Fizjologia wzrostu i rozwoju roślin 1. Morfogeneza 2. Cykl rozwojowy roślin. Kiełkowanie i wzrost wegetatywny. Autor Dr hab. Renata Bogatek-leszczyńska Większość tkanek roślinnych zachowuje zdolność do wzrostu przez całe Ŝycie. Stanowi to istotną róŝnicę w stosunku do organizmów zwierzęcych. Wzrost roślin polega na powiększaniu się ich rozmiarów, co moŝna określić ilościowo. Zachodzi on poprzez podziały komórek i ich powiększanie się. U roślin podziały komórek odbywają się w tkankach twórczych (merystemy wierzchołkowe, interkalarne, boczne). WydłuŜanie się komórek następuje w strefie wzrostu (elongacyjnej). Podstawą rozwoju roślin jest róŝnicowanie się komórek w tkanki stałe i wytwarzanie organów. Cykl rozwojowy rośliny moŝna uznać jako okres od nasienia do nasienia, w którym wyróŝnia się dwa zasadnicze stadia: stadium wegetatywne i generatywne. Stadium wegetatywne (młodociane) obejmuje kiełkowanie nasion oraz wzrost wegetatywny. Stadium generatywne rozpoczyna się kwitnieniem rośliny, po którym następuje wytwarzanie owoców i nasion. Rozwój roślin kończy się okresem starzenia i obumierania. Na procesy wzrostu i rozwoju rośliny mają wpływ czynniki środowiskowe (światło, temperatura, woda) oraz czynniki endogenne (fitohormony i regulatory wzrostu). W tym wykładzie poznacie mechanizmy wzrostu i rozwoju roślin oraz podstawowe czynniki biorące udział w ich regulacji. Ponadto zapoznacie się z dwoma pierwszymi etapami cyklu rozwojowego rośliny kiełkowaniem nasion i wzrostem wegetatywnym roślin.
Fizjologia wzrostu i rozwoju Wprowadzenie Rozwój polega na następujących po sobie zmianach ilościowych i jakościowych, które zachodzą w ciągu Ŝycia rośliny. Uwidoczniają się one w morfologii, anatomii oraz czynnościach Ŝyciowych rośliny. Podstawą rozwoju, oprócz podziałów komórek i ich powiększania się, jest róŝnicowanie się komórek w tkanki stałe i wytwarzanie organów. Procesy wzrostu i rozwoju są ze sobą ściśle powiązane. W cyklu rozwojowym rośliny wyróŝnia się stadium wegetatywne i generatywne. Stadium wegetatywne (młodociane) obejmuje kiełkowanie nasion oraz wzrost wegetatywny. Przyjmuje się równieŝ, ze stadium wegetatywne obejmuje rozwój embrionalny, podczas którego powstaje nasienie, następnie kiełkowanie nasion oraz wzrost wegetatywny. KaŜdy etap rozwoju cechują odmienne procesy fizjologiczne. Czynniki wpływające na wzrost i rozwój roślin moŝna podzielić na endogenne i egzogenne. Czynniki endogenne, to te wytwarzane przez samą roślinę, czyli hormony roślinne (fitohormony). Informacja dotycząca budowy i działania fitohormonów zawarta jest w genach rośliny i na podstawie tej informacji czynniki wzrostowe są produkowane w organizmie roślinnym. Wzrost Wzrost jest to nieodwracalny przyrost rozmiarów rośliny. Głównym miejscem, w którym odbywa się wzrost, są merystemy. Tkanki te w wierzchołkach pędów i korzeni (merystemy apikalne) zachowują zdolność do wzrostu przez całe Ŝycie. Podobna zdolność mają merystemy interkalarne i boczne (kambium i fellogenu). Ten typ wzrostu stanowi wzrost nieograniczony. Natomiast wzrost ograniczony (zdeterminowany) wykazują liście, kwiaty, owoce i nasiona organy, które po osiągnięciu określonych rozmiarów przestają rosnąć. Miarą wzrostu moŝe być: przyrost długości, średnicy, powierzchni liści, objętości, liczby komórek, świeŝej masy, suchej masy, ilości białka, ilości DNA. Kinetykę wzrostu moŝna scharakteryzować dokonując pomiarów wybranych parametrów w określonym czasie. PoniŜszy rysunek przedstawia szybkość wzrostu siewek gorczycy wyraŝony jako przyrost długości hypokotyla (mm) w ciągu kilkunastu dni kultury.
Wzrost charakteryzuje się określoną szybkością długość hypokotyla (m m ) 140 120 100 80 60 40 20 0 hodowla w ciemności hodowla na świetle 0 2 4 6 8 10 12 14 wiek siewki (dni) Krzywa wzrostu siewek gorczycy rosnących w róŝnych warunkach środowiska (na świetle i w ciemności) Analizując ten rysunek zauwaŝysz, Ŝe szybkość wzrostu ma charakter fazowy (etapowy): I faza zwłoki - to wstępny okres powolnego wzrostu, podczas którego następują zmiany wewnętrzne i przygotowanie do wzrostu, II faza to zasadniczy okres szybkiego wzrostu, III faza - to końcowy okres powolnego wzrostu, organizm osiąga dojrzałość i wzrost ustaje. Wzrost roślin jest wynikiem podziału komórek i ich powiększania się. Wzrost w wyniku podziałów komórek nazywamy wzrostem embrionalnym, wzrost w wyniku tylko wydłuŝania komórek, wzrostem elongacyjnym (wydłuŝeniowym). Schematycznie przedstawiono te procesy na poniŝszym rysunku.
