3. Fytohormony a růstové regulátory I. auxiny, gibereliny a cytokininy Co to jsou hormony? • termín hormon – poprvé použitý v medicíně před 100 lety, pochází z řečtiny ηορμονε = stimulovat (ale nezahrnuje transport) • látky přenášené z jednoho místa na druhé (Went a Thimann, 1937) Co to jsou fytohormony? rostlinný hormon = fytohormon organická sloučenina syntetizovaná v jedné části rostliny, zpravidla translokovaná do jiné části, kde ve velmi malé koncentraci způsobuje fyziologickou odpověď (Salisbury a Ross 1985) mohou mít účinky stimulující, ale i inhibující organické sloučeniny syntetizované chemicky, které mohou být rostlinnými buňkami přijímány, transportovány a způsobují podobnou fyziologickou odpověď jako fytohormony. Co to jsou růstové regulátory? 5 skupin „klasických“ fytohormonů • auxiny 4 • cytokininy několik • gibereliny mnoho • kyselina abscisová • etylén • kyselina jasmonová • brassinosteroidy • polyaminy • oligosachariny • oligopeptidy • fenolické látky • strigolaktony... netradiční fytohormony Vývoj poznání o fytohormonech 1987- P.J.Davies: Plant Hormones and Their Role in Plant Growth and Development 1995 - P.J. Davies: Plant Hormones: Physiology, Biochemistry and Molecular Biology 2004 – P.J.Davies /ed./: Plant Hormones: Biosynthesis, Signal Transduction, Action! Konjugace DegradaceBiosyntéza Fyziologická odpověď Přenos hormonálního signálu k výkonným strukturám Příjem hormonálního signálu Transport (vstup do buňky výstup z buňky) HORMON Metabolismus Transport na dlouhou či krátkou vzdálenost Příjem a přenos hormonem neseného signálu Zažímalová 2011 Auxiny • název auxin pochází z řeckého slova auxó, což značí zvětšovat se. • 1926 Frits Went - první užití termínu auxin pro zatím neidentifikovanou sloučeninu (Wuchsstoff), která způsobuje ohyb koleoptilí trav • 1936 identifikace Köhlerem v lidské moči a později prokázána Thimannem i v rostlinách • dnes víme, že je to kyselina indolyl-3-octová (IAA) Vlivy auxinu • podílí se na fototropismu a geotropismu • způsobuje apikální dominanci • udržuje polaritu pletiv • stimuluje – prodlužování buněk – vývoj plodů – vývoj cévních svazků a diferenciaci vodivých pletiv – růst kořene (ale jen ve velmi nízké koncentraci = 10-7 až 10-13 M) – zakládání adventivních kořenů Vliv auxinu na růst kořene a stonku (podle Thimanna) rozdílná reakce stonku a kořene je způsobena rozdílnou citlivostí jejich buněk na auxin koncentrace auxinu (ppm) 10-6 10-4 10-2 1 10 102 Fototropismus • 1880 – Ch. Darwin: význam koleoptile pro fototropismus • 1926 – F. Went: objev auxinu – umístění apexů koleoptilí na agar – přenos agarových bločků na dekapitované rostlinky (bez bočního osvětlení) – zvětšení pahýlu - neznámá látka difundující do agaru = Wuchsstoff = auxin Wentovy experimenty s koleoptilemi ovsa F. Went: Rostliny, 1979 detail izolovaných vrcholků koleoptilí na agarových bločcích agarové bločky s difundovanou růstovou látkou způsobovaly ohyb dekapitovaných koleoptilí © Peter v. Sengbusch - b-online@botanik.uni-hamburg.de Mechanismus fototropismu • směr světla je detekován apexem, modré světlo je nejúčinnější • auxin je syntetizován v meristému a translokován bazipetálně (dolů) • transportéry auxinu (PIN proteiny) jsou v plazmatické membráně na zastíněné straně prýtu • auxiny jsou přenášeny a stimulují prodlužování buněk na zastíněné straně • výsledkem je zakřivení stonku ke světlu Mechanismus gravitropismu • sedimentace amyloplastů v buňkách