Сигналы о стрессе англ dormancy покой

Сигналы о стрессе

англ. dormancy – покой лат. abscission – опадение

Биосинтез абсцизовой кислоты Мутанты кукурузы из серии viviparous: vp 2 – vp 10

Биосинтез абсцизовой кислоты 1. Зеаксантин Виолаксантиновый (ксантоксиновый) 2. Антераксантин цикл 3. Виолаксантин 4. all-trans-неоксантин 5. цис-неоксантин 6. Ксантоксин 7. Абсцизовый альдегид 8. Абсцизовая кислота (АБК)

Дегидрофазеевая кислота Распад каротиноидов ДЕГРАДАЦИЯ ЗАПАСАНИЕ В ВИДЕ КОНЪЮГАТОВ С САХАРАМИ ТРАНСПОРТ ПО КСИЛЕМЕ И ФЛОЭМЕ Активная форма: АБК (-) -ЦИС)

Метаболизм абсцизовой кислоты

Рецепторы АБК – экстра- и внутриклеточные. Возможная работа АБК через ионные каналы. ABI 1: серинтреониновая протеинфосфатаза, 434 а-к, имеет Са 2+связывающий участок. Два типа ответов на АБК – быстрый (например, закрывание устьиц) и медленный (например, созревание плодов) Анализ тотальных транскриптов покзал, что риса и арабидопсиса АБК регулирует акитвность как минимум 10% всех генов. Непосредственно в сигналинге участвует минимум 50 локусов ДНК… Рецептор - скорее всего их несколько. Гипотезы: 1. Рецептор – ионный канал. Быстрый ответы. АБК может непосредственно влиять на текучесть мембран. Ее структура похожа на токоферол. Может влиять на Са 2+ каналы. 2. Экстра - и внутриклеточные рецепторы. RPK 1 (Receptor Protein Kinase) -мембранный рецептор (для быстрых ответов, не требующих активациии генов) 3. FC+FY (Flowering locus C&Y) – ядерная рецепция АБК, приводящая к деградации репрессоров (в системе контроля цветения) Видимо, есть другие рецепторы.

Сигнальная система АБК, регулирующая время цветения – внутриклеточный рецептор. FCA (Flowering time Control A) – РНК-связывающий ядерный белок, который запускает цветение, снимая действие FLC (Flowering Locus C) мощного ингибитора цветения. FCA афинно и специфично связывется с АБК. Без АБК, FCA образует совместно с фактором полиаденилирования РНК FY (Flowering Locus Y) комплекс процессинга РНК, который предотвращает образование m. РНК ингибитора FLC. Растение цветет. При наличии АБК она связывается c С-концевым участком FCA, рядом с местом взаимодействия с FY. Это разрушает их взаимодействие, что ведет к накоплению FLC и задержке цветения. Транскрипция SOC 1 происходит только в растениях с низкими уровнями FLC

Регуляторные механизмы и трансфакторы АБК-сигналинга у Arabidopsis thaliana По коллекции мутантов Arabidopsis, не чувствительных к АБК (ABA-insensitive – ABI ) найдены компоненты системы трансдукции сигнала: ABI 1: серин-треониновая протеин-фосфатаза, 434 а-к, имеет Са 2+-связывающий участок. ABI 2 – 80% гомологии с ABI 1. ABI 3 – образует комплексы с факторами транскрипции. ABI 5 – связывается с ABRC -мотивом в ДНК промоторов. Гены-мишени: сдержат ABRE или ABRC (АБКрегулируемый элемент или комплекс). В промоторной области - Gбокс, обычно с последовательностью = vp 1 (Zea)

Содержание АБК в тканях резко возрастает при стрессах, связанных с водным дефицитом ( почвенная засуха, охлаждение, засолении). • Под действием АБК усиливается поглощение воды корнем АБК вызывает быстрое закрытие устьиц ; АБК вызывает синтез осмотически активных веществ и веществ, препятствующих обезвоживанию (оксипролин), полиамины ( спермидин и путресцин) ;