Dwa typy wzrostu Wzrost elongacyjny przez wydłuŝanie komórek Wzrost embrionalny przez podziały komórkowe Mechanizm wzrostu poznaliście na ostatnim wykładzie podczas omawiania tzw. wzrostu kwasowego stymulowanego przez auksynę. Dla przypomnienia - etapy wydłuŝania komórek to: 1/ zwiększa się plastyczna rozciągliwość ściany komórkowej wskutek rozluźniania wiązań pomiędzy makrocząsteczkami materiałów budulcowych; 2/ woda wnika do wnętrza komórki zwiększając objętość wakuoli; 3/ rozciągana ściana komórkowa zostaje wzmocniona przez odkładanie się nowych warstw celulozy. RóŜnicowanie i rozwój W wyniku podziałów komórkowych dochodzi do powstania nowych pokoleń komórek, które następnie powiększają swoje rozmiary, a takŝe zaczyna zmieniać się ich budowa anatomiczna. Proces komórkowej specjalizacji nazywany jest róŝnicowaniem. Rozwój rośliny obejmuje jej róŝnicowanie (czyli zmiany stopnia złoŝoności), które pojawia się, powodując róŝnice między komórkami, tkankami i organami, decydując o ich strukturze anatomiczno-morfologicznej oraz funkcji. Prawie kaŝda komórka roślinna zawiera informację genetyczną pozwalającą jej na odtwarzanie całego, nawet bardzo złoŝonego organizmu (co nazywa się totipotencjalnością komórki). Przebieg procesów wzrostu i róŝnicowania się, skoordynowanych w czasie i przestrzeni, prowadzi do powstawania odpowiednich wzorców rozwojowych, a w efekcie końcowym wykształcenia całego ciała rośliny. Morfogeneza, czyli kształtowanie ciała rośliny, jest zorganizowanym procesem, który nadaje jej właściwe rozmiary i pokrój. Rysunek poniŝej przedstawia zaleŝności pomiędzy wymienionymi
procesami i poszczególnymi zjawiskami rozwojowymi. ZaleŜności między rozwojem a wzrostem, róŝnicowaniem, tworzeniem wzorca i morfogenezą wzrost - proces, który prowadzi do zwiększenia wymiarów rozwijającego się organizmu ROZWÓJ - proces, na który składają się wzrost, róŝnicowanie się w tkanki, organy lub całe organizmy róŝnicowanie tworzenie wzorca morfogeneza - proces komórkowej specjalizacji - proces ekspresji poszczególnych genów w określonej kolejności i czasie - proces regulacji i kierunku róŝnicowania się komórek wg. Kopcewicz i Lewak, 2002 Regulacja morfogenezy odbywa sie na 3 poziomach: 1/ komórkowym dotyczy mechanizmów warunkujących aktywację genów oraz regulację ich działania, czego wynikiem jest synteza specyficznych białek determinujących czynności Ŝyciowe rośliny. Wyizolowana komórka, pochodząca z dojrzałej rośliny moŝe dać początek nowemu organizmowi, bowiem kaŝda komórka zawiera kompetentną informację potrzebną do jej rozwoju. Informacja zawarta w DNA ulega ekspresji w określonej kolejności. Białka enzymatyczne dają sygnały do wytwarzania innych białek. Regulacja na poziomie komórkowym obejmuje takŝe procesy indukcji i represji syntezy enzymów metabolicznych przez specyficzne metabolity komórkowe. MoŜe się ona odbywać na etapach: a) transkrypcji - przepisywanie DNA na mrna; b) translacji przetłumaczenie mrna na białko enzymatyczne; c) potranslacyjnej obróbki białka enzymatycznego, 2/ międzykomórkowym endogenna regulacja wzajemnego oddziaływania i współzaleŝności komórek, odbywa się przy udziale fitohormonów, które pełnią waŝną funkcję impulsu międzykomórkowego, 3. zewnątrzkomórkowym - obejmuje egzogenne czynniki środowiska determinujące charakter reakcji morfogenetycznych, np. światło (wpływa na kwitnienie lub wytworzenie
rośliny etiolowanej), temperatura (podwyŝszona o 10 o C moŝe spowodować 2-3-krotne przyspieszenie tempa wzrostu). Podsumowanie Różnicowanie komórek Różnicowanie komórekto proces, w wyniku którego komórki nabywają odmiennych właściwości: metabolicznych, strukturalnych, funkcjonalnych od komórek, z których powstały (macierzystych). Do kaŝdej rośliny (komórki) docierają informacje (ze środowiska lub sąsiedniej komórki), które są odpowiednio interpretowane (przy udziale m. in. hormonów roślinnych). Interpretacja polega na tworzeniu odpowiednich struktur, przez uruchomienie procesów wzrostu, róŝnicowania i morfogenezy jest biologiczną odpowiedzią na bodziec rozowjowy. Bodźce (informacje, sygnały) mogą być: egzogenne (światło, chłód, susza i inne) endogenne (hormony, czynniki sygnałowe) Czynniki wpływające na rozwój roślin Czynniki endogenne - wpływ czynników endogennych uwarunkowany jest informacją genetyczną. Główną rolę odgrywają tu fitohormony (regulatory wzrostu i rozwoju), syntetyzowane w małych ilościach, lecz bardzo silnie działające. Do najwaŝniejszych
fitohormonów, współdziałających ze soba w regulacji wzrostu i rozwoju zaliczamy: auksyny, gibereliny, cytokininy oraz kwas abscysynowy, a takŝe etylen. Rola fizjologiczna fitohormonów została szczegółowo przedstawiona na poprzednim wykładzie. Czynniki egzogenne intensywność działania róŝnorodnych czynników egzogennych na procesy rozwojowe zaleŝy od ich kompleksowego działania. Wiadomo, Ŝe czynnikiem ograniczającym rozwój jest ten, który występuje w niedoborze. Jest on zwany czynnikiem minimum lub ograniczającym. To właśnie ten czynnik ogranicza dodatni wpływ pozostałych i w pierwszej kolejności decyduje o szybkości wzrostu i rozwoju Do czynników egzogennych, środowiskowych zaliczamy: światło, temperaturę, wilgotność, oraz zaopatrzenie w substancje odŝywcze CO 2 i sole mineralne. Regulacyjna rola światła będzie omówiona w dalszej części tego wykładu. Podsumowanie Regulacja kształtu i kierunku róŝnicowania się komórek = MORFOGENEZA Morfogeneza (kształtowanie ciała rośliny) to wynik przebiegu procesów rozwojowych indukowanych przez aktywację określonych genów. MORFOGENEZA wszystkich roślin jest genetycznie zaprogramowana i środowiskowo kontrolowana. Poznałeś juŝ definicje wzrostu i rozwoju roślin oraz czynniki biorące udział w ich regulacji. W tej części wykładu poznasz dwa pierwsze etapy ontogenezy rośliny: kiełkowanie i wzrost wegetatywny, a takŝe czynniki regulujące te procesy. Ontogenezę, czyli cykl rozwojowy roślin, moŝemy podzielić na poszczególne etapy: 1 kiełkowanie nasion, 2 rozwój wegetatywny, 3 rozwój generatywny (w tym rozwój nasion) oraz 4 okres starzenia się i obumierania. Kiełkowanie nasion Kiełkowanie nasion jest fazą w ontogenezie rośliny, która następuje po zakończeniu
