Wprowadzenie. Wykład. Fizjologia wzrostu i rozwoju roślin. 2. Cykl rozwojowy roślin. Wzrost generatywny i starzenie roślin

Transkrypt

1 Wykład Fizjologia wzrostu i rozwoju roślin 2. Cykl rozwojowy roślin. Wzrost generatywny i starzenie roślin Autor dr hab. Renata Bogatek-Leszczyńska Wprowadzenie Na poprzednim wykładzie dowiedzieliście się, Ŝe rośliny w okresie młodocianym cechuje intensywny rozwój wegetatywny. Długość okresu młodocianego jest właściwością genotypową rośliny i wynosi od kilku dni (np. komosa czerwona, Pharbitis nil) do kilkudziesięciu lat u roślin drzewiastych (np. buk, sosna, dąb). W tym wykładzie dowiecie się, co dzieje się w roślinie po zakończeniu fazy młodocianej, kiedy roślina moŝe juŝ przejść w stadium generatywne, co w starszej literaturze nazywano gotowością do kwitnienia. Obecnie, coraz częściej ta właściwość określana jest jako kompetencja rośliny do odebrania sygnałów indukujących proces kwitnienia. Oznacza to, Ŝe roślina jest zdolna do kwitnienia po osiągnięciu określonego stadium dojrzałości. Dopiero wówczas moŝe ulec zmianie wzorzec róŝnicowania się wierzchołków wzrostu. W obrębie merystemów wierzchołkowych zamiast zawiązków liściowych i pąków kątowych zaczynają wytwarzać się organy rozmnaŝania generatywnego, tj. kwiaty lub kwiatostany. W tym wykładzie poznasz sposób w jaki dochodzi do indukcji kwitnienia i czynniki endogenne i egzogenne które biorą udział w regulacji procesu kwitnienia. Z pewnością przydatne będą wiadomości z botaniki dotyczące budowy anatomicznej kwiatu.

2 Rośliny monokarpiczne (jedno-, dwu-, wieloletnie) rośliny kwitnące i owocujące tylko jeden raz w ich cyklu Ŝyciowym (co inicjuje proces starzenia i obumierania) Rośliny polikarpiczne (wieloletnie) rośliny kwitnące wielokrotnie, tylko część merystemów wegetatywnych przekształcanych jest w generatywne (co nie inicjuje procesu starzenia i obumierania) U roślin jednorocznych, dwuletnich i wieloletnich kwitnących i owocujących tylko jeden raz w ich cyklu Ŝyciowym tworzenie kwiatów inicjuje proces ich starzenia się i obumierania. Takie rośliny nazywamy roślinami monokarpicznymi. Natomiast u roślin polikarpicznych to jest roślin wieloletnich, kwitnących wielokrotnie, kaŝdego roku (lub sezonu wegetacyjnego) tylko część merystemów wegetatywnych przekształca się w generatywne. W przypadku tych roślin sam proces zawiązywania kwiatów nie jest wystarczającym czynnikiem inicjującym starzenie i śmierć organizmu.

3 Indukcja generatywna Indukcję generatywną, czyli przejście rośliny z fazy wegetatywnej w generatywną, mogą powodować: Światło (fotoindukcja) (fotoperiod) Temperatura (termoindukcja) Czynniki natury chemicznej (hormony - GA, JA), regulatory wzrostu - PA Zazwyczaj przejście z fazy rozwoju wegetatywnego do generatywnego zachodzi w najbardziej korzystnym, z punktu widzenia reprodukcyjnego czasie, zapewniającym wytworzenie maksymalnej liczby kwiatów a następnie nasion. Kwitnienie roślin występujących w naszych szerokościach geograficznych (klimacie umiarkowanym) jest uzaleŝnione od działania czynników: (i) zewnętrznych, takich jak światło (indukcja fotoperiodyczna, fotoindukcja generatywna) nie tylko od jakości światła (skład spektralny światła) ale takŝe ilości światła (czasu trwania fotoperiodyzm) i temperatura (termoindukcja, wernalizacja, jaryzacja) oraz (ii) wewnętrznych, którymi są uwarunkowania genetyczne i działanie fitohormonów. Rośliny w niesprzyjających warunkach oświetlenia czy temperatury pozostają w stadium wegetatywnym. JednakŜe, indukcję generatywną roślin, czyli ich przejście z fazy wegetatywnej w generatywną, moŝna spowodować czynnikami natury chemicznej tj. poprzez potraktowanie roślin hormonami roślinnymi takimi jak gibereliny (GA), kwas jasmonowy (JA) lub regulatorami wzrostu np. poliamidami (PA).

4 Rośliny monokarpiczne (jedno-, dwu-, wieloletnie) rośliny kwitnące i owocujące tylko jeden raz w ich cyklu Ŝyciowym (co inicjuje proces starzenia i obumierania) Rośliny polikarpiczne (wieloletnie) rośliny kwitnące wielokrotnie, tylko część merystemów wegetatywnych przekształcanych jest w generatywne (co nie inicjuje procesu starzenia i obumierania) U roślin jednorocznych, dwuletnich i wieloletnich kwitnących i owocujących tylko jeden raz w ich cyklu Ŝyciowym tworzenie kwiatów inicjuje proces ich starzenia się i obumierania. Takie rośliny nazywamy roślinami monokarpicznymi. Natomiast u roślin polikarpicznych to jest roślin wieloletnich, kwitnących wielokrotnie, kaŝdego roku (lub sezonu wegetacyjnego) tylko część merystemów wegetatywnych przekształca się w generatywne. W przypadku tych roślin sam proces zawiązywania kwiatów nie jest wystarczającym czynnikiem inicjującym starzenie i śmierć organizmu.