kolumely kořenové čepičky • spojení aktinových filament s váčky obsahujícími PIN proteiny • inserce PIN proteinů do plazmat. membrány umožní transport auxinu na spodní stranu kořene • inhibice prodlužovacího růstu na spodní straně • výsledkem je zakřivení kořene dolů Profesor Bohumil Němec (1873 – 1966) statolitová teorie Pražská universita 1900 struktura kořenové špičky, kolumela se statolity (amyloplasty) Eva Benková a Jiří FrimlEva Zažímalová Studium auxinu Přirozené auxiny kyselina indolyl-3-octová (n=1) IAA kyselina indolyl-3-máselná (n=3) IBA kyselina 4 chlor- indolyl-3-octová (Cl) 4-Cl-IAA kyselina fenyloctová Krystalické látky, špatně rozpustné ve vodě v kyselé a neutrální oblasti. Dobře rozpustné v organických rozpouštědlech a ve vodném alkalickém prostředí. IAA dosti nestálá (světlo) Biosyntéza auxinu od tryptofanu jsou známé dvě cesty, ale více preferovaná je cesta, kdy v prvním kroku dochází k transaminaci na indolpyruvát - pak následuje dekarboxylace na indolacetaldehyd - a po enzymatické oxidaci vzniká IAA. enzymy nezbytné pro tuto syntézu jsou nejaktivnější v mladých nediferencovaných pletivech - v meristémech, v mladých listech a v plodech (v embryích) IAA je syntetizována tam Salisbury a Ross 1993 Novější schéma biosyntézy auxinu ? Zažímalová 2011 Mechanismy kontroly množství auxinů • konjugace = kovalentní vazba na nízkomolekulární látky (aminokyseliny, cukry) funkce konjugátů (Bandurski 1984) 1. zásobní forma (neaktivního) hormonu 2. ochrana hormonu před oxidací 3. konjugáty jsou stabilní transportní formou 4. konjugace slouží jako prostředek regulace množství endogenního hormonu • degradace = oxidace O2 a ztráta COOH - CO2 (dekarboxylace) Metabolismus IAA v rostlinách – konjugační reakce Konjugáty IAA v rostlinách: 50%-90% celkového obsahu IAA Lokalizace: ve zrajících semenech, ve vegetativních pletivech Funkce: - zásobní (hydrolysa při klíčení semen) - transportní - ochranná (konjugáty nepodléhají štěpení peroxidasami) -„detoxikační“ (pro vysoké endogenní hladiny IAA) Donor X: UDP-Glc, UDP-Gal, myo-inositol, Asp, Ala, Glu IAA-X IAA + X biologicky neaktivní biologicky aktivní konjugátsynthasa konjugáthydrolasa N H O HC CH2 COOH N H COOH N H O O O CH2OH OH OH OH Zažímalová 2011 Metabolismus auxinu konjugační a degradační reakce velmi druhově specifické často propojené Zažímalová 2011 Auxiny = slabá organická kyselina HA H+ + A- pHpH pH = 5.5: ~ 20% ~ 80% pH = 7.0: ~0 ~100% IAAIAA IAAIAA-- Transport auxinu na buněčné úrovni Zažímalová 2011 Transport auxinu na buněčné úrovni • auxin je přenášen polárním transportem z do buňky buňky pomocí přenašečů: na jedné straně je vnesen do buňky pomocí „ influx“ přenašečů v plasmatické membráně (AUX1/LAX) a transportován ke druhé straně buňky pomocí „efflux“ přenašečů tzv. PIN nebo ABCB proteinů • PIN FORMED geny (PIN 1-8), kódují auxinové „efflux“ přenašeče • distribuce těchto přenašečů v buňce určuje, kterým směrem bude auxin transportován Transport auxinu z buňky do buňky IAA IAApH 5,5 pH 7,0 „„IAA-influx(uptake)-carrier“IAA-influx(uptake)-carrier“ „„IAA-efflux-carriers“IAA-efflux-carriers“ ppasivasivníní difusdifusee IAA- IAA- IAA+ H+ H + HH++ -ATPase-ATPase 20% 80% „anion trap“ Zažímalová 2011 Mutant aux1 agravitropic roots (Marchant et al. 1999) Mutanti Arabidopsis se vztahem k transportu auxinu IAA- IAA Mutant mdr1/pgp19/abcb19 complex phenotype, dwarf WT mdr1/pgp19/abcb19 (Noh et al. 2001) ABCBABCB AUX1/LAX Mutant pin1 