продолжение Индолилуксусная кислота Открытие цитокининов Каллус Кинетин

(продолжение)

Индолилуксусная кислота Открытие цитокининов Каллус Кинетин (Фурфуриладенин)

Открытие цитокининов транс-Зеатин Изопентениладенин Кинетин (Фурфуриладенин)

транс-Зеатин -рибозид Изопентениладенин транс-Зеатин -риботид Изопентенил -аденинрибозид Изопентенилпирофосфат Изопентенил -аденинриботид

Цитокинины и их биосинтез В отличие от ауксинов, среди цитокининов нет «наиглавнейшего» . В рамочках – синтетические соединения с цитокининовой активностью. Но актиная форма – «чистый» агликон…

Конъюгаты цитокининов

транс-Зеатин Изопентениладенин Трансмембранный домен Трансмиттерный домен Гистидин-киназная активность Цитокинин-связывающий домен Аспарагин-киназная активность «Получающий» домен (Receiver

Запуск S-фазы клеточного цикла Cycline. Dependent Kinases (CDK) Ауксин (ИУК) транс-Зеатин Регуляция Изопентениладенин синтеза циклинов Цитокинин-связывающий домен

транс-Зеатин

Карта основных эффектов Деление клеток (совместно с ауксином) Открывание устьиц (сигнал: вода из корня) Дифференцировка флоэмы (Аттрагирующий эффект) Снятие апикального доминирования (Аттрагирующий эффект) Деление клеток камбия и дифференцировка флоэмы (Аттрагирующий эффект) Торможение роста боковых корней (Конкуренция между корнями) Аттрагирующий эффект

Цитокинины стимулируют превращение пластид в хлоропласты Цитокинин

Цитокинины задерживают старение листьев Цитокинин

Реакция устьиц на цитокинины Цитокинин Абсцизовая кислота

Взаимодействие ауксинов и цитокининов

ауксин Цитокинин Ауксин + цитокинин

Каллус – естественное образование

Биотехнология in vitro

Гормоны растений, вредители и болезни «Ведьмина метла» Нормальный побег

Гормоны растений, вредители и болезни Галлы. Личинки образуют цитокинин в слюнных железах

Гормоны растений, вредители и болезни Rhizobium

Лирическое отступление

Гормоны растений, вредители и болезни Agrobacterium tumefaciens Vir-область Т-район Опухоль «корончатого галла»

Патогенные: • A. tumefaciens – широкий круг хозяев среди двудольных, болезнь корончатого галла (Tiплазмида: T-район). • A. rhizogenes – широкий круг хозяев среди двудольных, болезнь «бородатого» (косматого) корня (Ri-плазмида: TL+TRрайоны). • A. rubi – поражает малину (Rubus idaeus), корневой рак (Ti-плазмида: TА+TB+TC -районы). • A. vitis – поражает виноград (Vitis vinifera), корневой рак (Tiплазмида: Т-район). Непатогенный вид: • A. radiobacter – обитатель ризосферы растений. «Бородатый» корень Корончатый галл на стебле томата

Растение-хозяин Механизм трансформации Прямой повтор 25 н. п. , разрезается белками Vir. D 1+Vir. D 2 Ацетосирингон Vir-область Т-район 5’ Прямой повтор 25 н. п. , разрезается белками Vir. D 1+Vir. D 2 Белок Vir. E 2 защищает одноцепочечную T-ДНК от нуклеазной активности растения-хозяина Белки Vir. Bрайона образуют канал для переноса комплекса Т-ДНК+Vir. D 2+ +Vir. E 2 через мембрану (аналог F-пилей)

Растение-хозяин Механизм трансформации Vir-область Белки Iaa. H и Iaa. M отвечают за синтез ауксина (ИУК) при попадании в клетки растения-хозяина Белок Nos отвечают за синтез опинов (нопалина) Т-район 5’ Белок Ipt. Z отвечают за Опухоль «корончатого галла» : Высокий синтез ауксинов и синтез цитокинина цитокининов (изопентениладенина) при попадании в клетки растения-хозяина

Всегда: • Синтез ауксинов и цитокининов приводит к неограниченному росту опухоли. • Аттрагирующий эффект: к опухоли устремляется поток питательных веществ • Синтез соединений азота, недоступных растению, но метаболизируемых Agrobacterium. • Конкуренция с другими видами У некоторых видов: • Синтез ферментов, разлагающих неактивные конъюгаты гормонов с образованием физиологически активных гормонов.

ауксины опины цитокинины

1. Культура неорганиченно растущих корней (для получения ценных вторичных метаболитов). 2. Исследование взаимодействия микоризных грибов с корнями. 3. «Разоружение» Ti-плазмид: исключение из Т-района онкогенов iaa. H, iaa. M, ipt; включение генов интереса, маркерных и репортерных генов. В качестве маркерных генов используют гены устойчивости к хлорамфениколу, канамицину, гербицидам. В качестве репортерных генов – гены глюкуронидазы (GUS), зеленого флуоресцентного белка (GFP).