embriogenezy tj. po utworzeniu się zarodka, a poprzedza fazę wzrostu wegetatywnego siewki. Zgodnie z fizjologiczną definicją: kiełkowania jest zespołem procesów zachodzących w nasieniu, których wynikiem jest aktywacja zarodka prowadząca do inicjacji wzrostu siewki. Kiełkowanie rozpoczyna się inicjacją określonych procesów fizycznych i metabolicznych, a kończy się gdy rozpoczyna się wzrost korzenia zarodkowego (kiełka). Natomiast większość rolników przyjmuje powszechnie, Ŝe kiełkowanie kończy się powstaniem prawidłowo wykształconej, zdrowej siewki (wschody polowe). Niekiedy uwaŝa się, Ŝe końcem kiełkowania jest dopiero powstanie samoŝywnej (fotosyntetyzującej) rośliny. Omawiając mechanizmy kiełkowania nasion i ich spoczynku będziemy posługiwać się fizjologiczną definicją kiełkowania. W myśl tej definicji kiełkowanie jest fazą rozwojową, w której nie występuje wzrost, a jej istotą jest przygotowanie nasienia do wzrostu - do aktywacji merystemów. Do prawidłowego wzrostu i jego aktywacji niezbędny jest szereg jednostkowych procesów fizycznych i/lub chemicznych, które zapewniają rosnącym komórkom dopływ energii metabolicznej i substratów do syntez składników tych komórek oraz utrzymania, modyfikacji i budowy nowych struktur. Dostarczanie energii i składników pokarmowych odbywa się w ściśle określonych miejscach nasienia, w optymalnych ilościach (natęŝeniu) i czasie (okresie). Jednym z warunków inicjacji kiełkowania, a następnie prawidłowego rozwoju siewki jest dostarczenie tkankom merystematycznym zarodka energii metabolicznej i substratów do syntez składników rosnących komórek. Warunek ten spełnia mobilizacja zgromadzonych w czasie embriogenezy substancji zapasowych. Polega ona na przekształcaniu substancji wielkocząsteczkowych do związków prostszych, które z kolei mogą ulegać dalszemu katabolizmowi, lub uczestniczyć w syntezach umoŝliwiających kiełkowanie. W spoczynkowych nasionach zablokowaniu mogą ulegać zarówno mobilizacja rezerw, jak i ich dalsze kataboliczne przekształcenia. Głównymi materiałami zapasowymi w nasionach są węglowodany, lipidy i białka. W przebiegu kiełkowania nasion wyróŝnia się trzy kolejne fazy, w których dominują odmienne zespoły procesów kardynalnych: I - faza imbibicji, II - faza kataboliczna i III - faza anaboliczna.
W fazie imbibicji ma miejsce, równolegle do pobierania wody poprzez pęcznienie kolidów komórkowych, gwałtowny wzrost intensywności procesów oddechowych. JuŜ w tej fazie, w nasionach o Ŝywych zarodkach, następuje aktywacja niektórych enzymów i rozpoczyna się synteza białek. Tę fazę kiełkowania uwaŝa się niekiedy za fazę ustępowania spoczynku względnego (narzuconego przez warunki środowiskowe), a takŝe spoczynku głębokiego (wynikającego ze stanu fizjologicznego nasienia). W następnej fazie katabolicznej - dominują reakcje rozkładu substancji zapasowych nasienia (mobilizacja rezerw), ale równieŝ rozpoczynają się syntezy kwasów nukleinowych i białek enzymatycznych. Natomiast w fazie anabolicznej dominują syntezy białek i innych metabolitów niezbędnych do inicjacji wzrostu, a równolegle zachodzi degradacja ścian komórkowych, głównie w obielmie i łupinie nasiennej. Na poniŝszym rysunku przedstawiono schematycznie kolejność uruchamiania (mobilizacji) substancji zapasowych w czasie kiełkowania nasion. Hydroliza niektórych rezerw (oligosacharydów i polisacharydów ścian komórkowych) rozpoczyna się juŝ w czasie imbibicji, jednak masowa degradacja zapasowych lipidów, białek i skrobi przebiega w katabolicznej fazie kiełkowania. Uruchamianie materiałów zapasowych podczas kiełkowania nasion imbibicja faza kataboliczna lipidy faza anaboliczna oligo i polisacharydy Kwasy tłuszczowe glukoneogeneza Cukry proste skrobia aminokwasy oddychanie oddychanie syntezy W Z R O S T białka Inicjację i przebieg procesów metabolicznych zapewnia i reguluje pojawienie się w poszczególnych organach i tkankach nasienia aktywności odpowiednich enzymów. Niektóre białka enzymatyczne uczestniczące w procesach warunkujących kiełkowanie, np. enzymy glikolityczne, lipazy, i niektóre enzymy biosyntezy białka, są syntetyzowane podczas embriogenezy i ulegają aktywacji podczas uwodnienia nasienia. W aktywacji niektórych
proenzymów uczestniczą hormony roślinne (np. gibereliny w aktywacji ß-amylazy). Synteza innych białek rozpoczyna się przed zakończeniem fazy imbibicji, zanim uaktywni się proces transkrypcji. NaleŜą tutaj proteazy, rybonukleazy oraz enzymy zaangaŝowane w translacji i przekształceniach potranslacyjnych. W syntezie tej uczestniczy mrna, który nagromadził się w dojrzewającym nasieniu, ale był nieaktywny translacyjnie (ang. stored, residual, lub long living mrna). Aktywowany jest on na drodze poliadenylacji, lub w skutek obniŝenia stęŝenia ABA w pęczniejącym nasieniu. Synteza de novo specyficznych mrna, która jest wynikiem przełączenia się w ostatnim etapie embriogenezy (dehydratacja nasienia) programu rozwojowego embriogeneza na program kiełkowanie, rozpoczyna się dopiero w katabolicznej fazie kiełkowania. W miarę wzrostu intensywności hydrolizy materiałów zapasowych zaczynają się nasilać procesy oddechowe. Równocześnie stopniowo rozpoczynają się zmiany anaboliczne produkty hydrolizy przemieszczają się do osi zarodkowej, gdzie następuje synteza nowych związków strukturalnych. Po zakończeniu procesu kiełkowania rozpoczyna się wzrost siewki tj. wzrost korzenia zarodkowego lub części podliścieniowej zarodka (hypokotyla), a niekiedy następuje wzrost równocześnie obydwu tych organów. Na tej podstawie wyróŝnia się dwa rodzaje kiełkowania: (i) nadziemne (epigeiczne) polegające na wyniesieniu liścieni nad glebę przez wydłuŝający się hypokotyl, liścienie zielenieją się i mogą asymilować CO 2 do czasu powstania pierwszych liści, oraz (ii) kiełkowanie podziemne (hypogeiczne) polegające na wydłuŝaniu się epikotylu (część nadliścieniowa zarodka), podczas gdy liścienie pozostają w glebie, funkcje asymilacyjne pełnią tutaj pierwsze liście właściwe. Przebieg obu rodzajów kiełkowania przedstawiono na poniŝszym rysunku, posługując się przykładem nasion roślin dwuliściennych (fasola i groch) oraz jednoliściennych.