strong phenotype in floral organs (Palme & Gälweiler 1999, modified) WT pin1 PIN Zažímalová 2011 Model pro polární transport auxinu Vieten et al. TIPS 2007 vychází z chemiosmotické hypotézy Exprese a lokalizace AtPIN1 a AtPIN4 J. Friml (Cell 2002) » signál AtPIN1 byl detekován v plasmatické membráně buněk centrálního válce a slabší signál v buňkách endodermis. » AtPIN1 protein je lokalizován převážně na basální straně buněk. » AtPIN4 protein byl prokázán v oblasti buněk klidového centra (QC cells) a blízkého okolí. Exprese a lokalizace PIN proteinů ve špičce kořene Arabidopsis imunolokalizace AtPIN1 ukazuje na tok auxinu směrem k centru kořenového meristému (červené šipky) AtPIN4 reguluje směrování toku auxinu do kolumely – vytváří auxinové maximum (modré šipky). část auxinu je přesměrována vnějšími vrstvami zpět do elongační zóny a reguluje zakřivování kořene (AtPIN2, zelené šipky) (Friml a Palme 2002) Mechanismus gravitropismu J. FrimlJ. Friml symetrická distribuce auxinu buňky kolumely PIN3 auxin nucleus škrob 2 možnosti: • okamžitá reakce, přímý vliv na buňku (prodlužování) • pomalejší odezva - změna exprese genů Jak auxin způsobuje různé efekty v rostlině? Přímé vlivy auxinu přítomnost auxinu na povrchu buňky iniciuje okamžité reakce: • změny v pohybu iontů přes plazmatickou membránu do buňky a z buňky • extenze buněčné stěny - prodlužování buňky • auxin iniciuje tyto změny po vazbě na specifické receptory na povrchu buňky - transmembránové proteiny jako ABP1 („AUXIN-BINDING PROTEIN 1") Vliv auxinu na expresi genů • mnoho vlivů auxinu je zprostředkováno změnami transkripce genů • auxin vstupuje do buňky aktivním transportem • v cytosolu se váže na proteiny jako ARF1 („AUXIN RESPONSE FACTOR1") • ARF1 je transkripční faktor • transkripční faktor vstupuje do jádra a váže se na promotory genů, které reagují na auxin (= auxin je tzv. „response element“) • působení auxinu na transkripci genů je podobné působení steroidních hormonů u živočichů Regulace genové exprese v odpovědi na auxin – receptor TIR1 V odpovědi na auxin jsou represory Aux/IAA degradovány ubikvitinligázou SCFTIR1 . Tím jsou uvolněny transkripční faktory ARF, které aktivují transkripci genů odpovědi na auxin („auxin response genes“). ASK1, RBX1 a TIR1 = proteiny tvořící komplex s ubikvitinligázou SCF; TIR1 = receptor pro auxin; Cullin = podjednotka ubikvitinligázy; auxin jaderná membrána Aux/IAA Zažímalová 2011 Indukce tvorby adventivních kořenů auxinem vliv IBA kontrola bez IBA zakořeňování řízků kopřivěnky (Coleus) Syntetické látky (růstové regulátory) s účinkem auxinů kyselina indolyl-3-propionová α-naftyloctová β-naftoxyoctová IPA NAA NOA 1. indolové kyseliny 2. naftalenové kyseliny Syntetické látky s účinkem auxinů 3. chlorfenoxykyseliny 4. benzoové kyseliny 2,4-dichlorfenoxyoctová 2,4-D 2,4,5-trichlorfenoxyoctová 2,4,5-T 2-metyl-4-chlorfenoxyoctová MCPA dicamba Syntetické látky s účinkem auxinů 5. deriváty kyseliny pikolinové (izonikotinové) picloram 4-amino-3,5,6-trichloropikolinová kyselina vlastnosti syntetických auxinů jsou podobné IAA, ale jsou stálejší Herbicidy 2,4-D selektivně likviduje dvouděložní rostliny, ale ne trávy (podstatu selektivity ještě neznáme) 2,4-D se dostává do buněk usnadněnou difůzí, ale neexistuje její přenašeč z buňky ven (efflux carrier) „Agent Oringe“ používaný ve Vietnamu armádou USA k defoliaci pralesa byl směsí 2,4-D a 2,4,5-T Auxin - doporučené stránky experimenty s vlivem