5 FOTOPERIODYCZNA INDUKCJA KWITNIENIA Kwitnienie jest regulowane przez fotoperiod Fotoperiodyzm jest ewolucyjnym przystosowaniem się roślin do Ŝycia w strefach o określonym następstwie pór roku. Przykłady roślin o róŝnych wymaganiach fotoperiodycznych rośliny dnia krótkiego: szarłat zwisły złocień chiński kalanchoe rośliny dnia długiego: rudbekia dwubarwna koper ogrodowy rzodkiewnik pospolity rośliny neutralne: ogórek fasola zwyczajna pomidor Fotoperiodyzm jest reakcją licznych gatunków roślin i zwierząt na zmieniający się w cyklu dobowym czas trwania i periodyczne następstwo okresów światła i ciemności. Jest on wyrazem ewolucyjnego przystosowania się organizmów Ŝywych do funkcjonowania w środowisku charakteryzującym się dobowymi zmianami w zmieniających się sezonowo warunkach świetlnych otoczenia. Biorąc pod uwagę wymagania fotoperiodyczne wyróŝnia się: rośliny dnia krótkiego (ang. short day plants, SDP), rośliny dnia długiego (ang.long day plants, LDP) i rośliny fotoperiodycznie neutralne (ang. day neutral plants, DNP). Rośliny dnia krótkiego (np. wilec wielkokwiatowy, komosa czerwonawa) indukowane są do kwitnienia w warunkach, gdy okres ciemności przekroczy krytyczną wartość. Tego typu rośliny kwitną zazwyczaj wczesną wiosną lub wczesną jesienią. Rośliny dnia długiego, kwitnące latem (np. rzodkiewnik pospolity; lulek czarny), do indukcji tego procesu wymagają odpowiednio długiej fazy jasnej (dnia) i krótkiego okresu ciemności (nocy) a inicjacja ich kwitnienia jest uzaleŝniona od ekspozycji roślin na określone fotoperiody w odpowiedniej kolejności. Fotoperiodycznie neutralne kwitnienie roślin (np. pomidora, kukurydzy) jest niezaleŝne od fotoperiodu, a ich przejście z fazy rozwoju wegetatywnego do generatywnego jest indukowane czynnikami natury wewnętrznej, np. osiągnięciem określonego stadium rozwojowego.

6 Etapy zakwitania Przejście roślin fotoperiodycznie wraŝliwych do fazy generatywnej jest konsekwencją wielu reakcji metabolicznych, zachodzących w kilku etapach: Indukcja kwitnienia (w liściach lub liścieniach) Ewokacja albo inicjacja kwitnienia Rozwój kwiatów W wyniku indukcji fotoperiodycznej dochodzi do powstania w roślinie pewnych trwałych zmian, które początkowo nie są zauwaŝalne zarówno na poziomie anatomicznym, jak i morfologicznym. Ten przejściowy stan nazywany jest ewokacją lub inicjacją kwitnienia. Organami biorącymi udział w percepcji bodźców fotoperiodycznych są liście bądź liścienie.

7 Model indukcji zakwitania roślin Czynniki środowiska (np. fotoperiod) Liście donor sygnału Rozwój rośliny (jej wielkość) Tkanki przewodzące transport sygnału Merystem apikalny pędu Odbiorca sygnału Colasanti et al , zmodyfikowane Rośliny muszą osiągnąć określone stadium rozwoju, aby móc odpowiadać na bodźce świetlne. Organami odpowiedzialnymi za percepcję bodźca świetlnego są liście, w których powstaje określony impuls zwany induktorem kwitnienia. Jest on transportowany przez wiązki przewodzące (floem) do wierzchołków wzrostu pędu, gdzie zapoczątkowuje w merystemach przemiany biochemiczne, anatomiczne i morfologiczne prowadzące do przekształcenia wierzchołka wzrostu wegetatywnego w generatywny i wytworzenia kwiatów.

8 Schemat przebiegu fotoperiodycznej indukcji kwitnienia ŚWIATŁO (jakość, długość trwania) Fitochromy, kryptochromy Łańcuch transdukcji sygnału rytm dobowy i pomiar czasu Zegar biologiczny Zmiany metaboliczne Ekspresja genów Stan indukcji, induktor kwitnienia Liść Transport induktora WIERZCHOŁEK WZROSTU (ewokacja) Indukcja fotoperiodyczna polega na percepcji przez roślinę właściwego dla niej fotoperiodu (czasowego rytmu dobowego), co w rezultacie powoduje uruchomienie aktywności genów kwiatowych oraz reakcji metabolicznych prowadzących do wytworzenia kwiatu. Roślina zaindukowana zakwitnie nawet po zmianie warunków fotoperiodycznych na nieindukcyjne. W wyniku indukcji fotoperiodycznej zachodzą więc w roślinie trwale zmiany rozwojowe, mimo Ŝe początkowo nie moŝna jeszcze zauwaŝyć widocznych zmian anatomicznych i morfologicznych. Te pojawiają się dopiero później. Mechanizm indukcji kwitnienia wiąŝe się zatem z monitorowaniem przez roślinę warunków fotoperiodycznych oraz wytworzeniem w roślinie specyficznego stanu indukcji, który prowadzi do powstania induktora ( ów) kwitnienia. W indukcji fotoperiodycznej występuje określona sekwencja zdarzeń (przedstawiona na schemacie). Światło (fotoperiod, długość fal świetlnych) jest absorbowane przez specyficzne fotoreceptory fitochromy i kryptochromy. Zmiany właściwości fizykochemicznych receptorów prowadzą do uruchomienia genów zegara biologicznego oraz inicjacji określonych procesów metabolicznych (łańcuch przekazywania sygnału fotoperiodycznego). W konsekwencji dochodzi do powstania mobilnego induktora kwitnienia, który jest następnie transportowany do wierzchołka wzrostu, przekazując tam sygnał do tworzenia kwiatu (ewokacja). Molekularna regulacja kwitnienia będzie omówiona w dalszej części wykładu.