Typy kiełkowania nasion Pierwsze etapy wzrostu siewek: fasoli - w wyniku kiełkowania epigeicznego, grochu i jęczmienia - w wyniku kiełkowania hipogeicznego wg. Kopcewicz i Lewak, 2002 Regulacja kiełkowania nasion Proces kiełkowania, podobnie jak przebieg innych faz rozwoju rośliny, jest regulowany przez czynniki środowiskowe (egzogenne) i endogenne (hormony i regulatory wzrostu) NajwaŜniejszym czynnikiem środowiskowym warunkującym rozpoczęcie kiełkowanie jest odpowiednia dostępność wody (i tlenu). Musi nastąpić uwodnienie nasienia, co najmniej do tzw. poziomu krytycznego, który w zaleŝności od gatunku waha się w granicach 3-70% zawartości wody w świeŝej masie. Po fazie imbibicji woda pobierana jest osmotycznie. Sprzyja temu faza rozkładu złoŝonych związków zapasowych (białka, wielocukry) do prostych cząsteczek rozpuszczalnych w wodzie (aminokwasy, cukry proste). Innymi waŝnymi czynnikami egzogennymi są temperatura i światło. Optymalna temperatura inicjująca kiełkowanie na ogół jest niŝsza niŝ optymalna temperatura wzrostu i róŝni się u roślin z róŝnych stref klimatycznych wahając się w zakresie 15-40 o C. Dla roślin klimatu chłodnego (np. nasiona grochu lub wyki) temperatura minimalna mieści się w granicach 1-5 o C, dla ryŝu i tytoniu ok. 10 o C, a dla roślin klimatu ciepłego (np. melona) 16-19 o C. Jak nadmieniono wcześniej, kiełkowanie większości nasion zaleŝy takŝe od warunków naświetlania. Rośliny takie nazywamy fotoblastycznymi i rozróŝniamy fotoblastię dodatnią gdy światło stymuluje kiełkowanie, i fotoblastię ujemną gdy naświetlanie wywiera wpływ
hamujący. Wymóg ten moŝe mieć wpływ na sposób wysiewu. Gatunki fotoblastycznie ujemne wymagają przykrycia glebą, nie wystarczy przywałowanie. Wiele gatunków jest fotoblastycznie obojętnych i światło nie wpływa na ich kiełkowanie. Na kiełkowanie wpływa równieŝ stęŝenie tlenu w środowisku. Obecność tlenu jest niezbędna do kiełkowania wszystkich nasion, niemniej nasiona róŝnych gatunków reagują zróŝnicowanie na zmniejszenie stęŝenia tego gazu poniŝej 21%. Natomiast wysokie stęŝenie CO 2 (powyŝej 15%v) z reguły hamuje kiełkowanie nasion. Wśród czynników endogennych, a szczególnie fitohormonów, rolę głównego inhibitora kiełkowania nasion pełni ABA, podczas gdy GA jest podstawowym stymulatorem tego procesu. Nasiona nie mogą kiełkować (pozostają w stanie spoczynku) przy odpowiednio wysokim stęŝeniu ABA i niskim GA i odwrotnie: nasiona kiełkują (spoczynek ustępuje) gdy spełnione są dwa warunki niski poziom (lub brak) ABA i wysoka zawartość GA. Zatem decydującą rolę odgrywa równowaga hormonalna, a na szalach zarówno inhibitorów, jak i stymulatorów lub promotorów kiełkowania umieścić naleŝy obok ABA i GA inne regulatory jak np. fenole (kumaryna) i odpowiednio - cytokininy. Podsumowanie Nasienie (po przebytym okresie spoczynku) jest zdolne do kiełkowania w odpowiednich warunkach otoczenia (wilgotności, temperatury, ewentualnie naświetlenia). Pobranie wody jest jednym z warunków koniecznych do aktywacji metabolicznej zarodka, m.in. rozpoczyna się degradacja materiałów zapasowych w częścich zapasowych nasienia. Za koniec kiełkowania uznaje się pęknięcie łupiny nasiennej, skąd wysuwa się na zewnątrz wydłuŝony korzonek, który wrasta w glebę, a następnie rozpoczyna się wzrost i rozwój pędu. Poznaliście juŝ przebieg kiełkowania nasion, teraz zapoznacie się z procesami towarzyszącymi wzrostowi i rozwojowi siewki oraz z czynnikami, które decydują o przebiegu tych procesów.
