Fizjologia i Regulacja Metabolizmu. Jarosław Szczepanik

Transkrypt

1 PERCEPCJA I PRZETWARZANIE SYGNAŁÓW U ROŚLIN Fizjologia i Regulacja Metabolizmu Jarosław Szczepanik Zakład Ekofizjologii Molekularnej Roślin, Instytut Biologii Eksperymentalnej i Biotechnologii Roślin

2 Plan prezentacji 1 Transdukcja sygnału Transdukcja sygnału w komórce roślinnej Wapń jako wtórny przekaźnik informacji Transdukcja sygnału o stresie oksydacyjnym 2 Percepcja światła Białka biorące udział w percepcji sygnałów świetlnych 3 Komunikacja systemiczna Systemiczne przekazywanie sygnału Systemiczne przekazywanie sygnałów świetlnych Elektrofizjologia 4 Hormony Roślinne hormony i regulatory wzrostu 5 Allelopatia Wykrywanie sąsiadów i ostrzeganie o zagrożeniach

3 Transdukcja sygnału DEFINICJA: Zamiana bodźca zewnętrznego (warunki środowiska, biotyczne i abiotyczne czynniki stresowe) na odpowiedź fizjologiczną komórki i organizmu

4 Etapy transdukcji sygnału w roślinie percepcja sygnału (najczęsciej poprzez receptory) przetworzenie sygnału (np. poprzez wzmocnienie za pośrednictwem wtórnych przekaźników) przekazanie sygnału regulacja specyficznych genów modyfikacja procesów metabolicznych i fizjologicznych odpowiedź rośliny (zmiana funkcjonowania organizmu)

5 Sposoby transdukcji sygnału w komórce receptory zewnątrzkomórkowe (błonowe) dla dużych cząsteczek (białka, cukrowce, aminokwasy) wewnątrzkomórkowe dla małych cząsteczek (jony, etylen) białka sprzęgające (białka G) wtórne przekaźniki informacji (wapń, trójfosforan inozytolu, nukleotydy cykliczne) fosforylacja i defosforylacja białek

6 Systemy transdukcji sygnału JEDNOSKŁADNIKOWY: Jeden receptor (lub jeden system białek błonowych) częśc receptorowa i część katalityczna (kinaza seronino-treoninowa) DWUSKŁADNIKOWY: Dwa białka: sensor i regulator odpowiedzi; zewnętrzna domena sensora wiąże ligand a wewnętrzna jest kinazą (histydynową) ulegającą autofosforylacji po związaniu liganda; aktywowane jest białko regulatorowe oddziaływujące pośrednio lub bezpośrednio na specyficzne geny TRÓJSKŁADNIKOWY: Zewnątrzkomórkowy receptor, białko sprzęgające w błonie oraz efektor (kanał jonowy, enzym); receptor przenosi wzbudzenie na białko sprzęgające, a to z kolei na efektor; w rezultacie wzrost stężenia wtórnego przekaźnika informacji wpływające na własności kinetyczne białek

7 Transdukcja sygnału na przykładzie systemu trójskładnikowego Alberts, 1999

8 Kaskady sygnałowe transdukcja sygnału działa najczęściej jak kaskada przełączników molekularnych (na rysunku receptor sprzężony z białkiem G białko G fossfolipaza C IP 3 kanał wapniowy jony wapnia Alberts, 1999

9 Transdukcja sygnału z udziałem wapnia Snedden i Fromm, 1998

10 Komórkowe rezerwuary wapnia PULA JONÓW WAPNIA [%] ([mm]) (wartości dla komórki niepobudzonej) KOMÓRKA: 100% (~15 mm) wakuola: 70% (~10 mm) ściana komórkowa: 15% (~2 mm) ER: 10% (~1 mm) aparat Golgiego: 10% (~1 mm) Snedden i Fromm, 1998

11 Uruchamianie kanałów wapniowych w tonoplaście tonoplast posiada kilka rodzajów kanałów wapniowych, aktywowanych przez specyficzne bodźce i ścieżki transdukcji sygnału: bramkowane napięciem (Vm, o różnych potencjałach uruchamiajacych), aktywowane przez cykliczne nukleotydy (cadpr) lub IP 3 McAinsh i Hetherington, 1998

12 Dekodowanie sygnału wapniowego wiele bodźców i ścieżek transdukcji sygnału korzysta z pośrednictwa wapnia jako wtórnego przekaźnika wiele szlaków prowadzi do tego samego efektu: wzrostu stężenia jonów wapnia w cytozolu jak odróżnić, który bodziec spowodował tę reakcję? kluczem jest lokalizacja komórkowa, amplituda, wielkość i czas trwania oraz częstotliwość wzrostu stężenia wapnia dodatkowo na sygnaturę wapniową danego bodźca wpływają inne wtórne nośniki informacji McAinsh i Hetherington, 1998