auxinu na iniciaci laterálních orgánů http://home.cc.umanitoba.ca/~umrahm04/39.768/P2/P2.html transport auxinu, přenos signálu http://www.public.iastate.edu/~bot.512/lectures/Auxin-action.htm vazebné proteiny pro auxin http://www.bio.unc.edu/faculty/jones/lab/auxin_binding_protein.html Kimbalova učebnice - auxiny http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/A/Auxin.html Auxin - doporučená literatura • Petrášek J., Malínská K., Zažímalová E. (2010): Auxin transporters controlling plant development. – In: Geisler M. Venema K. (eds.) Transporters and Pumps in Plant Signaling. Series Signaling and Communication in Plants Vol. 7. • Zažímalová E., Murphy A.S., Yang H., Hoyerová K., Hošek P. (2010): Auxin Transporters—Why So Many? COLD SPRING HARBOR PERSPECTIVES IN BIOLOGY • Vandenbussche F., Petrášek J., Žádníková P., Hoyerová K., Pešek B., Raz V., Swarup R., Bennett M., Zažímalová E., Benková E., Van Der Straeten D. (2010): The auxin influx carriers AUX1 and LAX3 are involved in auxin-ethylene interactions during apical hook development in Arabidopsis thaliana seedlings. - DEVELOPMENT 137: 597–606. • Tanaka H, Dhonukshe P and Friml J. (2006) Spatio-temporal asymmetric auxin distribution: Means to coordinate plant development, Cellular and Molecular Life Sciences, 63: 2738-54. • Paciorek T and Friml J. (2006) Auxin signalling, Journal of Cell Science, 119: 1199-202. • Morris D, Friml J., Zažímalová E. (2004) The Transport of Auxins. In: Davies P.J. (Ed.): Plant Hormones: Biosynthesis, Signal Transduction, Action, Kluwer Academic Publishers. s. 437 - 470, ISBN: 1-4020-2685-4. (Textbook) Gibereliny • Kurosawa - při studiu houbové choroby rýže bakanae způsobené houbou Gibberella fujikuroi (v imperfektním stadiu Fusarium moliniforme) • ve vodě rozpustné látky produkované houbou kyselina giberelová = giberelin A3 (GA3) • terpeny – ent-giberelanový skelet • dnes je již známo více než 80 giberelinů (GA1, GA3 …) kyselina mevalonová ent-kauren GA1 Biosyntéza giberelinů neaktivní aktivní kyselina ent-kaurenová 3x AcCoA geranylgeranyl pyrofosfát první giberelin Mutanti syntézy giberelinů GGPP CPP ga1 A. thaliana an1 Z. mays ls P. sativum ent-kauren ga2 A. thaliana d5 Z. mays gib3 L. esculentum ent-kaurenová kyselina GA12 GA53 GA20 GA1 ga3 A. thaliana lh P. sativum d3 Z. mays d2 Z. mays ? ga5 A. thaliana ga4 A. thaliana d1 Z. mays le P. sativum model struktury GA1 http://www.lars.bbsrc.ac.uk/plantsci/gas.html strukturní vzorec GA3 Gibereliny http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/G/Gibberellins.html 1 2 3 4 5 56 6 4 2 1 7 7 8 8 9 9 10 10 11 1112 12 13 13 14 15 15 14 16 16 17 17 1. prodlužování buněk spojené se stimulací růstu 2. dělení buněk v kambiu (spolupůsobení s IAA) 3. vyvolání partenokarpie 4. indukce kvetení v neindukčních podmínkách 5. porušení dormance pupenů nebo semen, indukce klíčení semen 6. mobilizace zásobních látek v semenech při klíčení (transkripce α-amylázy) Funkce giberelinů Mechanismus působení giberelinů na klíčení obilovin • gibereliny (GA3) z embrya a štítku • indukce aktivace nebo de novo syntézy α-amyláz v aleuronové vrstvě • transport α-amyláz do endospermu • hydrolýza škrobu • transport cukrů do rostoucí rostlinky Regulace hladiny giberelinů • regulace biosyntézy – regulace syntézy ent-kaurenu – regulace syntézy vnějšími faktory (teplota a světlo = fotoperioda – aktivita Ga20 oxidáz) – inhibice zpětnou vazbou • tvorba konjugátů (s