Rozwój wegetatywny rośliny Rozwój wegetatywny trwa od powstania siewki do powstania pierwszych pąków kwiatowych; jest to okres powstania i rozbudowy wszystkich tkanek i organów odpowiedzialnych za odŝywianie, przewodzenie substancji odŝywczych, utrzymanie rośliny w podłoŝu, ochronę. Jak juŝ wcześniej powiedziano, w regulacji wzrostu i rozwoju biorą udział czynniki środowiskowe (światło, temperatura) i endogenne ( fitohormony). Rola światła w regulacji morfogenezy roślin Światło ma na roślinę ogromny wpływ pośredni lub bezpośredni, co przedstawia poniŝszy rysunek. Wpływ światła na rośliny Wpływ energii świetlnej na roślinę p o ś r e d n i b e z p o ś r e d n i niekierunkowy kierunkowy nieperiodyczny periodyczny przemiana energii w z r o s t i r o z w ó j kiełkowanie wzrost łodygi wzrost liści procesy metaboliczne fotoperiodyzm fototropizm fotosynteza FOTOMORFOGENEZA zmiana kształtu rośliny Pośredni (troficzny) wpływ na roślinę ma światło inicjujące fotosyntezę, dla której jest źródłem energii. Światło pośrednio reguluje takŝe intensywność transpiracji poprzez wpływ na stopień otwierania aparatów szparkowych. Bezpośrednio światło działa na roślinę jako czynnik morfogenetyczny, odgrywając rolę bodźca inicjującego określone zmiany rozwojowe. JednakŜe, nie tylko proces wzrostu i rozwoju siewki jest regulowany przez światło. Wszystkie etapy cyklu Ŝyciowego i rozwoju roślin, poczynając od kiełkowania a kończąc na indukcji kwitnienia i starzeniu regulowane są m.in. przez światło. MoŜna więc zadać pytanie w jaki sposób rośliny potrafią rejestrować jego
barwę, natęŝenie i czas ekspozycji? Wszystko to moŝliwe jest dzięki występowaniu w roślinach barwników, będących receptorami światła czerwonego, niebieskiego i ultrafioletu. Fitochromy - receptor światła czerwonego (biochemia i działanie) Najlepiej poznany jest pierwszy z nich, absorbujący światło czerwone, zwany fitochromem. Jego obecność stwierdzono u wszystkich roślin. Pierwsze badania sugerujące istnienie fitochromu przeprowadzone zostały w latach 40-tych przez Borthwicka, który stwierdził, Ŝe kiełkowanie i indukcja kwitnienia tytoniu mogą być kontrolowane przez barwnik absorbujący światło czerwone (a więc o długości fali ok. 660 nm) i daleką czerwień (ok. 730 nm). Dalsze badania doprowadziły do wyizolowania i poznania budowy fitochromu Fitochrom jest fotoreceptorem - barwnikiem uŝywanym przez rośliny w reakcjach na światło lub jego brak. Maksimum absorpcji barwnika przypada na długości fal, które odpowiadają światłu czerwonemu (660 nm) i dalekiej czerwieni (730 nm). Wiele roślin wykorzystuje fitochrom do określenia czasu odpowiedniego do kwitnięcia poprzez odczytanie za jego pomocą długości dnia i nocy. Zmiany w zawartości poszczególnych form fitochromu pozwalają regulować reakcje związane z cyklem dobowym. Fitochrom reguluje równieŝ kiełkowanie nasion, wzrost wydłuŝeniowy siewek, wielkość i kształt liści, syntezę chlorofilu oraz prostowanie się hipokotyli lub epikotyli siewek roślin dwuliściennych. W roślinach fitochrom występuje w dwóch formach molekularnych róŝniących się między sobą pod względem ich własności spektralnych i aktywności fizjologicznej. P r - nieaktywna biologicznie forma - pochłania światło z pasma o długości 660 nm. (jasnoczerwone) i pod wpływem jego działania przekształca się w formę P fr. P fr. aktywna biologicznie forma - reaguje na światło o długości 730 nm (daleka czerwień) i cechuje ją mała trwałość. P fr moŝe ulegać degradacji bądź ponownej konwersji do P r.
Chemicznie fitochrom składa się z grupy chromoforowej w postaci pojedynczego, otwartego łańcucha czterech pierścieni pirolowych związanych z białkiem. Grupa chromoforowa pochłaniając światło zmienia konformację chromoproteiny, powodując wzajemne przekształcanie dwóch form fitochromu, czyli jego tzw. fotokonwersję (przedstawioną schematycznie na poniŝszym rysunku). Budowa fitochromu Białkowy receptor światła (chromoproteina) NH 2 tetrapirolowa grupa chromoforowa Domena kinazowa kinaza serynowotreoninowa COOH 120-130kDa S białko R (660 nm) fotokonwersja rewersja FR (730 nm) S białko Grupa chromoforowa łańcuch polipeptydowy, tworzący wiele podjednostek Białko fitochromowe posiada dwa obszary: N-terminalny, który tworzy tzw. "kieszeń" dla chromatoforu oraz C-terminalny w obrębie, którego to właśnie dochodzi do zmian konformacyjnych w wyniku absorpcji odpowiedniej dawki światła. Poza tym to właśnie C- koniec odpowiada za dimeryzację fitochromu, który występuje w takiej postaci (dimeru) kiedy nie jest aktywny. Podczas fotokonwersji dochodzi do zmian w organizacji przestrzennej fragmentu z chromatoforem, które następnie rzutują na konformację części białkowej. Oprócz dwóch róŝnych form fitochrom ma takŝe dwie postaci (phya i phyb), które róŝnią się pod względem wraŝliwości na światło, tj. krytycznej dawki powodującej przejście ich formy P r w P fr. Fitochrom kodowany jest przez niewielką rodzinę genów. Dla rzodkiewnika (Arabidopsis thaliana) jest to grupa 5 genów, oznaczanych jako PHYA, B, C, D i E kodująca białkowy składnik fitochromu. Białkowe produkty genów nazywa się phya, B, C itd. Forma Pr ogólnie uznawana jest za nieaktywną, akumuluje się w duŝych ilościach u roślin inkubowanych w
ciemności. Po naświetleniu forma ta przekształca się w Pfr, częściowo ulegając szybkiej destrukcji. JednakŜe u badanych roślin stwierdzono równieŝ występowanie tej formy, cechującej się wysoką trwałością. Doprowadziło to do wniosku, iŝ fitochrom występuje w formie dwóch populacji: stabilnej i labilnej. Okazało się, iŝ obie te populacje róŝnią się właściwościami spektralnymi i molekularnymi oraz są kodowane przez róŝne geny. U rzodkiewnika (Arabidopsis thaliana) fitochrom labilny kodowany jest przez gen PHYA, natomiast stabilny powstaje w oparciu o cztery pozostałe geny. Mechanizm działania fitochromu Fitochromy mogą działać na dwóch róŝnych drogach biorąc udział albo w reakcja typu szybkiego, bądź wolnego. Przykładem szybkiej odpowiedzi rośliny na światło za sprawą fitochromów jest ruch turgorowy w poduszkach liściowych mimozy (Minosa pudlica). Efekt ten ma ścisły związek z aktywnością kanałów jonowych. Odpowiedź wolna wiąŝe się z regulatorowym wpływem fitochromów na proces transkrypcji, gdyŝ jak wykazano fitochromy po połączeniu z odpowiednimi białkami mogą dostawać się do jądra komórkowego. Forma fitochromu P fr zapoczątkowuje w komórce szereg reakcji, między innymi regulując ekspresję niektórych genów. Forma P r jest wytwarzana w cytozolu i tam pod wpływem światła przekształca się w formę P fr, która przemieszczana jest do jądra komórkowego. Zjawisko to sugeruje bezpośredni udział fotochromu w regulacji ekspresji genów. Istnieje hipoteza, Ŝe fitochrom w formie P fr słuŝy jako kinaza wpływająca na aktywację czynników transkrypcyjnych. Ten mechanizm działania fitochromu przedstawiono schematycznie na poniŝszym rysunku.