13 Dekodowanie sygnału wapniowego różne sygnatury wapniowe mogą powodować różną odpowiedź tych samych komórek (po prawej stopień rozwarcia komórek szparkowych) dlaczego wapń jest wtórnym przekaźnikiem informacji? tworzy on nierozpuszczalne sole z powszechnymi w komórce fosforanami, stąd ewolucyjna presja na utrzymanie niskiego stężenia tego jonu w cytoplazmie (sekrecja do wydzielonych rezerwuarów) musiała pojawić się wcześnie Ng i McAinsh, 2003

14 Transdukcja sygnału o stresie oksydacyjnym Skróty: HSP białka szoku cieplnego; MAPK kinaza białkowa aktywowana mitogenem; PCD programowana śmierć komórki; ROS reaktywne formy tlenu; SA kwas salicylowy Mittler, 2002

15 ROS a funkcjonowanie plazmodesm dwa mutanty Arabidopsis i tytoniu: ise1, ise2 (increased size exclusion limit) u obydwu 10-krotnie wyższa przepuszczalność plazmodesm (PD) geny ISE1 i ISE2 kodują helikzay RNA : odpowiednio mitochondrialną i chloroplastową u obydwu mutantów niedorozwinięte chloroplasty i chlorozy wzrost przepuszczalności PD w celu zwiększenia dopływu koniecznych do rozwoju liścia substancji? Burch-Smith i in., 2011

16 ROS a funkcjonowanie plazmodesm obydwie mutacje (oraz podanie kwasu salicylohydroksamowego (SHAM) inhibitora oksydazy alternatywnej) prowadzą do spadku zawartości ROS w chloroplastach oraz do przeciwnego efektu w mitochondriach utlenienie mitochondriów (niewielki wzrost ROS) roślina traktuje jako słaby stres, z którym można się uporać (stąd zwiększanie SEL PD) wzrost ROS w chloroplastach po podaniu parakwatu PQ (tam produkowane są wysokie stężenia ROS) interpretowany jako poważny stres oksydacyjny, co prowadzi do zamykania PD funkcjonowanie PD zależy od wzajemnych powiązań (crosstalk) pomiędzy mitochondriami, organellami i jądrem komórkowym Stonebloom i in., 2012

17 Białka zaangażowane w percepcję sygnałów świetlnych

18 Fitochromy dwie formy: P R nieaktywna biologicznie, pochłaniająca światło czerwone P FR aktywna biologicznie, pochłaniajaca daleką czerwień chromoforem są cztery pierścienie pirolowe (synteza w plastydach) kinaza serynowo-treoninowa; po absorbcji światła czerwonego autofosforylacja seryny; P FR może fosforylować inne białka dwie pule: labilna (szybka ubikwitynacja (odkrycie ubikwitynacji) i rozkład na świetle; gen phya) oraz stabilna (P FR stabilne na świetle, pozostałe geny phy (2 4)); mogą działać odmiennie Morelli i Ruberti, 2002

19 Fitochromy stężenie fitochromu jest najwyższe w tkankach o najwyższym stopniu zmian pod wpływem światła fitochromy w różny sposób odbierają natężenie światła (zależne od stężenia P FR ): reakcje zachodzące przy bardzo niskich natężeniach światła (VLFR) są nieodwracalne, kontrolowane przez phya niskie natężenia światła (LFR) wywołują reakcję odwracalną przez FR pod kontrolą phyb wysokie natężenia światła (HIR) wymagają długiego działania bodźca, wywołują reakcje nieodwracalne, głównie pod kontrolą phya Casal i in., 1998

20 Deetiolacja Quail, 2002

21 Fotomorfogeneza i fitochromy fotomorfogeneza procesy rozwojowe zachodzące pod wpływem światła fitochrom A wyzwala podczas deetiolacji transdukcję sygnałów za pośrednictwem białka G oraz wtórnych przekaźników: wapnia i cgmp Quail, 2002

22 Kryptochromy reagują na światło niebieskie chromofory: malonylo-ryboflawina i pteryna u roślin dwa (rzadziej trzy geny) kryptochromu podobne do roślinnych krypochromy występują u zwierząt, gdzie współuczestniczą w działaniu zegara biologicznego oraz percepcji pola magnetycznego współdziałają z innymi receptorami światła

23 Fototropiny kinaza białkowa aktywowana światłem niebieskim chromofory: dwie grupy flawinowe dwa geny: phot1 i phot2 działa za pośrednictwem wapnia w fototropiźmie współdziała z fitochromami Lin, 1999