9 TERMOINDUKCJA KWITNIENIA (WERNALIZACJA) Przykłady rośliny wymagających wernalizacji do zakwitania Rośliny kwiatowe: stokrotka naparstnica niezapominajka lulek Warzywa i zboŝa: seler kapusta marchew Ŝyto pszenica Warunki termiczne otoczenia nie wywierają indukcyjnego wpływu na kwitnienie tzw. roślin jarych. Natomiast u wielu roślin ozimych okresowe działanie obniŝonej temperatury (wernalizacja, jaryzacja) ma istotny wpływ na przejście z fazy wegetatywnej do generatywnej. Rośliny wymagające wernalizacji przechodzą okres chłodów późną jesienią i/lub zimą w fazie spęczniałych nasion lub młodych siewek (jednoroczne oziminy), bądź w stadium dojrzałości wegetatywnej (rośliny dwu- i wieloletnie). Temperatury indukujące kwitnienie wahają się w granicach od 0 do +10 o C. Długość okresu wernalizacji, to jest niezbędna ilość dni trwania obniŝonej temperatury, jest zróŝnicowana w zaleŝności od gatunku. Najczęściej wynosi on od kilkunastu do kilkudziesięciu dni. W nasionach miejscem percepcji bodźca temperaturowego są zarodki, natomiast w przypadku siewek i dojrzałych wegetatywnie roślin są nim merystemy wierzchołkowe pędów.

10 Przebieg procesu wernalizacji wernalizacja Wierzchołek wzrostu Zmiana stanu błon komórkowych Przemiany metaboliczne i hormonalne Zmiana wraŝliwości wierzchołka wzrostu Demetylacja genów Ekspresja genów kwitnienia MORFOGENEZA KWIATU Wg. Lewak i Kopcewicz, 2009 Do zajścia procesu wernalizacji wymagana jest obecność w merystemie wierzchołkowym dzielących się komórek. Im dłuŝszy jest okres chłodu tym większa ilość komórek poddana jest jego działaniu, a tym samym odpowiedź wernalizacyjna jest większa. Indukowana chłodem demetylacja moŝe efektywnie przebiegać podczas fazy S cyklu komórkowego, kiedy zachodzi proces replikacji DNA. Powoduje to, iŝ po kolejnych rundach replikacji przybywa komórek z zdemetylowanym DNA, co prowadzi do zmian struktury przestrzennej chromatyny i odblokowania określonych genów. Po osiągnięciu ponadprogowego poziomu białek (prawdopodobnie specyficznych czynników transkrypcyjnych), będących produktami tych genów, dochodzi do zainicjowania morfogenezy kwiatów, w których, jak moŝna przypuszczać, utrzymuje się niski poziom metylacji DNA. Wernalizacja wiąŝe się równieŝ z wpływem obniŝonej temperatury na przepuszczalność błon komórkowych. Niska temperatura wpływa takŝe na metabolizm hormonalny, zwłaszcza giberelin i cytokinin.

11 SZLAKI INDUKCJI KWITNIENIA Szlaki metaboliczne kontrolujące kwitnienie Szlak fotoperiodyczny Szlak autonomiczny Szlak wernalizacyjny fotoreceptory Zegar biologiczny Szlak giberelinowy Gen rozwoju kwiatu LFY Geny tożsamości merystemu AP1 Wzrost wegetatywnyost Wzrost generatywnyost Molekularny mechanizm indukcji kwitnienia został najlepiej poznany u rzodkiewnika. Przejście z fazy rozwoju wegetatywnego do generatywnego tej rośliny kontrolowane jest przez cztery róŝne, aczkolwiek częściowo kompensujące się szlaki. Są to szlaki: fotoperiodyczny (indukowane przez długi fotoperiod), szlak autonomiczny, wernalizacyjny (indukowany przez niską temperaturę), indukowane przez giberelinę, Szlak fotoperiodyczny, światło bezpośrednio (absorbowane przez fitochromy i kryptochromy) w powiązaniu z cyklem okołodobowym czyli zegarem biologicznym, prowadzi do aktywacji genów CO i FT, który poprzez wpływ na LFY prowadzi do ekspresji genów AP1 zaangaŝowanych w morfogenezę kwiatów. Szlak autonomiczny, prowadzi do zahamowania ekspresji genu FLC represora kwitnienia. Szlak wernalizacyjny, podobnie jak szlak autonomiczny prowadzi do zahamowania ekspresji genu FLC.

12 Szlak giberelinowy, zaleŝny od metabolizmu gibereliny, prowadzi do aktywacji genu LFY, bezpośrednio odpowiedzialnego za przekształcanie merystemu wegetatywnego w kwiatostanowy. KaŜdy z tych szlaków reguluje ekspresję genów, których produkty działają na inne grupy genów, stymulując lub hamując ich ekspresję a w konsekwencji wpływając na ciąg reakcji prowadzących do zakwitania lub hamując zakwitanie. Gen FLC odgrywa kluczowa rolę w regulacji terminu zakwitania, blokuje bowiem ekspresję podstawowych genów warunkujących zakwitanie. W ten sposób reguluje on w duŝym stopniu czas przejścia w fazę generatywną, uzaleŝnioną nie tylko od warunków środowiska, lecz równieŝ od stadium wegetatywnego (rozwojowego) rośliny. W regulacji ekspresji genu FLC biorą udział jeszcze inne geny, niejako wzmacniające jego funkcję. Jest to dodatkowe zabezpieczenie rośliny przed zakwitaniem w nieodpowiednim czasie. Zatem jednym z kluczowych warunków przejścia w fazę generatywną jest usuniecie blokady (represora), czyli zahamowanie ekspresji genu FLC, który stoi na straŝy odpowiedniego terminu zakwitania rośliny. Inaktywacja ekspresji genu FLC jest wynikiem oddziaływania szlaków autonomicznego (w duŝej mierze uzaleŝnionego od stadium rozwoju wegetatywnego rośliny) i wernalizacyjnego (indukowanego przez niska temperaturę), które powodują denaturację DNA genu FLC, hamując lub przynajmniej zmniejszając w ten sposób jego ekspresję. Szlak hormonalny dotyczy przede wszystkim giberelin, które są aktywne w procesie fotoperiodycznej i termicznej indukcji kwitnienia. Gibereliny, jako jedyne znane fitohormony, są w stanie zastąpić działanie pozostałych szlaków indukcyjnych. Ekspresję genów związanych z tworzeniem kwiatów aktywuje szlak giberelinowy albo bezpośrednio przez aktywację genu LFY, albo pośrednio, przez pozytywną regulację genu SOCl.