Fotokonwersja fitochromu nieaktywny chromofor H 2 N ser Domena kinazowa COOH aktywny P chromofor ATP H 2 N ser Domena kinazowa COOH B B P Fitochrom jest kinazą serynowo-treoninową, a jej aktywacja polega na autofosforylacji (w miejscu seryny). Aktywny fitochrom moŝe fosforylować inne białka np. pełniące funkcje czynnikiów transkrypcyjnych. Innym kryterium podziału reakcji indukowanych przez fitochrom jest ilość (dawka) światła niezbędna do ich inicjacji. Pod tym względem moŝna wyróŝnić trzy grupy procesów: 1. Procesy określane mianem VLF tj. odpowiadające przy bardzo niskim natęŝeniu światła; są to głównie procesy nieodwracalne kontrolowane przez fitochrom typu A; 2. Procesy LFR wymagające niskiego natęŝenia światła; odwracalne; zaliczamy do nich kontrolę kiełkowania oraz fotoperiodyzm; 3. Procesy HIR związane z bardzo intensywnym natęŝeniem światła (ciągłe naświetlanie); zazwyczaj są to procesy złoŝone oraz wieloetapowe; przykładem tego typu procesu jest deetiolacja. Co to jest de etiolacja? Po zakończeniu kiełkowania, uruchomione substancje zapasowe wykorzystywane są w celu wzrostu i rozwoju siewki. Początkowo siewki rozwijają się bez dostępu światła (pod powierzchnią gleby). Wówczas rozwija się etiolowana siewka. Czyli proces etiolacji rozumiemy jako proces zachodzący, gdy siewka rośnie w ciemności. Jego skutkiem są liczne zmiany w roślinach, np. w strukturze plastydów w stosunku do roślin rosnących na świetle oraz zmiany morfologiczne, m.in. wydłuŝenie hipokotyla, słaby rozwój liścieni. Kolejnym etapem rozwoju siewki jest deetiolacja, czyli proces zielenienia się roślin pod wpływem działania światła.
Pierwszym przejawem procesu deetiolacji jest uaktywnienie genów zlokalizowanych zarówno w plastydach jak i jądrowym DNA oraz namnaŝanie się plastydów w merystematycznych strefach róŝnicujących się liści. Tylko w tej strefie liści komórki zdolne są do podziałów, którym towarzyszą równieŝ podziały i namnaŝanie plastydów. W drugiej fazie procesu deetiolacji roślin dochodzi do dalszego wzrostu liczby chloroplastów w komórkach. Prawie jednocześnie rozpoczyna się rozbudowa systemu błon tylakoidów i synteza enzymów cyklu Calvina oraz głównych kompleksów białkowych fotosystemu I i II, które są zakotwiczane w błonach tylakoidów. Rozbudowa obu fotosystemów zachodzi po pierwszym kontakcie roślin ze światłem. Światło, za pośrednictwem fitochromu, indukuje równieŝ syntezę małej podjednostki Rubisco, biosyntezę chlorofilu oraz białek wiąŝących chlorofil a/b. Szlak syntezy tych elementów przedstawiony jest na poniŝszym rysunku. Mechanizm działania phya i phyb podczas deetiolacji (indukcja rozwoju chloroplastów i syntezy chlorofilu) aktywacja cgmp 1 Synteza antocyjanów PhyA PhyB PhyA PhyB Białko G 2 PSI Cyt B 6 Ca 2+ kalmodulina CaM Fitochromy A i B wyzwalają trzy szlaki transdukcji sygnałow: 1 kontrolowane przez białko G prowadzi do syntezy antocyjanów, 2 i 3-kontrolowane przez białko G, jony Ca i kalmodulinęprowadzą do ekspresji genów kodujących białka występujące w chloroplastach należące do fotosystemów I i II oraz małej podjednostki Rubisco. 3 PS II LHC I/II Synteza ATP Rubisco Rozwój chloroplastów W czasie etiolacji i deetiolacji kluczową rolę odgrywają phya i phyb. Pierwszy z nich powoduje hamowanie elongacji hipokotyla w czasie długotrwałego naświetlania daleką czerwienią (FR). Badania pozwalające na ustalenie roli danej odmiany fitochromu moŝliwe są dzięki wykorzystaniu mutantów fitochromowych, nie zawierających aktywnych form fitochromu lub zawierających deficyt danej formy. Mutanty phya Arabidopsis rosnące w FR wykazują długie hipokotyle i są niezdolne do rozwijania i wzrostu liścieni (przedstawia to poniŝszy rysunek). Rośliny te przypominają etiolowane (rosnące w ciągłej ciemności) osobniki typu dzikiego. Mutanty bez aktywnego phyb równieŝ zostały scharakteryzowane u
wielu gatunków roślin. Analiza tych mutantów ujawniła rolę phyb w deetiolacji w świetle czerwonym. Mutanty, w odróŝnieniu od typu dzikiego, wykazują długie hipokotyle i niewielkie liścienie. PowyŜszy rysunek przedstawia fenotypy mutantów siewek rzodkiewnika (Arabidopsis thaliana). A- typ dziki oraz mutant phya inkubowane w dalekiej czerwieni. B- typ dziki oraz mutant phyb inkubowane w świetle czerwony Mutanty pod względem obu odmian fitochromu wykazują jeszcze wyraźniejsze zmiany, ich hipokotyle są jeszcze dłuŝsze niŝ w przypadku pojedynczej mutacji. Dowodzi to, iŝ równieŝ phya ma swój udział przy wzroście siewki w świetle czerwonym. Jak dotąd nie stwierdzono znaczniejszego udziału innych odmian fitochromu w omawianym procesie, choć w tej materii wciąŝ prowadzone są intensywne badania. Zapamiętaj! Aktywność fitochromu P fr wynika z faktu, iŝ zmienia on aktywność genów, wpływając stymulująco lub hamująco na ekspresję genów kontrolujących metabolizm i procesy fizjologiczne. Receptory światła niebieskiego kryptochromy i fototropina (budowa i funkcja) Kryptochromy to fotoreceptory światła niebieskiego u zwierząt i roślin. Obecnie nazwy tej uŝywa się w odniesieniu do specyficznej podklasy receptorów światła niebieskiego flawoprotein regulujących kiełkowanie, elongację, fotoperiodyzm i inne reakcje wzrostowe roślin. Kryptochromy odkryto takŝe u koralowców, gdzie biorą udział w koordynacji cyklów rozmnaŝania w czasie kilku wiosennych nocy podczas pełni księŝyca. Znaleziono je równieŝ u owadów i ssaków. Dwa kryptochromy znalezione u ssaków, odgrywają zasadniczą rolę w