Реакция устьиц на абсцизовую кислоту и цитокинины Цитокинин Абсцизовая кислота

Сигнальная система АБК, связанная с закрытием устьиц. Закрывание К+-каналов Активные (influx) формы 2+ Снижение энергизации кислорода Са -канал мембраны Рецептор Фосфатидная к-та Система NO, включающая ц. АДФ-рибозу Рецептор инозитол-1, 4, 5 -трифосфат о г ско Фосфолипаза D тиче ра го мо ос и тур ие ен ения ж ни авл С д Блокирование работы Н+-АТФазы (р-тип) G-белки Открывание К+-каналов плазмалеммы (efflux) и тонопласта Фосфолипаза С

Адаптация к засухе 1. Вынужденный покой 2. вызывается внезапным 3. изменением абиотических факторов 4. ипродолжается, пока фактор 5. не перестанет действовать Повышается устойчивость к низким температурам 2. Физиологический покой вызывается внутренними факторами растения. Продолжается по «внутренним часам»

Адаптация к низким температурам Повышается устойчивость к низким температурам

Переход в состояние покоя 1. Остановка роста 2. Запасание питательных веществ 3. Синтез осмопротекторных соединений (они же – антифризы) 4. Образование пробковой ткани (перидерма) 5. Сброс листьев 6. Образование специализированных органов (катафиллы, клубни, выводковые почки и др. ) 7. Дифференциальный переход ДНК в более метилированное и конденсированное состояние

Окончание физиологического покоя

Физиологический покой семян 1. Стратификация 2. холодовая обработка 3. набухших семян 4. при околонулевых 5. температурах 2. Вымывание веществ-ингибиторов талыми водами

Подводные и надводные листья Высокий уровень АБК Низкий уровень АБК

Патогенные грибы синтезируют АБК Botrytis cinerea

Механический стресс Апикальная петелька Утолщение

«Пробивные» листья (катафиллы)

Этилен – С 2 Н 4 - газообразный гормон, способный вызывать биологические эффекты при концентрации 10 нл /на 1 л воздуха. Этилен ускоряет созревание плодов, процессы старения (опадение листьев, лепестков), играет важную роль в защите от стрессовых воздействий, гравитропизме корней и др. Кроме того, он вызывает характерный «тройной ответ» у этиолированных проростков. «Тройной ответ» на этилен: бобы апикальная петелька, замедление роста в длину, диагеотропный рост горох

Биосинтез этилена

Биосинтез этилена В аэробной среде из АЦК образуется этилен, растения вянут Предшестенник этилена (АЦК) Образуется в корнях и транспортируется в стебли и листья

Мутанты, не чувствительные к этилену - C 2 H 4 + C 2 H 4

Этилен и корневые волоски

Эффекты этилена А. «Тройной ответ» у 6 -дневных проростков гороха, обработанных 10 ppm этилена В. Эпинастии у томатов С. Задержка старения цветков (STS –тиосульфат серебра, ингибиитор действия этилена) D. Формирование корневых волосков у 2 -дневных проростков салатука, обработанных 10 ppm этилена

Рецепция этилена

Рецепция этилена Cu Cu ETR 1 H H D D etr 1 -1: etr 1 -2: etr 1 -3: etr 1 -4:

– ЭТИЛЕН + ЭТИЛЕН Рецепторы этилена Рецепция этилена P НДФК ГТФ м. G-белки CTR 1 МАП 3 К (? ) МАП 2 К (? ) MEK (? ) МАПК (? ) ERK 1 EIN 2 EIN 3 Экспрессия генов “нормальных” белков клетки Экспрессия этилен-регулируемых генов

Нападение вредителей

Нападение грибов

Созревание сочных плодов 1. Активация пектиназ в апоплоасте (размягчение ткани плода) 4. Распад хлорофилла 5. Синтез окрашенных соединений (каротиноиды и/или антоцианы) 2. Распад кислот, терпких веществ в вакуоли, распад крахмала 3. Накопление в вакуоли растворимых сахаров 6. Действие на зону опадения

Созревание сочных плодов + Нападение вредителей Действие на зону опадения Ускоренное созревание

Созревание сочных плодов + Нападение грибов

Этилен и опыление Увядание и опадение привлекающего аппарата (лепестки, листочки околоцветника и др. ) Увядание тычинок Активный рост завязей

Цветение ананасов

Другие бромелиевые

Ароидные

(10 -6 - 10 -7 М) О СООН ЖАСМОНОВАЯ КИСЛОТА Образуется в результате гидролиза мембранного фосфолипида фосфолипазой А. Образует летучее производное метилжасмонат