13 MECHANIZM FOTOINDUKCJI ZAKWITANIA Florigen induktor kwitnienia floem Białko FT(FLORIGEN) pełni funkcję induktora ( nośnik sygnału kwitnienia), który jest transportowany przez floem do merystemu wierzchołkowego, gdzie aktywuje ekspresję genów rozwoju i morfogenezy kwiatu (SOC1 i AP1). FT Na szczególną uwagę zasługuje gen integratorowy FT, którego ekspresja i synteza biała FT odbywa się w liściach, w komórkach towarzyszących floemowi. Białko FT jest przemieszczane przez floem do wierzchołka wzrostu, gdzie przy współdziałaniu z ekspresją innych genów kwitnienia, powoduje zmianę charakteru dyferencjacji w wierzchołku wzrostu pędu. Białko FT uwaŝane jest za mobilny sygnał, przekazywany do wierzchołka wzrostu, pełniący funkcję induktora (stymulatora) kwitnienia. Obecnie toczy się dyskusja, czy jest on poszukiwanym od lat trzydziestych ubiegłego stulecia przez Czajłachiana hormonem kwitnienia, zwanym florigenem. Choć próby chemicznej identyfikacji florigenu, prowadzone w róŝnych ośrodkach naukowych przez ponad 70 lat, nie dostarczyły bezpośrednich dowodów na istnienie florigenu, to obecnie coraz częściej przyjmuje się tę nazwę dla białka FT. Najintensywniejsze badania nad molekularną regulacją procesu kwitnienia prowadzone są na modelowej roślinie - Arabidopsis. Poznanie u tej rośliny szlaków metabolicznych kontrolujących kwitnienie pozwoliło na wyselekcjonowanie mutantów z zablokowaną ekspresją poszczególnych genów, co objawia się ich zróŝnicowaną zdolnością do kwitnienia.

14 Niektóre z takich mutantów przestawione są na poniŝszym slajdzie.

15 Różnorodne mutanty Arabidopsis a b Poznanie szlaków metabolicznych kontrolujących kwitnienie pozwoliło na wyselekcjonowanie mutantów z zablokowaną ekspresją poszczególnych genów, co objawia się ich zróŝnicowaną zdolnością do kwitnienia: a roślina niezmodyfikowana b mutant niezdolny do kwitnienia mimo pełnego rozwoju wegetatywnego, c mutant zakwitający przed osiągnięciem odpowiedniego stadium wegetatywnego, d mutant posiadający zmienioną morfogenezę kwiatu (wydłuŝone pręciki zapobiegające samozapyleniu) c d Morfogeneza kwiatu zaleŝy od ekspresji genów toŝsamości poszczególnych części kwiatu AP3 PI SEP AP1 AG SEP AP3 PI SEP AG AP1 SEP W wierzchołku wzrostu w wyniku indukcji fotoperiodycznej (rośliny dnia krótkiego i długiego), termicznej (rośliny wymagające wernalizacji), naturalnego zakończenia

16 okresu młodocianego (rośliny autonomiczne) bądź działania substancji aktywnych (gibereliny) zachodzi ewokacja kwitnienia. Ewokacja kwitnienia są to zmiany metaboliczne i strukturalne prowadzące do przekształcenia merystemu wegetatywnego w generatywny, które stanowią niezbędny etap wstępny do następującej potem morfogenezy kwiatu. Morfogeneza kwiatu polega na rozwoju zawiązków kwiatowych w merystemach wierzchołkowych pędu. Kwiaty powstają na wierzchołku pędu głównego lub pędów bocznych, co wiąŝe się z zakończeniem ich wzrostu wydłuŝeniowego. Za formowanie się określonych części kwiatu (działki kielicha, płatki korony, słupki, pręciki) odpowiada ekspresja genów toŝsamości części kwiatu. Działki kielicha powstają na skutek aktywności genów AP1 (APETALAl) i SEP (SEPALLATA), płatki korony wymagają aktywności genów AP3 (APETALA3), PI (PISTILLATA), SEP i AP1, pręciki - aktywności genów AP3, PI, SEP i AG (AGAMOUS), słupki zaś - aktywności genów AG i SEP. Morfogeneza kwiatu podlega więc wielopoziomowej kontroli zarówno przez czynniki wewnętrzne (geny, fitohormony) jak i środowiskowe (światło, temperatura). Czynniki te kontrolują takŝe rozwój powstających w kwiecie nowych organów generatywnych nasion i owoców. Mutanty Arabidopsis o zmodyfikowanej morfogenezie kwiatów A B C D pręciki słupek płatki korony działki kielicha wg. Taiz i Zeiger, 2002, zmodyfikowane A kwiat niezmodyfikowanej rośliny, B mutant apetala, u którego kwiat pozbawiony jest płatków korony i działek kielicha, C mutant postillata z kwiatem bez pręcików, D mutant agamous z kwiatem bez słupka i pręcików. Poznanie poszczególnych genów odpowiedzialnych za formowanie określonych części kwiatu działki kielicha, płatki korony, słupki, pręciki - w merystemach wierzchołkowych