rozmnaŝaniu i utrzymywaniu rytmu okołodobowego. Badania sugerują, Ŝe kryptochromy ułatwiają nawigację ptaków podczas ich migracji, poniewaŝ są podstawą funkcjonowania ich magnetycznego zmysłu uŝywanego do wyczuwania pola magnetycznego Ziemi. Inne teorie sugerują, Ŝe te zdolności są obecne takŝe u ssaków, ale są uśpione. W ludzkim genomie, geny kodujące Cry1 i Cry2 zostały znalezione odpowiednio na chromosomach 12 i 11. Kryptochromy są obecne u wszystkich gatunków roślin. Jest to polipeptyd, który u Arabidopsis thaliana ma masę cząsteczkową równą 75,8 kda i składa się z 681 aminokwasów. U większości roślin występują dwa homologiczne kryptochromy: Cry1 i Cry2. Kryptochromy (Cry) rzodkiewnika, posiadają dwa chromofory: pterynę i flawinę (substancja zbliŝona do pteryny). Chromofor pterynowy jest tym, który bezpośrednio absorbuje foton, co następnie powoduje emisję przez niego energii, która z kolei jest absorbowana przez flawinę (poniŝszy rysunek przedstawia schemat budowy kryptochromów). Ta prawdopodobnie pośredniczy w fosforylacji określonej domeny w kryptochromie, tym samym rozpoczynając kaskadę transdukcji sygnału, finalnie wpływającego na regulację ekspresji genów w jądrze komórkowym. Receptory światła niebieskiego kryptochromy Fotokonwersja kryptochromu NH 2 COOH 75kDa pterynowa grupa chromoforowa flawinowa grupa chromoforowa 420-480 nm Grupa chromoforowa kryptochromu malonylo-ryboflawina + pteryna -ulega fotokonwersji pod wpływem światła niebieskiego. Występuje kryptochrom 1 (cry1) kryptochrom 2 (cry2). Wykazano współdziałanie phy i cry w regulacji wielu odpowiedzi fotomorfogenetycznych rośliny. Wykazano, Ŝe produkty genów CRY1 i CRY2 uczestniczą w procesie deetiolacji. Poziom Cry2 po naświetleniu światłem niebieskim, ultrafioletowym (UV-A: 320-390 nm) i zielonym
szybko się obniŝa. W warunkach małego natęŝenia oświetlenia u rzodkiewnika deetiolację kontrolują obydwa typy kryptochromów, natomiast w środowisku o duŝym natęŝeniu oświetlenia, główną funkcję w regulacji tego procesu pełni Cry1. Światło niebieskie pośredniczy takŝe w fototropizmie roślin. W tym procesie bierze udział NPH1, białko zawierające flawinową grupę chromoforową, którego widmo absorpcyjne funkcjonalnej cząsteczki pokrywa się z widmem czynnościowym dla procesu fototropizmu i nazywane jest fototropiną. Fototropiny są to białka receptorowe (flawoproteina), które warunkują reakcje fototropiczne u roślin wyŝszych. Razem z kryptochromem i fitochromem pozwalają roślinom na reakcje w zmieniających się warunkach oświetleniowych. Fototropiny naleŝą do kinaz ulegających fosforylacji w odpowiedzi na światło niebieskie. Budowę fototropiny przedstawiono schematycznie na poniŝszym rysunku. Światło niebieskie powoduje fosforylację fototropin obecnych w błonie komórkowej, co prowadzi do zapoczątkowania łańcucha przekazywania sygnału wewnątrz komórki. Receptory światła niebieskiego - fototropiny NH 2 flawinowa grupa chromoforowa (LOV1) flawinowa grupa chromoforowa (LOV2) domena kinazowa kinaza sertreoninowa COOH 120kDa Fototropina to kinaza białkowa aktywowana przez światło niebieskie. Światło niebieskie Pod wpływem światła niebieskiego następuje zmiana konformacji i autofosforylacja grupy chromoforowej (LOV1 i LOV2) fototropiny. Występują: fototropina 1 (phot1) i fototropina 2 (phot2) Fotoropiny jako część systemu receptorów wraŝliwych na światło odpowiedzialnych za reakcje roślin w środowisku powodują wyginanie się roślin w stronę światła i otwieranie aparatów szparkowych. Fototropiny odgrywają takŝe waŝną rolę w ruchu chloroplastów
wewnątrz komórki. Są takŝe odpowiedzialne za pierwsze zmiany wydłuŝeniowe łodygi (zanim aktywny stanie się kryptochrom). Fitochromy, kryptochromy i fototropiny biorą udział w regulacji róŝnych procesów, m. in. w regulacji ruchów roślin tropizmów i nastii. Na poprzednim wykładzie poznaliście juŝ udział auksyn i etylenu w regulacji ruchów roślin tj. fototropicznych wygięciach pędów i nastycznych ruchach liści. Teraz zwróćcie uwagę na udział odpowiednich receptorów odbierających bodziec świetlny. Fototropizm jest zjawiskiem w wyniku, którego dochodzi do wygięcia rośliny przez wzrost komórek po stronie przeciwnej niŝ działający czynnik tj. światło. Cały proces ma podłoŝe hormonalne, gdyŝ wzrost komórkowy wywoływany jest przez działanie auksyn, których stęŝenie wzrasta po stronie zacienionej w wyniku, czego ciało rośliny ulega wygięciu. Schematycznie zostało to przedstawione na poniŝszym rysunku. Wygięcie fototropiczne pędu w wyniku kierunkowego działania światła Kierunkowe światło (niebieskie) fototropina (receptor) Synteza i transport auksyny (IAA) Wygięcie organu fototropizm (odpowiedź) Elongacja komórek Nastie to ruchy, które nie zaleŝą od kierunku działania bodźca, lecz od jego natęŝenia. Bodźcami mogą być np. oświetlenie, temperatura czy wilgotność. Przyczyną tego rodzaju ruchów jest niejednakowy wzrost bądź zmiany turgoru po jednej ze stron (górnej lub dolnej).