24 Percepcja UV proces mało poznany jak do tej pory rozpoznano mechanizm działania jednego białka: UVR8 nie posiada chromoforów! za percepcję UV odpowiada piramida tryptofanowa pod wpływem UV dimer rozpada się, a monomery wiążą się z białkiem COP1 (CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC 1) białko COP1 bierze też udział w percepcji światła przez inne fotoreceptory Gardner i Correa, 2012

25 Transdukcja sygnału Percepcja światła Komunikacja systemiczna Hormony Allelopatia Transport czynników transkrypcyjnych przez PD Roberts i Oparka, 2003 J. Szczepanik BiBS, FiRM: Signaling

26 Systemiczny transport wiroidów w roślinie Ding i in., 1999

27 Systemiczny transport mrna Przenoszenie mutacji Me (Mouse ears) z podkładki do zrazu dzikiego u pomidora Heinlein, 2002

28 Systemiczny transport mrna i białek Przemieszczanie się endogennego białka CmPP16 i jego mrna przez nowo utworzony floem z podkładki dyni do zrazu ogórka Xoconostle-Cazares i in., 1999

29 Sygnały fotoelektrofizjologiczne (PEPS) intensywność światła może być bodźcem, który pozwala roślinom na zapamiętanie fizjologicznego i środowiskowego kontekstu związanego ze stresem czynnikami składającymi się na tą pamięć są: wielkość niefotochemicznego wygaszania wzbudzenia chlorofilu (NPQ), poziom ROS oraz utlenienia glutationu i plastochinonu w chloroplastach po naświetleniu silnym światłem niebieskim i czerwonym sygnały elektryczne są przesyłane sytemicznie do innych liści (nieoświetlanych), w których następuje indukcja odpowiedzi podobna do liścia oświetlonego wcześniejsze uruchomienie PEPS ułatwia walkę ze stresem biotycznym Szechyńska-Hebda i in., 2010

30 Potencjał czynnościowy w ogonku liściowym mimozy Fromm, 1991

31 Sygnały elektryczne w liściu mimozy Fromm, 1991

32 Systemiczny transport sygnałów elektrycznych Efektywna wydajność kwantowa PSII w liściu złożonym mimozy sąsiadującym z podrażnionym Koziolek i in., 2003

33 Reakcje roślin wywołane przez sygnały elektryczne RUCHY rośliny drapieżne (1 cm); mimoza (10 cm) FOTOSYNTEZA, ODDYCHANIE przejściowa indukcja oddychania i fotosyntezy po podrażnieniu podstawy łodygi dyni gorącem lub KCl hormony, zmiana ph podłoża indukują sygnał elektryczny, wywołujący zmiany w fotosyntezie i transpiracji liści już po 3 minutach (wierzba) po zapyleniu łagiewka pyłkowa przenosi sygnał elektryczny stymulujący oddychanie w komórce jajowej po 1 minucie (hibiskus) TRANSPORT FLOEMOWY indukcja rozładunku floemu (mimoza, burak) chłód indukuje sygnał elektryczny przemieszczany wzdłuż liścia kukurydzy, skutkujący zahamowaniem transportu SYNTEZA BIAŁEK sygnał elektryczny wywołany zranieniem lub gorącem jest pzrenoszony wzdłuż ogonka liściowego i indukuje po 4 h ekspresję genu Pin 2 (inhibitor proteinazy) w liściu niezranionym pomidora

34 Hormony i regulatory wzrostu HORMONY wpływają na wzrost i rozwój roślin mają zdolność do przemieszczania się działają w małych stężeniach (rzędu 10-6 M) powszechne w świecie roślin auksyny, gibereliny, cytokininy, kwas abscysynowy, etylen, kwas jasmonowy, brasinosteroidy REGULATORY WZROSTU działają podobnie jak hormony ale w wyższych stężeniach (> 10-4 M) nie są powszechne, często dany związek specyficzny gatunkowo poliaminy, związki fenolowe, kwas salicylowy, HCN

35 Równowaga i działanie plejoropowe w przypadku hormonów często można mówić o działaniu plejotropowym (jeden hormon wpływa na wiele procesów) o kierunku procesów rozwojowych czy reakcji na bodziec decyduje równowaga hormonalna w danej komórce lub tkance różne hormony oddziaływują na siebie (crosstalk): działanie synergistyczne i antagonistyczne

36 Auksyny SYNTEZA pochodne tryptofanu powstają w merystemach (głównie liście), skąd są transportowane bazypetalnie DZIAŁANIE wzrost wydłużeniowy ruchy roślin ukorzenianie dominacja wierzchołkowa rozwój owoców regulacja przepływu przez PD Callis, 2005