17 pędu pozwoliło na konstruowanie rozmaitych mutantów, których kwiaty pozbawione były poszczególnych części. Ciekawostka Wskutek modyfikacji specyficznych genów można otrzymać nowe odmiany roślin, wytwarzających kwiaty o zmienionej wielkości Mutanty bb(z małymi kwiatami) wykazują nadekspresjęgenów kodujących białka BIG BROTHER(BB), które powodują degradację (przy udziale ubikwityny) białek odpowiedzialnych na normalną wielkość kwiatów, liści i łodygi. Podsumowanie Gotowość do kwitnienia związana jest: 1) z osiągnięciem przez roślinę zaawansowanego stanu rozwoju wegetatywnego (wysokości, liczby węzłów, ilości liści lub liczby podziałów komórek merystematycznych) oraz 2) z uzyskaniem przez roślinę zdolności do tworzenia poza wierzchołkami wzrostu określonych czynników (induktorów) kwitnienia, które przemieszczając się w roślinie i docierając do wierzchołków wzrostu, dają sygnał do ich przekształcania w merystemy kwiatowe. WiąŜe się to z uruchomieniem aktywności specyficznych genów kwitnienia. Światło i fotoperiod odgrywają kluczową rolę w regulacji tych procesów.

18 MECHANIZM TERMOINDUKCJI ZAKWITANIA Mechanizm wernalizacji wernalizacja demetylacja DNA (promotorów genów kwitnienia)) Odblokowanie genów VRN1, VRN2 Giberelina demetylacjadna KWITNIENIE Zablokowanie genu FLC represora kwitnienia Molekularny mechanizm wernalizacji polega na odblokowaniu genów VRN1 i VRN2 (pozytywne geny kwitnienia) oraz zablokowanie genu FLC, którego produkt białkowyflc jest represorem kwitnienia. Kwitnienie rośliny moŝe być indukowane w wyniku działania chłodu poprzez represję FLC - negatywnego regulatora SOC1 i FT. Wykazano, Ŝe proces wernalizacji jest związany z modyfikacją DNA, tj. przez metylację bądź demetylację reszt cytozyny promotorów specyficznych genów VRN1 i VRN2, co umoŝliwia zablokowanie genu FLC i w rezultacie ekspresję genów kwiatowych oraz wytworzenie kwiatu. W procesie wernalizacji powstaje specjalny hormonalny induktor - wernalina. Jednak, podobnie jak w przypadku florigenu, hipotetycznej wernaliny nie udało się nigdy zidentyfikować. Wykazano natomiast wpływ róŝnych substancji na proces wernalizacji. Istotną rolę odgrywają gibereliny. Są one w stanie zastąpić działanie chłodu u wielu roślin. TakŜe cytokininy, poliaminy, tokoferole i sterydy oddziałują pozytywnie na kwitnienie roślin wymagających wernalizacji. Po zapyleniu kwiatów i zapłodnieniu powstają nasiona i tworzy się owoc. Zarówno nasiona, jak i owoc stopniowo dojrzewają. Nasiona, po odwodnieniu, przechodzą w stan

19 spoczynku. Natomiast w owocach hydroliza substancji pektynowych sprawia, iŝ stają się miękkie, natomiast hydroliza skrobi nadaje im słodki smak. Procesy te regulowane są przez fitohormony. Podsumowanie Etapy zakwitania: Indukcja kwitnienia w liściach, liścieniach lub w wierzchołkach wzrostu Ewokacja (pobudzenie) w wierzchołku wzrostu Rozwój kwiatów powstawanie zawiązków części kwiatów Czynniki regulujące: czynniki środowiskowe:światło i fotoperiod, temperatura (wernalizacja, jaryzacja) zaopatrzenie wierzchołka wzrostu w: - asymilaty i inne związki - jony aspekt troficzny udział substancji uczestniczących w regulacji morfogenezy - hormony (odpowiednia równowaga, przewaga GA - stymuluje) - udział promotorów (florigenu) i inhibitorów (antyflorigen) oraz wernaliny w realizacji programu morfogenetycznego. Podsumowanie Molekularny mechanizm kwitnienia fotoindukcja Sygnał światła odebrany w liściach (przez receptory phya, phyb, cry) oraz fotoperiod (przetworzony przez zegar biologiczny) indukują syntezę CO(induktor białka FT). Białko FT Białka FT(florigen) jest transportowany z liści przez floem do merystemu wierzchołkowego. Białko FTaktywuje SOC1-gen kwitnienia i LFY gen rozwoju kwiatów. Białko FT Białko FT Białko X? wernalizacja Szlak niskiej temperatury dezaktywuje FLC -represor kwitnienia, który blokuje SOC1. Szlak giberelinowy i energetyczny (pokarmowy) bezpośrednio aktywują SOC1 gen kwitnienia, który aktywuje LFY gen rozwoju kwiatów. Florigen Antyflorigen?? Blázquez 2005