Открытие гиббереллинов Гриб Gibberella fujikuroi Гиббереллин А 3 (GA 3) Гиббереллин А 1 (GA 1) Гиббереллин А 4 (GA 4)

Гиббереллины и растяжение междоузлий GA 1

Мутанты с изменением высоты стебля. Две фенотипические группы: 1. Карликовые, c укороченными междоузлиями 2. Высокие (slender) с удлиненными междоузлиями Большинство мутантов - «гиббереллиновые» , которые по физиологическим и биохимическим характеристикам делятся на 2 группы: 1. Мутанты биосинтеза и катаболизма гиббереллинов (ГА) 2. Мутанты ответа на ГА. Кроме ГА в контроле роста стебля принимают участие и другие гормоны: GA 1 брассиностероиды и ауксины.

Основные этапы биосинтеза гибберелл Из терпенов синтезируются различные классы фитогормонов: цитокинины, гиббереллины, брассиностероиды, абсцизовая кислота GA 1

Основные этапы биосинтеза гибберелл ga 1 ga 2 ga 3 na GA 1

плоды ga 5’, ga 5 ’’ 3ßгидроксилаза стебель ga 5 ga 4 GA 20 оксидаза 13 ga 5 стебель 2β 3β 13 GA 1 ga 4 le

Синтез гиббереллинов происходи в разных органах в разное время GA 1 -промотор фермента CPS, циклизующего GGPP + GUS)

Фенотип GА-дефицитных мутан Arabidopsis thaliana 2β 3β ga 1, ga 2 карлики стерильные, семена не всходят без ГА; на КД не формируют цветоноса; темно-зеленый цвет листьев ga 3 - карлики с низкой плодовитостью, семена имеют низкую всхожесть без ГА; на КД не формируют цветоноса; темно-зеленый цвет листьев ga 4 - фертильные полукарлики, прорастание семян без ГА GA 1 ga 5 - фертильные

Инактивация гиббереллинов 2βгидроксилаза 2β 3β GA 1

Нарушение Инактивация функции 2 гиббереллинов гидроксилазы (у мутанта sln гороха) приводит к фенотипу slender. Усиление (у трансгенных растенийet al. , риса Sakamoto Act: : Os. GA 2 ox 1) – к 2β 2001 гидроксилаза карликовости 2β 3β GA 1

Регуляция биосинтеза GА. GA 5 GA 1 GA 4

Рецепция гиббереллинового сигнала нет ответа ГА (репрессор) ГА-ответ нет ответа Деградац ия GA 1 Рецепторы: GAI, RGA – у арабидопсис SLR 1 – у риса

Система трасдукции гиббереллинового сигнала очень похожа на ауксиновую… Транскрипция гиббереллинзависимых генов регулируется GA зависимой деградацией DELLA репрессоров. Гиббереллин связывается с GID 1 белком, что ведет к его взаимодействию с SLR 1. SCFGID 2 комплекс осуществляет убиквитинирование SLR 1 и его деградацию. GRAS-семейство трансфакторов – по первым буквам трех представителей – Gibberellin insensitive (GAI) Repressor of ga 1 -3 (RGA) Scarecrow (SCR). Они являются репрессорами гиббереллинового сигнала. В N-концевом регуляторном участке DELLA – 5 аминокислот (аспарагиновая кислота D, глутамновая кислота E, лейцин L, аланин A). С-концевой участок – реапрессорный.

Мишени гиббереллинового сигнала. 1. ГА активируют деления клеток, стимулируя 2. переход клеток из фазы G 1 в фазу S. 2. Способствуют растяжению клеток, влияя на экспрессию многих генов ГА-ответа: (а) генов, продукты которых модифицируют клеточную стенку. разрушая связи микрофибрилл с полимерными молекулами (гены глюканаз, ксилоглюкан-эндотрансгликозилаз (XETs) и экспансинов); (б) генов, активирующих поступление воды и увеличение тургора клеток (ген TIP, кодирующий аквапорин тонопласта), активирует транспорт Са 2+, снижает р. Н в клетках (активация p-ATФaзы); (в) генов, отвечающих за синтез компонентов, необходимых для построения новой клеточной стенки (тубулинов, целлюлозных микрофибрилл, GA 1 сшивочных гликанов), пектинов и пр.

