: : GFP до- и после обработки предшественником этилена - ACC В, С - взаимодействие этилена, брассинстероидов и ауксинов (АСС, EBR, PIN)
Схема гормонального регулирования онтогенеза клетки
Сигнальные пептидны (гормоны? ) растений 1. Системины: олигопептиды из 18 аминокислот, центральная роль в системной устойчивости. Образуются из просистемина ~ 200 а-к. «Табачные» системины содержат гидроксипролин и гликозилированы. Tom Sys: + AVQSKPPSKRDPPKMQTD – Tob Sys I : + RGANLPOOSOASSOOSKE Tob Sys II: + NRKPLSOOSOKPADGQRP 2. RALF (RAPID ALKALINIZATION FACTOR) – белок из 49 а-к, запускает МАР-киназный каскад. 3. ФИТОСУЛЬФОКИНЫ (Phytosulfokines). Регулируют пролиферацию. Синтез из пропептида в 89 а-к с лидером. PSK-α: Tyr(SO 3 H)-Ile-Tyr(SO 3 H)-Thr-Gln. PSK-β: Tyr(SO 3 H)-Ile-Tyr(SO 3 H)-Thr 4. CLAVATA 3. Экстрацеллюлярный сигнальный пептид, 79 а-к. Регулирует размер апикальной меристемы (вместе с КАРР). 5. S-LOCUS PROTEINS 11 (SP 11) Семейство белков от 47 до 60 а-к. Центральная роль в само-несовместимости пыльцы у Brassicaceae
Гормоны растений и животных - ? ?
Скачать презентацию Особенности роста и развития растений Автотрофия ↕? Прикрепленное
гормоны_2014_1 - копия.ppt