20 STARZENIE I ŚMIERĆ ROŚLINY NiezaleŜnie od długości Ŝycia poszczególnych roślin w pewnym okresie dochodzi jednak do osłabienia natęŝenia procesów Ŝyciowych. Ostatnią fazą cyklu Ŝyciowego rośliny jest starzenia się i obumierania, zakończony śmiercią organów wegetatywnych. Obumieranie moŝe być procesem obejmującym cały organizm, np. rośliny jednoroczne, lub zachodzić przez pewien czas w określonych organach, np. u bylin obumiera na zimę część nadziemna, a u drzew i krzewów opadają liście (moŝe to trwać cyklicznie przez kilkaset lat). Okres starzenia i obumieranie - moŝe być spowodowany brakiem wody, soli mineralnych, ograniczonym dostępem światła, substancjami trującymi w środowisku, zakaŝeniami, ale przede wszystkim jest zdeterminowany genetycznie długością trwania danego gatunku, tzw. zegar genetyczny. U wielu roślin starzenie się i śmierć całego organizmu jak i poszczególnych organów liście, kwiaty i owoce) ma charakter sezonowy. Corocznie takŝe drzewa tracą określone organy boczne, obumiera równieŝ cała nadziemna część niektórych wieloletnich roślin zielnych (np. orlicy, szczawiu, pokrzywy). Starzenie się i opadanie organów jest więc zjawiskiem normalnie występującym w czasie ontogenezy roślin. Proces starzenia liści Czynniki endogenne Liść Czynniki środowiskowe Zmiana równowagi hormonalnej i dystrybucji substancji pokarmowych Zmniejszenie zawartości auksyn, cytokinin, giberelin Zwiększenie zawartości etylenu, ABA, JA Zahamowanie dopływu jonów i asymilatów Zachwianie procesów metabolicznych rozkład chlorofilu, osłabienie fotosyntezy i oddychania Powstanie warstwy odcinającej Odcięcie i śmierć liścia Wg. Lewak i Kopcewicz, 2009, zmodyfikowane

21 Najbardziej widoczne i wnikliwie badane jest starzenie się liści, co przedstawiono na rysunku. Pierwszym widocznym objawem starzenia się liścia jest jego Ŝółknięcie na skutek postępującego rozkładu chlorofilu, co ujawnia obecność innych barwników, zwłaszcza karotenów, ksantofili oraz antocyjanin. Towarzyszą temu uszkodzenia struktury błon tylakoidów chloroplastów, zmniejszanie intensywności fotosyntezy oraz aktywności wielu enzymów, w tym rubisco. Potem zachodzi fragmentacja retikulum endoplazmatycznego i zanik rybosomów. Następuje takŝe destrukcja mitochondriów i zmniejszenie intensywności fosforylacji oksydacyjnej. W końcu dochodzi do rozerwania tonoplastu i błony jądrowej, co prowadzi do nieodwracalnych zmian w strukturze cytoplazmy i jądra. Tylakoidy chloroplastów zamieniają się w pęcherzyki zawierające kropelki związków lipidowych. W trakcie tych zmian ultrastrukturalnych nagromadzają się metabolity wtórne oraz związki toksyczne. Zmniejsza się natomiast zawartość białek, które są rozkładane do aminokwasów i amidów. Te substancje przemieszczają się do młodych liści bądź innych organów (np. nasion, owoców). Zaawansowanemu procesowi starzenia się liścia towarzyszy stopniowa destrukcja kwasów nukleinowych. Ze starych liści są takŝe eksportowane jony ruchliwych pierwiastków - takich jak azot, fosfor, potas - do młodych liści, pędów lub innych organów. W starych liściach pozostają w większej ilości tylko jony mało ruchliwe, jak magnez czy wapń. Czynnikami wewnętrznymi kontrolującymi przebieg starzenia się liścia jest układ genetyczny i układ hormonalny. Etylen, kwas abscysynowy i kwas jasmonowy przyspieszają starzenie, natomiast cytokininy, gibereliny i auksyny ten proces hamują. W starym liściu maleje zawartość tych fitohormonów, natomiast pojawiają się większe ilości etylenu, kwasu abscysynowego i jasmonianów, które stymulują procesy prowadzące w rezultacie do odcinania i opadania liści. Substancje te wpływają na aktywność takich enzymów jak celulazy i pektynazy, które powodują rozpuszczanie blaszek środkowych w warstwie odcinającej, co jest bezpośrednią przyczyną opadnięcia liścia. Objawy i przebieg starzenia roślin

22 Przebieg procesu starzenia (fazy) Sygnał endogenny rozwojowy Sygnał egzogenny środowiskowy I. Faza inicjacji: - spadek intensywności fotosyntezy - zmiana wzorca dystrybucji asymilatów - zatrzymanie proc. metabolicznych III. Faza końcowa - wzrost produkcji ROS - degradacja jądra i mitochondriów - utrata integralności komórki - śmierć komórki II. Faza degradacji - degradacja składników komórkowych białek, lipidów, kw. nukleinowych - transport produktów rozpadu do innych organów Nie moŝna określić jednoznacznie, od którego momentu rozpoczyna się proces starzenia się rośliny. ZaleŜy to od gatunku, typu rośliny (mono- czy polikarpiczna), organu, czynników środowiskowych oraz przyjęcia określonych kryteriów oceny. Istnieją jednak liczne symptomy starzenia się o charakterze uniwersalnym. Do objawów takich moŝna zaliczyć: 1. osłabienie wzrostu korzenia i pędu, 2. zmniejszenie sprawności pobierania soli mineralnych przez korzenie, 3. zanik wraŝliwości fotoperiodycznej, 4. rozkład chlorofilu i ograniczenie intensywności fotosyntezy oraz oddychania, 5. ograniczenie transportu asymilatów, hormonów, wody i soli mineralnych, 6. nagromadzanie się etylenu, kwasu abscysynowego, jasmonianów oraz substancji toksycznych, 7. postępująca dezintegracja metabolizmu i struktur anatomiczno-morfologicznych rośliny. W przebiegu procesu starzenia moŝna wyróŝnić trzy fazy przebiegające w określonej kolejności, co zostało przedstawione na powyŝszym rysunku. Mechanizm starzenia się roślin