Гиббереллины и растяжение междоузлий Цветение GA 1 Arabidopsis thaliana

Гиббереллины и фотопериодизм GA 1

Гиббереллины и прорастание семян Мобилизация запасных веществ GA 1

Гиббереллины и прорастание семян Амилаза Мобилизация запасных веществ Колеоптиль Амилаза Синтез Гиббереллина Амилаза Почечка Амилаза GA 1 Щиток Корешок Алейроновый слой Эндосперм

Сигнальная система гиббереллинов – как минимум, два типа рецепторов, несколько сигнальных путей… Образование амилазы MYB-белки – R 2 R 3 -MYB. Трансфакторы. У арабидопсиса – более 120. GAMYB – 18. Три из них участвуют в ответе при образовании амилазы. В их распаде участвуют mi. RNA. В генах-мишениях: В промторной области (-289) GARE или GARC GARE: часто UTAACAUANTCYGG (N – A/G, Y – C/T) GARC: три участка: пиримидиновый (-171), TAACAAA- и TATCCAC (-115)

Гиббереллины и плоды Естественный размер ягод GA 1 Обработка гиббереллином

Структура и действие брассиностероидов

Синтез брассиностероидов Существуют альтернативные пути синтеза – «позднее» и «раннее» окисление по С 6…

BRI 1: LRR-RLK - рецептор брассиностероидов. LRR-RLK: leucine rich repeat receptor-like kinase группа RLK, у Arabidopsis более 170 генов. LRR участок - из повторяющихся лейцинобогащенных фрагментов из 24 а-к. На N-конце – «лейциновая молния» BRI 1 (Brassinosteroid Insensitiv 1) в плазмалемме. Экстрацеллюлярный домен из 25 неполных RLL. Между 21 и 22 повторами «островок» из 70 а-к, связывание брассиностероидов. На С-конце – киназный домен, серин-треониновая киназа. Автофосфорилирование после связывания с BL.

Сигнальная система брассиностероидов. После взаимодействия с BL – гомоили гетеродимеры. BAK (BRI 1 -assosiated receptor Kinase 1). BRI 1/BAK инактивирует репрессор BIN 2 (brassinosteroid insensitiv 2). BIN 2 – протеин-киназа, гомологичная киназе гликогенсинттазы живльных и дрожжей. BIN 2 м. б. локализована в цитозоле, ядре или плазмалемме. Без BL она находится в ядре и фосфорилирует два ядерных белка – BES 1 (bri 1 -EMS-supressor 1) и BZR 1 (brassinazol-resistant 1), что ингибирует их активность. BES 1 и BZR 1 являются активаторами трансфакторов BRиндуцируемых генов. Фосфорилированные BES 1 и BZR 1 не могут связываться с трансфакторами, убиквитинируется и разваливаются в протеасоме. С BL – ингибируется BIN 2, BES 1 BZR 1 не фосфорилируются + работает фосфатаза BSU 1. Нефосфорилированные BES 1 и BZR 1 запускают трансфакторы…

Брассиностериоды как активируют транскрипцию некоторых генов, так и тормозят, в том числе гены ферментов собственного синтеза.

Брассиностериоды – система рецепции и трансдукции сигнала

Физиологические эффекты брассиностероидов 1. Поддержание реакции роста клеток: ауксины и гиббереллины запускают реакцию растяжения (быстрый ответ), брассиностероиды поддерживают длительный рост. Синергизм. 2. Длительный рост особенно важен при росте пыльцевой трубки (максимальное содержание брассиностероидов в пыльце, мутанты синтеза/ответа со сниженной фертильностью). Рост тычиночных нитей. 3. Длительный рост междоузлий. 4. Рост в длину клеток столбчатого мезофилла (у мутантов синтеза/ответа на брассиностероиды весь мезофилл губчатый). 5. Усиление гравитропической реакции. 6. Подавляют образование боковых корней и стимулируют дифференцировку ксилемы. 7. В больших дозах брассиностероиды повышают устойчивость к стрессам (понижение температуры, водный дефицит, атака патогенов). ЭПИН (ЭПИБРАССИНОЛИД) – сельскохозяйственный препарат брассиностероидов

Сигнальные пептиды (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

Развитие побега и работа апикальной меристемы STM – поддержание стволовых клеток SAM в недифференцированном cсостоянии WUS - поддержание клеточных делений в SAM CLV-1 – формирование органов и тормоз делений; имеет LRR участок - из повторяющихся лейцинобогащенных фрагментов из 24 а-к. на N-конце ZLL – организация SAM. STM и CLV-1 – антагонисты. Баланс между ними регулирует соотношение дифференцированных и недифференцированных клеток в ответ на эндо- и экзогенные факторы. WUS регулируется как STM, так и CLV-1

Развитие SAM регулируется по типу отрицательной обратной связи WUSCHEL (WUS) – кодирует трансфактор с гомеодоменом. Активизирует деление клеток SAM CLAVATA (CLV) 1, 2, 3, - функционально связанные гены. CLV 1 – LRR киназа, CLV 2 – LRR-белок. CLV 3 – небольшой (11 k. Da) водорастворимый белок. KAPP – фосфатаза.