glukosou) • ireversibilní deaktivace ( 2-beta-hydroxylace) Cytokininy 1913 Gottlieb Haberlandt - látky obsažené ve floému mají schopnost indukovat buněčné dělení 1941 Johannes van Overbeek - podobné vlastnosti má endosperm z kokosových ořechů 1955 Miller et al. izolace prvního cytokininu ze spermatu sleďů - název kinetin = látka stimulující buněčné dělení (cytokinezi) 1956 Folke Skoog – výsledky pokusů s indukcí dělení buněk dřeně tabáku (poměr auxinů a cytokininů) 1961 Miller, 1963 Letham - izolace prvního přirozeného cytokininu z obilek (nezralého endospermu) kukuřice (Zea) = zeatin http://www.plant-hormones.info/cytokinins.htm Cytokininy fytohormony odvozené od adeninu (pozor na záměnu s cytokiny) nativní cytokininy izoprenoidní • zeatin (trans) (z nezralého endospermu Zea) • dihydrozeatin • izopentenyladenin aromatické • benzylaminopurin • m-topolin (3-hydroxybenzylaminopurin) izopentenyl adenin iPtrans – zeatin Z trans – zeatinribosid ZR Nativní cytokininy - izoprenoidní Nativní cytokininy- aromatické 6-(3-hydroxybenzylamino)purin meta-topolin mT poprvé izolován z listů topolu benzyladenin BA (benzylaminopurin BAP) furfuryl aminopurin kinetin K Syntetické cytokininy derivát močoviny thidiazuron TDZ • stimulace buněčného dělení název • potlačení apikální dominance podpora růstu axilárních meristémů, iniciace adventivních pupenů • stimulace vývoje chloroplastů • aktivace syntézy RNA a proteinů oddálení senescence • zvýšení odolnosti ke stresům (zasolení, sucho, vysoká teplota, vlhkost) Vliv cytokininů • vzájemná přeměna bází, nukleotidů a nukleosidů • N-glukosylace purinu a konjugace alaninu (N-9) • O-glukosylace a acetylace postranního řetězce • redukce dvojné vazby postranního řetězce • odštěpení postranního řetězce Metabolismus cytokininů: Kamínek (1992) Praha ACPD 2009 Praha ACPD 2005 Johannes van Staden Kamínek 1992 t-zeatin ribosid ipt isopentenyladenosin-mP isopentenyladenosin isopentenyladenin t-zeatin dihydrozeatin c-zeatin dihydro zeatin ribosid adenosin c-ox ct-izo c-ox adenin z-red Metabolismus cytokininů Biosyntéza a metabolismus cytokininů plant ATP ADP or AtIPT4 iPTP iPDP ZRTP ZRDP (Mok et Mok 2001)bacterium AMP + DMAPP IPT iPMP iPA iP ZRMP ZR trans-Z cis-Z c-t isomerase β-glucosidase adenine + 3-methyl-butenal cytokinin oxidase/dehydogenase O-glukosyl trans-zeatin zeatin reductase dihydro Z transZOG1 (Kamínek 1992) N-9-glucosyl trans-zeatinAMP hypothetic ligand Astot et al. 2000) Transgenní tabák s aktivním ipt genem z Agrobacterium tumefaciens teratomy neschopné tvorby kořenů, květů a semen velká nadprodukce endogenních cytokininů potlačení apikální dominance Fenotyp tabáků exprimujících cytokininoxidázu/dehydrogenázu AtCKX1 Werner et al. 2001 6 týdenní rostliny rostliny v době květu 4., 9., 12., 16. a 20. list (počítáno shora) průběh senescence Regulace buněčného cyklu – ovlivnění fytohormony Frank, Schmülling (1999) TIPS P-áza ICK1 Cdk ABA cytokinin auxin GA cytokinin cytokinin aktivní aktivní neaktivní neaktivní olomoucin roskovitin Inhibitory kináz (CDK) odvozeny od cytokininů soutěží s ATP o vazebné místo v molekule kinázy M. Strnad Využití derivátů cytokininů= deriváty BAP – testy na lidských fibroblastech prokázaly „antiaging“ efekty (Pyratene – 6 = krém proti stárnutí kůže) INCYDE = inhibitor CKX/DH – struktura odvozená od BAP = po postřiku touto látkou dochází ke zvětšování květů i semen Olomoucin I (9-metylpurin) – inhibuje buněčné dělení, Olomoucin