23 Nekrozy (odpowiedź miejscowa) Powstanie nekroz polega na zahamowaniu w protoplaście obumierającej komórce podstawowych procesów biosyntetycznych, któremu towarzyszy dezorganizacja błon, bez udziału litycznej wakuoli i autofagosomów. Z reguły dotyczy małej liczby komórek. Szybka reakcja na atak patogenu, w skutek nagromadzenia RFT rereakty. Prawidłowy rozwój rośliny jest moŝliwy, gdy funkcjonuje w niej odpowiednia ilość biologicznie aktywnych komórek. Komórki te muszą się dzielić, rosnąć i róŝnicować w róŝne zespoły tkankowe. Niektóre komórki dojrzewają i obumierają. Obumieranie (śmierć) komórek moŝe być wynikiem: - procesu pasywnego (nekrozy) - procesu aktywnego (programowana śmierć komórki - apoptoza). Apoptoza stanowi więc część określonego programu rozwojowego, np. wytworzenia drewna złoŝonego z komórek martwych. Starzenie się i śmierć komórek są procesami kontrolowanymi przez duŝą liczbę genów, białka powstające w wyniku ich ekspresji odgrywają podstawową rolę w przebiegu procesów starzenia się komórek. Wielkie znaczenie zarówno w naturalnej (pasywnej) jak i programowanej śmierci komórek mają reaktywne formy tlenu, które pojawiają się w wyniku redukcji tlenu cząsteczkowego. Nagromadzenie się reaktywnych form tlenu wywołuje oksydacyjną degradację lipidów, zmiany patologiczne w przebiegu metabolizmu i zanik homeostazy komórkowej, co prowadzi do śmierci komórki. Starzenie się komórek i tkanek powoduje w rezultacie starzenie się całego organizmu roślinnego. Starzenie roślin monokarpicznych i polikarpicznych

24 Starzenie roślin mon- i polikarpicznych Rośliny monokarpiczne Rośliny polikarpiczne jednokrotne kwitnienie i owocowanie wielokrotne kwitnienie i owocowanie azphoto.blog.onet.pl szybka degradacja funkcji i struktury wolna degradacja funkcji i struktury śmierć śmierć Rośliny monokarpiczne - kwitnące i owocujące jeden raz w ciągu swego Ŝycia - i rośliny polikarpiczne - wielokrotnie kwitnące i owocujące - róŝnią mechanizmy starzenia się. Do roślin monokarpicznych zalicza się wszystkie rośliny jednoroczne, dwuletnie, a takŝe niektóre rośliny wieloletnie, jak agawa lub bambus, które rosną wegetatywnie przez wiele lat, po czym kwitną, owocują i bezpośrednio po tym obumierają. Agawa w warunkach naturalnych Ŝyje wegetatywnie około dziesięciu lat, po czym zakwita, owocuje i w tym samym roku umiera. Jeśli nie dopuści się do wytworzenia kwiatów, agawa moŝe Ŝyć w stanie wegetatywnym nawet sto lat. Tak więc starzenie się i śmierć roślin kwitnących raz w Ŝyciu są genetycznie zdeterminowane i wiąŝą się ściśle z rozmnaŝaniem generatywnym. Jest to śmierć zaprogramowana w zapisie genetycznym gatunku. U roślin monokarpicznych - jedną z waŝnych przyczyn jest niewątpliwie współzawodnictwo o składniki pokarmowe. Wytworzenie i rozwój kwiatów, nasion i owoców wymaga olbrzymiej mobilizacji i dostępności materii organicznej i nieorganicznej. Tworzące się organy generatywne zuŝywają większość pozyskiwanych substancji pokarmowych. Wynikiem zmniejszającego się dopływu asymilatów do korzeni jest zahamowanie ich dalszego wzrostu i pobierania wody z solami mineralnymi. Prowadzi to do wielkich zaburzeń w gospodarce wodnej i pokarmowej całego organizmu, co staje się bezpośrednim powodem przyspieszonego starzenia się i śmierci rośliny.

25 U roślin polikarpicznych przyczyny starzenia się wyglądają inaczej. Rośliny te wielokrotnie kwitną i owocują, Ŝyjąc czasem wiele dziesiątków, a nawet setek lat. Kwitnienie nie wywołuje więc u tych roślin objawów przyspieszonego starzenia się. Obfitość kwitnienia i owocowania wielu drzew utrzymuje się przez dłuŝszy czas na wysokim poziomie, a wyraźnie maleje dopiero u drzew starych. Z wiekiem rośliny zmniejsza się jednak długość międzywęźli pędów, pojawia się takŝe większa ilość pędów skróconych. U roślin polikarpicznych postępujące starzenie zaleŝy przede wszystkim od korelacyjnego wpływu organów rośliny oraz od czynników środowiskowych. U drzew dochodzi do zwiększania się odległości między wierzchołkami pędów a korzeniami. Prowadzi to do duŝych strat energii na niezbędny transport zarówno z korzeni do pędów, jak i na odwrót. Corocznie rośliny tracą takŝe wiele materii organicznej na tworzenie organów generatywnych. Stopniowo dochodzi zatem do dysproporcji rozwojowych, stagnacji procesów morfogenezy i róŝnicowania oraz do obumierania pąków i ośrodków wzrostowych. Na procesy te silnie wpływają czynniki środowiskowe, takie jak: oświetlenie, temperatura, dostępność wody, skład chemiczny i struktura gleby oraz urazy mechaniczne i biologiczne. Wszystkie czynniki stymulujące intensywny wzrost masy wegetatywnej, jak obfite nawoŝenie azotowe i dobre zaopatrzenie w wodę zwiększają długość Ŝycia, natomiast susza, brak azotu i duŝa zawartość fosforu - czas Ŝycia skracają. Czynniki środowiskowe mają więc decydujący wpływ na przebieg procesów starzenia się roślin polikarpicznych. Wpływają na korelacje międzykomórkowe, międzytkankowe i międzyorganowe, od których zaleŝy funkcjonowanie całości organizmu roślinnego. Starzenie się kwiatów następuje bardzo szybko, a pierwszym objawem tego procesu jest więdnięcie płatków korony. W płatkach korony i działkach kielicha następuje równieŝ szybki rozkład białek do aminokwasów, które podobnie jak jony pierwiastków ruchliwych są odprowadzane do innych organów rośliny. Starzenie się owoców następuje bezpośrednio po ich dojrzeniu. Stopniowe obumieranie komórek kończy się destrukcją tkanek i całych organów. Owoce stają się podatne na mechaniczne uszkodzenia i infekcje grzybowe. Jest to proces, dzięki któremu nasiona w warunkach naturalnych mogą wydostać się z owoców.