37 Gibereliny SYNTEZA izoprenoidy wydłużające się liście, nasiona, części wierzchołkowe pędów i korzeni (ale nie merystemy), węzły u traw, pręciki DZIAŁANIE wzrost na wysokość (mutanty giberelinowe są karłowate; mozna przełamać mutację podając egzogenne GA) przełamanie spoczynku pąków i nasion indukcja kwitnienia indukcja kwaśnej inwertazy mają negatywne regulatory (białka DELLA)

38 Gibereliny odkryte u szalonego ryżu zakażonego grzybem Giberella fujikuroi, produkującym gibreliny ponad 120 znanych GA

39 Cytokininy SYNTEZA pochodne adeniny synteza głównie w merystemach korzeni, zarodkach transport w ksylemie do liści DZIAŁANIE stymulowanie podziałów komórkowych wzrost pędów bocznych opóźnianie starzenia liści indukcja RuBisCO, fotosyntezy, transportu asymilatów stymulacja rozwoju wiązek przewodzących

40 Bakterie i cytokininy niektóre bakterie produkują cytokininy, indukując powstanie specjalnych struktur, w których żyją (na zdjęciu miotła czarownicy na gałęzi jodły balsamicznej zaatakowanej przez Corynebacterium

41 Brasinosteroidy SYNTEZA izoprenoidy powstają we wszystkich tkankach, ale w niskich stężeniach (500 ng/kg nasion rzodkiewnika; 10 mg/250 kg pyłku!) transport floemem i ksylemem DZIAŁANIE wzrost pędów (najaktywniejsze hormony wzrostu) stymulacja podziałów i różnicowania komórek wzrost oporności na stresy przyspieszanie starzenia

42 Kwas abscysynowy SYNTEZA izoprenoid synteza głównie w dojrzałych organach DZIAŁANIE antagonista większości hormonów hamuje wzrost i kiełkowanie stymuluje spoczynek i starzenie w warunkach stresu odpowiada za zamykanie szparek zwiększa odporność na stresy reguluje przepływ przez PD brak ABA w nasionach powoduje kiełkowanie na roślinie macierzystej

43 Etylen SYNTEZA synteza z metioniny (ACC prekursor) powstaje w różnych częściach rośliny szczególnie intensywnie w tkankach merstematycznych, starzejących się, dojrzewających owocach, pod wpływem anoksji lub innych stresów DZIAŁANIE indukcja epinastii dojrzewanie owoców stymulacja kiełkowania przyspieszanie starzenia i opadania organów indukcja wzrostu na grubość, hamowanie wzrostu elongacyjnego

44 Etylen i dojrzewanie owoców etylen przyspiesza dojrzewanie części owoców, tzw. owoców klimakterycznych owoce klimakteryczne: jabłka, banany, figi, mango, pomidory, śliwki, brzoskwinie owoce nieklimakteryczne: cytrusy, winogrona, ananasy, truskawki, arbuzy

45 Jasmonidy SYNTEZA pochodne kwasu linolenowego kwas jasmonowy i ester metylowy kwasu jasmonowego (forma lotna), koniugaty z aa i cukrami DZIAŁANIE podobnie do ABA hamuje wzrost, stymuluje starzenie, dojrzewanie i opadanie organów hamuje fotosyntezę pełni szczególną rolę w odpowiedzi stres UV, ozon, zranienie najważniejszy podczas odpowiedzi na stresy biotyczne (polipetyd systemina indukuje lipazę, ta uwalnia kwas linolenowy)

46 Sposoby komunikacji międzyosobniczej u roślin stosunek światła czerwonego do dalekiej czerwieni (R:FR) chlorofil pochłania R, stąd wysoki udział FR oznacza duże zacienienie ucieczka od sąsiadów, w kierunku wyższego R:FR lotne związki organiczne (BVOC): metylojasmonian, terpeny rolą BVOC jest ochrona sąsiadów (często klony jednego osobnika) przed zagrożeniem ze strony patogena czy roślinożercy, zwabianie drapieżnych owadów lub ptaków, allelopatia

47 Sposoby komunikacji międzyosobniczej Ballare, 1999

48 Allelopatia negatywny lub pozytywny wpływ substancji chemicznych wydzielanych przez roślinę lub pochodzących z jej rozkładu na inne organizmy substancje te mogą hamować kiełkowanie lub/i wzrost roślin

49 Allelopatia Allelopatia mącznicy (zwróć uwagę na brak innych roślin w pobliżu pnia)