II, Roscovitin (isopropylpurin) – inhibice p35 Cdk5, která se nadprodukuje při Alzheimerově chorobě. Nyní se již testují léčiva SELICICLIB a CYCLACEL – využití onkologie, neurologie (Alzheimer), virologie (herpes), parazitologie (Plasmodium, Trypanosoma, Toxoplasmosa) ACPD - Praha J. Kieber, M. Kamínek R. Vaňková receptory cytokininu dvoukomponentní histidin kinázy AHK v plazmatické membráně Hypotéza příjmu a přenosu signálu cytokininu u Arabidopsis (To et Kieber, 2007) přenos fosfátové skupiny přes AHP proteiny do jádra aktivace regulátorů odpovědi = indukce transkripce Regulace hladiny aktivních cytokininů • rychlost biosyntézy • rychlost konverzí (metabolismu) • konjugace s glukosou a alaninem • transport • degradace Metody stanovení cytokininů A. Biotesty • proliferace buněk v kalusové kultuře – nepoužívá se již příliš často, protože trvá velmi dlouho • expanze děloh ředkviček • inhibice ztráty chlorofylu v segmentech listů ječmene během senescence B. Chemické analýzy • chromatografie HPLC • hmotová spektroskopie LC/MS • radio-imunoanalýza RIA, ELISA Interakce cytokininu a auxinu Morfogeneze v dřeňovém kalusu tabáku Skoog a Miller (1956) rozdílný poměr auxinu a cytokininu poměr A/C 200 100 10 4 Fytohormony a růstové regulátory II. 4. Kyselina abscisová etylén netradiční fytohormony Kyselina abscisová hledání faktorů regulujících tvorbu abscisové zóny opadu listů a plodů: • abscisin - opad plodů bavlníku (1963 Frederick Addicot a kol., Kalifornie) • dormin - dormance javoru (1964 Phillip Wareing, UK) • lupin - opad květů Lupinus (1964 van Steveninck, UK) 1967 = kyselina abscisová ABA Kyselina abscisová Na rozdíl od živočichů nemohou rostliny uniknout z nevhodných podmínek (sucho, příchod zimy) aktivně. „Adapt or die.“ Kyselina abscisová (ABA) je hlavním činitelem při zprostředkování adaptací rostlin na stres. http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/A/ABA.html seskviterpen Vlivy kyseliny abscisové • stimuluje: – dormanci pupenů a semen – zavírání průduchů při vodním stresu – transkripci mRNA zásobních proteinů – senescenci • inhibuje – klíčení semen – vegetativní růst – dozrávání plodů – antiport K+ H + působí proti ostatním růst podporující fytohormonům Mechanismus kontroly zavírání stomat • vazba ABA na povrch plasmatické membrány svěracích buněk • růst pH v cytosolu • přenos Ca2+ z vakuoly do cytosolu • zvýšení Ca2+ v cytosolu blokuje příjem K+ svěracími buňkami a zvýšení pH vede ke ztrátě Cl• výsledkem je redukce osmotického tlaku a turgoru uzavření stomat příčný řez dělohou tabáku Dormance pupenů • ABA zprostředkuje přeměnu apikálního meristému na dormantní pupen (nově vytvářené listy = krycí šupiny pupenu = ochrana proti poškození a vyschnutí • ABA zabraňuje předčasnému rašení pupene • Přerušení dormance – prodloužené chladové období nebo prodlužování délky dne (fotoperiodismus) Zrání a dormance semen • v průběhu dozrávání semen se zvyšuje koncentrace ABA • ABA způsobuje dormanci semen a zabraňuje jejich předčasnému klíčení před koncem zimy nebo období sucha • dormance semen se překonává dostatečně dlouhým obdobím chladu a dostatečným přísunem vody Biosyntéza ABA k. mevalonová farnesylpyro-P violaxanthin xanthoxin kyselina abscisová přímá cesta nepřímá cesta přes syntézu karotenoidů konjugace glukosylester kyseliny abscisové http://www.plant-hormones.info/ethylene.htm Ethylen Salisbury a Ross (1982) Plant Physiology Gloser (1995) Fyziologie rostlin George