Синтез жасмонатов OPDA – 12 -оксофитодиеновая кислота «Запасной» OPDA в мембранах хлоропластов – до 90% от всего ОPDА. LOX – липоксигеназа AOS – аллен-оксид синтаза АОС – аллен-оксид циклаза OPR – OPDA-редуктаза

Структура и метаболизм жасмонатов

Рецепция жасмонатов ORCA – трансфактор octadecanoid responsive Catharanthus AP 2 -domain proteins JERE - jasmonate- and elicitorresponsive element

Эффекты жасмоновой кислоты • Ингибирует рост растяжением у проростков и отрезков стеблей • Ингибирует прорастание пыльцевых трубок • Ингибирует рост корней • Подавляет прорастание семян • Вызывает в зародышах синтез запасных белков семени и белков позднего эмбриогенеза

Способствует закрытию устьиц Играет роль в образовании цветков Обработка экзогенной жасмоновой кислотой провоцирует процессы старения и подавляет экспрессию генов фотосинтетического аппарата Жасмоновая кислота и ее производные включены в регуляцию «системной защиты» при внедрении патогена и при поранении

Салициловая кислота (10 -5 М) Салициловая кислота вызывает Синтез АО и термогенез у ароидных Летучая форма: метилсалицилат Салициловая кислота и ее производные включены в регуляцию «системной защиты» при внедрении патогена и при поранении

Лирическое отступление

Фенольные соединения классифицируют по количеству ароматических колец и числу дополнительных углеродных атомов. С 6 – С 1 соединения (фенолокислоты) С 6 – С 3 соединения (оксикоричные кислоты, кумарины)

Фенольные соединения классифицируют по количеству ароматических колец и числу дополнительных углеродных атомов. Гиперицин С 6 -С 2 -С 6 соединения: стильбены и антрахиноны

Фенольные соединения классифицируют по количеству ароматических колец и числу дополнительных углеродных атомов. С 6 -С 3 -С 6 соединения: флавоноиды, изофлавоноиды

Вся радуга окраски цветков обусловлена гликозидами трех агликонов – но с модификациями

Heucherella ‘Color Glory’ Кислая среда Щелочная среда Heuchera ‘Snow Scrolls’ Arum maculatum

Цианидин Пеларгонидин Петунидин Дельфинидин

Антоцианы – гликозиды антоцианидинов Цвет антоцианов определяется многими факторами…

Фенольные соединения тоже небесполезны…

Лигнины: фенилпропаниодная сеть клеточной стенки

Образование лигнина: окислительная конденсация фенилпропаноидов случайным образом.

Образование лигнинов: целенаправленная конденсация мономеров.

Этилен, салициловая кислота, олигосахарины, жасмоновая кислота участвуют в ответе растения на биотический стресс и возникновении системной устойчивости Проникновение гриба Rhynchosporium secalis после прорастания спор через поверхность листа ячменя

Эффекты олигосахаринов (10 -7 - 10 -10 М) • Действуют как антагонисты ИУК , подавляя рост растяжением в отрезках стеблей • Стимулируют клеточные деления в каллусах • Действуют как антагонисты ИУК в каллусах: стимулируют появление цветков и ингибируют образование корней Олигосахарины включены в регуляцию «системной защиты» при внедрении патогена

Эффекты олигосахаринов (10 -7 - 10 -10 М) ПАТОГЕН РАСТЕНИЕ СИГНАЛЬНАЫЙ ОЛИГОСАХАРИН ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ СИНТЕЗ ФИТОАЛЕКСИНОВ • При взаимодействии «патоген-хозяин» включает экспрессию PR-генов, контролирующих систему защиты • PR-patogenesis-related

Атака патогена и защитные реакции

Атака патогена и защитные реакции летучие терпеноиды системный ответ К КС ФА вакуоль ПАТОГЕН СК системин РИБ дефенсины м. РНК ферменты фенилпропаноидного метаболизма ферменты терпеноидного метаболизма нуклеазы хитиназа, b-1, 3 глюаназа каллоза ингибиторы гликаназ, протеиназ каллозосинтаза пролилгидроксилаза апоптоз цистеиновые протеиназы пероксидазы ОПБ укрепление КС К

Фитоалексины – индуцибельные вторичные метаболиты

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.