26 Podsumowanie Starzenie roślin Proces obumieranie komórek podczas starzenia jest poprzedzony redystrybucją materiałówzapasowychdo innych organów rośliny tj. młodszych liści, kwiatów i rozwijających się owoców i nasion. Dla zainteresowanych Przyczyny starzenia się roślin - koncepcje deterministyczne i stochastyczne Istnieją dwie grupy hipotez dotyczących przyczyn starzenia się roślin. Koncepcje deterministyczne zakładają, Ŝe proces starzenia się jest naturalną konsekwencją realizacji programu rozwoju osobniczego i jest zakodowany w genomie rośliny. Geny kierują aktywnością metaboliczną komórek według zaprogramowanego w czasie i przestrzeni wzorca rozwojowego. RóŜnicowanie się i morfogeneza rośliny jest więc przejawem postępującego rozwoju i starzenia się organizmu. Najbardziej znaną hipotezą deterministyczną jest koncepcja Krenkiego, według której proces starzenia się, tj. obniŝania potencjału Ŝyciowego, jest zjawiskiem obiektywnym, które rozpoczyna się wraz z pierwszymi podziałami zygoty i trwa nieprzerwanie przez całe Ŝycie rośliny. Proces ten przerywany jest przez czasowe okresy odmładzania związane z nowymi podziałami komórkowymi, powodującymi chwilowe zwiększanie się potencjału Ŝyciowego. Jednak w miarę upływu czasu proces ogólnego obniŝenia potencjału Ŝyciowego organizmu prowadzi do jego starzenia się i śmierci. Koncepcje deterministyczne nie definiują jednak, co to jest potencjał Ŝyciowy i na czym polega jego obniŝanie (starzenie), czy teŝ podwyŝszanie (odmładzanie). MoŜna oczywiście przyjąć, Ŝe duŝy potencjał Ŝyciowy oznacza małą entropię

27 i wysoki poziom energetyczny komórek, natomiast mały potencjał Ŝyciowy to duŝa entropia i obniŝenie poziomu energetycznego, ale tak ogólne załoŝenie ma charakter wyłącznie teoretyczny i jest trudne do bliŝszego opisu metaboliczno-molekularnego. Koncepcje stochastyczne zakładają, Ŝe podstawową przyczyną starzenia się są nagromadzające się uszkodzenia kwasów nukleinowych, co powoduje pojawianie się aberracji chromosomowych i mutacji somatycznych. Uszkodzenia takie prowadzą do pogarszania się informacji genetycznej, czego konsekwencją jest zmniejszanie się aktywności metabolicznej i postępujące starzenie się organizmu. Wiele pośrednich danych, jak powstawanie błędnych RNA czy niefunkcjonalnych białek enzymatycznych, potwierdza koncepcje stochastyczne. Wydaje się zatem, Ŝe proces starzenia jest ogólnie zaprogramowany genetycznie, jednak wielki wpływ na jego przebieg ma działanie róŝnych czynników środowiskowych. Podsumowanie wykładu Przejście ze stadium wegetatywnego w generatywne, kiedy to roślina wykształca kwiaty, nasiona i owoce, jest uzaleŝnione od działania czynników zewnętrznych, takich jak światło i temperatura oraz wewnętrznych, którymi są uwarunkowania genetyczne i działanie fitohormonów. Światło jest waŝnym czynnikiem pobudzającym do kwitnienia. Reakcja organizmów na względną długość kolejno zmieniających się okresów światła i ciemności nazywana jest fotoperiodyzmem. U roślin przejawia się ona zakwitaniem przy określonej długości dnia i nocy. Bodziec świetlny jest odbierany przez receptory światła czerwonego i niebieskiego zlokalizowane w liściach- odpowiednio fitochromy i kryptochromy. Rośliny mają róŝne wymagania termiczne, co wynika z ich indywidualnych cech gatunkowych, a jest wyrazem przystosowania do warunków strefy klimatycznej, w której rosną. Zakwitają, gdy temperatura osiągnie optymalną dla nich wartość. Istnieją teŝ rośliny, które do zakwitnięcia wymagają okresu niskich temperatur. Bodziec termiczny działa na ich

28 stoŝki wzrostu. NaleŜą do nich rośliny dwuletnie i zboŝa ozime. Indukcja kwitnienia wywołana działaniem niskich temperatur nosi nazwę wernalizacji (jarowizacji). Podczas procesu starzenia i obumierania wszystkie procesy Ŝyciowe ulegają zwolnieniu. Charakterystyczne zmiany tego okresu to: spowolnienie wzrostu, Ŝółknięcie i opadanie liści. Przewaga katabolizmu nad anabolizmem prowadzi do rozkładu chlorofilu, zmniejsza się synteza białek enzymatycznych, co obniŝa aktywność Ŝyciową komórek. W czasie starzenia się organizmu maleje ilość stymulatorów wzrostu i rozwoju, a w komórkach stwierdza się podwyŝszenie poziomu inhibitorów. Starzenie się i obumieranie jest zjawiskiem naturalnym, kontrolowanym i regulowanym przez czynniki endogenne (fitohormony). MoŜe być ono wywołane lub przyspieszone przez niekorzystne warunki środowiskowe, np. suszę czy niedobór składników mineralnych w glebie. Polecana literatura Kopcewicz, S., Lewak Fizjologia roślin. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Lewak S., Kopcewicz J Fizjologia roślin. Wprowadzenie. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Kozłowska M Fizjologia roślin. Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Poznań Tretyn A., Kopcewicz J Genetyczna kontrola kwitnienia roślin okrytonasiennych. Kosmos 52,