et al. 2008 H2 C=CH2 Ethylen stará Čína - vliv pálení kadidla na urychlování dozrávání plodů Egypt – urychlování dozrávání fíků jejich poraněním 1864 – Německo, Francie: předčasný opad listů stromů v blízkosti plynových lamp 1901 - Neljubov - prokázal přítomnost ethylenu ve svítiplynu + vliv ethylenu na růst rostlin 1910 - transport pomerančů a banánů (Jamajská obchodní společnost) 1934 - Gane (Anglie) prokázal, že ethylen je produkován dozrávajícími jablky a způsobuje: 1. měknutí dužiny 2. změny barvy 3. přeměna škrobu na cukr Ethylen Ethylen ethylen je produkován všemi rostlinnými částmi, ale určité orgány jako jsou dozrávající plody, stárnoucí pletiva a meristém produkují mnohem větší množství ethylenu ethylen se tvoří také jako odpověď na stres jako je poranění nebo invaze patogenních organimů Biosyntéza ethylenu Yangův cyklus HCN, H2O, CO2 dozrávání plodů stárnutí poranění elicitory/patogeny stresy metionin ATP Pi+PPi S-adenosylmetionin ACC-syntáza ACC Ethylen 5-metylthioadenosin ACC-oxidáza 1/2O2 aminocyklopropan karboxylová kyselina Účinky ethylenu = rozmanité inhibuje dlouživý růst stonků a kořenů změnou orientace mikrofibril celulózy stimuluje dozrávání plodů rezistenci vůči poranění a chorobám tloustnutí stonku a kořenů, nestejná reakce vede k epinastii řapíků senescenci květů a plodů, vyvolává tvorbu odlučovací vrstvy v řapících listů a plodů (abscisi) tvorbu adventivních kořenů horizontální růst Trojná odezva (triple response) • kořeny nerostou pozitivně geotropicky • tloustnutí stonků (hypokotylů) • epinastické řapíky listů (zakřivují se směrem ke stonku) Důkaz, že ACC je nejdůležitějším meziproduktem v biosyntéze ethylenu kontrolní klíční rostliny rajčat po působení ACC transgenní klíční rostliny rajčat exprimující ACC deaminasu pod konstitutivním promotorem po působení ACC ACC deaminasa = mikrobiální enzym, vyskytující se u četných půdních mikroorganismů, včetně bakterií podporujících růst rostlin, katalyzuje hydrolytické štěpení (ACC) na α-ketobutyrát a čpavek http://www.plant.uoguelph.ca/research /plantbio/BTamot.htm Netradiční fytohormony • brasinosteroidy (brasinolid) • kyselina jasmonová a metyljasmonát • polyaminy (putrescin, spermin, spermidin) • oligopeptidy (systemin) • oligosachariny • fenolické látky (deriváty kyseliny skořicové, benzoové, kyselina salicylová) • strigolaktony • kouřové látky - butenolidy… Brasinosteroidy brasinolid 1979 izolován z pylu řepky olejky (Brassica napus) Dříve byly brassinosteroidy považovány pouze za růstové regulátory spolu s polyaminy, kyselinou jasmonovou, oligosacharidy nebo některými fenolickými látkami, ale díky objevu brassinosteroidových mutantů Arabidopsis thaliana a hrachu (Pisum sativum) v roce 1996 a 1997 byly na konferenci v Japonsku v roce 1998 zařazeny mezi fytohormony. 4 mg ze 40 kg pylu Fyziologické účinky brasinosteroidů výrazně stimulují • dlouživý růst a dělení buněk (jejich účinná koncentrace je nižší než u auxinů) - biotesty na zakrslém hrachu, fazolu, aj., výrazně interagují s IAA = mění citlivost pletiv vůči IAA • gravitropismus • tvorbu dřevních elementů (xylogenezi) inhibují • zakládání a růst adventivních kořenů • opad listů a plodů Oligosachariny oligogalakturonidy - polymery odvozené od pektinu stimulují: tvorbu květů obranné reakce inhibují: tvorbu kořenů podstata působení: mění biosyntézu auxinu nebo inhibují jeho vazbu  xyloglukany – např. polymery odvozené od hemicelulosy stimulují: prodlužování