Najbardziej charakterystycznym ruchem nastycznym jest zjawisko otwierania oraz zamykania się kielichów kwiatowych np. tulipana. Syndrom unikania cienia Dostępność światła jest jednym z głównych czynników decydujących o Ŝyciu roślin i kierujących ich rozwojem. W przypadku duŝego zagęszczenia organizmów dochodzi do konkurencji o ten kluczowy do Ŝycia czynnik. Dlatego teŝ rośliny opanowały dwie moŝliwe strategie aby zwiększyć swoje szanse przetrwania. Są to tolerancja cienia oraz unikanie cienia, polegające na wykryciu zagroŝenia brakiem światła i zapoczątkowaniu odpowiednich zmian zanim dojdzie do całkowitego zacienienia. Rośliny wykrywają zmiany oświetlenia dzięki rejestracji stosunku światła czerwonego (R) do dalekiej czerwieni (FR) w dochodzącym świetle przez tkanki zielone. Typowy stosunek R:FR dla światła dziennego wynosi 1.15 i ulega nieznacznym wahaniom. Zmiany w tym stosunku rejestrowane są w roślinach dzięki zmianom w stosunku Pr do Pfr. Badanie reakcji roślin na zmiany oświetlenia (obniŝenie stosunku promieniowania R do FR) doprowadziło do poznania szeregu mechanizmów nazwanych syndromem unikania cienia. Wśród zaobserwowanych zmian wymienić moŝna wydłuŝanie się łodygi i szypułek liści, często kosztem rozwoju samych liści oraz organów magazynujących. W liściach zaobserwowano teŝ spadek zawartości chlorofilu, ich grubości oraz zmiany nachylenia tych organów. Ograniczone jest rozkrzewianie się roślin, kosztem dominacji wierzchołkowej. ZauwaŜono równieŝ przyspieszone kwitnienie w przypadku długotrwałej ekspozycji na bogate w daleką czerwień światło. Wszystkie wymienione zmiany zachodzą stosunkowo szybko i gwałtownie. Wymowny jest przykład rzodkiewnika, który po 2 godzinnej ekspozycji na wzbogacone w FR światło w ciągu 24h wydłuŝa swój hipokotyl o ok. 30%. Badania mutantów fitochromowych tej rośliny wykazały udział główny phyb w formie Pfr w reakcji wydłuŝania hipokotylu. W świetle bogatym w FR phya, działając w reakcji HIR, hamuje wzrost hipokotyla, a więc wykazuje akcję antagonistyczną do syndromu unikania cienia. Takie działanie ma ogromne znaczenie biologiczne. Zapobiega nadmiernemu wzrostowi hipokotyla, który prowadzić moŝe do osłabienia, a nawet śmierci rośliny. Często mutanty wzbogacone w phya stosowane są w gęstych uprawach, dzięki czemu zwiększa się produktywność upraw transgenicznych.
wg. Tretyn i in. 1997. Reakcja gorczycy (Sinapis alba) na zmiany w stosunku światła czerwonego do dalekiej czerwieni. Roślina po lewej była inkubowana w stałym świetle o długości fali 400-700 nm. Roślina po prawej otrzymywała dodatkowo dawkę dalekiej czerwieni w celu zmniejszenia stosunku R:FR. Podsumowanie wykładu 1/ M O R F O G E N E Z A to przekształcenia dokonujące się w roślinach w czasie ich ontogenezy, prowadzące do osiągnięcia przez organizm określonej budowy i właściwości fizjologicznych, specyficznych dla danego gatunku. 2/ Rola światła w regulacji morfogenezy: indukuje zmiany konformacyjne białek - receptorów światła fitochromów, kryptochromów i fototropiny wpływa na ich stabilność i lokalizację w komórce wpływa na ich oddziaływanie z innymi związkami, uczestniczącymi w przekazywaniu sygnału (białka G, jony Ca) reguluje transkrypcję szeregu genów tzw. morfogenetycznych, w konsekwencji uczestniczy w przestawianiu programów morfogenezy w trakcie ontogenezy rośliny tj. stymuluje kiełkowanie nasion i wzrost i rozwój wegetatywny roślin, w tym miedzy innymi: indukuje proces deetilacji (zazieleniania), kontroluje
fototropizm, geotropizm i nastie. Światło niezbędne do przebiegu procesu fotosyntezy reguluje procesy wzrostu i rozwoju roślin Światło czerwone bierze udział w regulacji: deetiolacji (rozwój chloroplastów, ale nie synteza chlorofilu) indukcji kwitnienia starzenia i opadania liści. Światło niebieskie bierze udział w regulacji: fototropizmu otwierania aparatów szparkowych (wystarczy słabe światło - reakcja niskoenergetyczna deetiolacji (synteza chlorofilu, ostatni etap synteza chlorofilu wymaga silnego światła niebieskiego - reakcja wysokoenergetyczna Polecana literatura Kopcewicz, S. Lewak. 2002. Fizjologia roślin. Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa Lewak S., Kopcewicz J. 2009. Fizjologia roślin. Wprowadzenie. Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa Kozłowska M. 2007. Fizjologia roślin. Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Poznań Tretyn A., Wiśniewska J., Jaworski K. 1997. Mechanizm działania fitochromu. Postępy Biologii Komórki tom 25, nr 2.