buněk a růst obranné reakce morfogenezi (v kultuře) Kyselina jasmonová kyselina jasmonová JA - (aktivnější) a + forma izolace - jasmínový olej Jasminum grandiflorum poprvé izolována z houby Lasiodiplodia theobromae JA a její metylester MeJA – v mnoha rostlinách, téměř ve všech orgánech až 10ug/g FW Hlavní metabolické účinky JA stimuluje • senescenci = urychlování stárnutí listů • obranu vůči patogenům a hmyzu • obranu při poranění (= signálem při reakci na dotyk, na patogeny) inhibuje • klíčení semen • růst kořenů Strigolaktony • jsou vylučovány kořenovým systémem rostliny • regulují její větvení • modifikují účinek auxinu a podílí se na interakci rostlin a prostředí, ve kterém rostou (Gomez-Roldan et al. 2007, 2008) • hrají významnou úlohu při parasitismu (Yoneyama et al. 2008) • jsou rozpoznávacím signálem pro symbiotické mikroorganismy žijící v kořenech rostlin (mykorhiza) (Soto et al. 2010) Strigolaktony • byly nalezeny v kořenových exudátech jako signály při komunikaci s parazitickými rostlinami (Striga, Orobanche) a mykorrhizními houbami (arbuskulární mykorhiza) • u mutantů byla pozorována zvýšená tvorba větvení – hrách: ramosus (rms) – Arabidopsis: more axillary growth (max) • jsou odvozeny od karotenoidů • inhibují větvení stonků http://www.toxicology.cz/modules.php?name=News&file=article&sid=316 Strigolaktony název odvozený od jména poloparazitické rostliny – Striga (čeleď Orobancaceae) a laktonového kruhu rostliny rodu Striga parazitují např. na kukuřici, čiroku a prosu semena parazitických rostlin přežívají celé roky v dormantním stavu začínají klíčit teprve po indukci chemickým signálem, vylučovaným kořenovým systémem hostitelské rostliny signálem jsou strigolaktony během několika minut dochází ke stimulaci mitochondrií, během hodiny k nastartování biosyntézy a poté následuje exprese genů aktivujících buněčné dělení, růst a diferenciaci (Brewer et al. 2009) Strigolaktony – odvození názvu Striga hermontica Striga asiatica z pdf přednášky L. Havelkové: http://www.mykorhizy.webpark.cz/prednasky.html Strigolaktony chemická struktura je odvozena od tetracyklické molekuly, nazvané strigol synteticky připravený analog strigolaktonů = GR24 2008 - známo již devět: např. strigol, orobanchol, alectrol, sorgolakton http://www.toxicology.cz/modules.php?name=News&file=article&sid=316 Strigolaktony MAX3, RMS5 a HTD1/D17 kódují CCD7 MAX4, RMS1, D10 a DAD1 kódují CCD8 „carotenoid cleavage dioxygenase“ CCD = klíčový enzym katalyzující štěpení karotenoidů rostliny s mutacemi v těchto enzymech jsou deficientní na strigolaktony MAX1 - cytochrom P450 monooxygenasa MAX2, RMS4 a D3 působí v pozdějších biosyntetických krocích (přenos signálu) mutanty = necitlivé na strigolaktony Umehara et al. Nature, 2008 Butenolidy • zvláštní role kouře při podpoře klíčení semen mnoha druhů po požáru • (1) = nedávno popsaná sloučenina 3-methyl-2H-furo[2,3-c]pyran-2-on jako možný promotor klíčení semen z kouře • 2010 - Light et al. – příbuzný butenolid (2) izolovaný rovněž z kouře hořících rostlin: 3,4,5 -trimethylfuran-2(5H)-on naopak inhibuje klíčení a významně redukuje vliv (1) Interakce těchto látek může mít význam pro pochopení přerušení dormance semen metabolismus transport na dlouhou či krátkou vzdálenost příjem signálu převod signálu fytohormon biosyntéza konjugace degradace „Cell infflux efflux“ receptory přenos signálu k výkonným strukturám reakce rostliny Obecný mechanismus působení fytohormonů