B i8240 GENETIKA ROSTLIN Prezentace 07 Rezistence rostlin k abiotickým faktorům ODO doc. RNDr. Jana Řepková, CSc. repkova@sci.muni.cz Abiotické faktory 1. Nízké teploty ( chladuvzdornost, mrazuvzdornost, zimovzdornost) 2. Vysoké teploty 3. Sucho (suchovzdornost) 4. Osmoticky aktivní látky 5. Oxidatívni stres 6. Ozón 7. Pokles pH 8. Vysoká koncentrace solí, těžkých kovů, toxických látek 9. Nedostatek kyslíku 10. Mechanické poranění Abiotické faktory rezistence * Studium genetické podstaty stresových reakcí a jejich molekulárních mechanizmů ; Ozone ( Physiological and developmental event Altered cellular metabolism Aktivace genů Specifické stresové bílkoviny Změny v metabolismu Reakce rostlin na stres obecně * Konstitutivní obranné mechanismy rezistence * Dočasná aklimatizace * Indukce exprese specifických genů (řádově stovky) * Změny v metabolizmu a přestavby buněk poškozených stresem - proteiny, enzymy (nukleázy, proteázy) - oprava poškozených makromolekul - eliminace poškozených buněk - ochrana stávajících struktur Modelové druhy * Tabák, huseníček, vojtěška, rýže Suchovzdornost Obranné mechanizmy rostlin * Krátký životní cyklus * Zamezení odpařování listy, zvýšení příjmu kořeny 0 Tolerance k suchu - tučnolisté, pouštní rostliny - např. Craterostigma plantagineum - CAM (crassulacean acid metabolism) Přenos signálu v buňce v podmínkách sucha Water deficit Stress tolerance Stomata and leaves Cellular dehydration ABA responsive genes_ Plasma membrant Ca2+? PTP? MAPKs?| ranscription factor Fosfatázy a Mitogen aktivní proteinkinázy ZEP, NCED, SDR1, AAO Geny pro klíčové enzymy Biosyntetické dráhy ABA Stress tolerance and responses Vliv kyseliny abscisové na vodní režim * 10x až 50x vyšší hladina ABA při vodním deficitu * Uzavírání průduchů 1. Exprese genů, které reagují na přítomnost ABA ABA - regulační faktor exprese genů responzivních k ABA promotorova sekvence ABA responzivního elementu ABRE (abscisic acid responsive element) PyACGTGGC DNA-binding domain Vliv kyseliny abscisové na vodní režim Exprese genů, které reagují na vodní deficit - promotorova sekvence responzivního elementu vodního deficitu - DRE - (dehydration responsive element) 9 bp TACCGACAT ODD Ztráta vody a osmotický stres Osmoprotektanta 1. Aminokyseliny - prolin - glycin betain - GABA 2. Polysacharidy - manitol - trehalóza - sorbitol - fruktany iffp = +0.5 MPa iffs = -2.0 MPa (8fw = -1.5 MPa wp = OMPa Ws = -1.2 MPa -1.2 MPa Soil y/w = -1.2 MPa Osmotic adjustment No osmotic adjustment Nahrazují vázané molekuly vody v makromolekulách a na povrchu membrán Geny determinující rezistenci k suchu Ochranná funkce t Geny LEA (late embryogenesis abundant) - skupina proteinů s ochrannou funkcí při dehydrataci t Geny dehydriny lokusy Dhn - skupina proteinů o nízké molekulové hmotnosti - zabraňují ztrátám vody, zachovávají funkčnost membrán * Hordeum vulgare 0 Zea mays Odolnost k nízkým teplotám t Chladuvzdornost t Mrazuvzdornost 000 * Zimovzdornost Chlad í> Fyziologické a biochemické procesy - změny v aktivitě enzymů - změny vlastností membrán - poškození pletiv Cell wall Plasma Ice formation membrane in cell wall Negativní vliv na reprodukční mechanizmy Alteration in Source Sink Relation Reduced Kernel Hilling Rate I Infi I led/Aborted !► Seeds Stunted Development of Pollen Grains Anther Protein Degradation MALE GAMETOPHYTE DEVELOPMENT REPRODUCTIVE PHASE EXPOSED TO CHILLING STRESS x. FEMALE GAMETOPHYTE DEVELOPMENT Pollen Sterlity Pollen Tube Oeformation Delayed I sop re ne (C5) > Monoterpenes (C10) PQ-9 (C45) (prenyl chain) #* +5 IPP Tetraterpenes (C40) *■ Diterpenes (C20) Phytyl chains *\2x Chlorophylls Tocopherols Phylloquinones Carotenoids Phytoalexins Abscisic acid Gibberellins Taxol Chemická struktura izoprenoidů s antioxidačními vlastnostmi Tocotrienols R Caratenoids Violoxanthin Hemíterpenes \ Monoterpenes | Isoprene| a-pjnene p-Pínene Myrcene II Ji Limonene Sabinere (£>|i-Ocimene (Z)-fi-Ocimene Sesquiterpenes u-Humulene (E)-p-Farnesene (E,E)-ct-Farnesene (E)-p-CaryophyHene S-Cadinene Nedostatek kyslíku í> Změny v regulaci proteosyntézy 0 Známo 20 typů proteinů syntetizovaných v pletivech kořenů při zaplavení půdy: - alkoholdehydrogenáza, - glukózafosfátizomeráza, - pyruvátdekarboxyláza, - aldoláza Promotor genu Adh1 kukuřice t Regulace transkripce genu jako odpověď na nedostatek kyslíku v prostředí Element ARE (anaerobic response element) Fingerprint -180 -130 -110 -100 U I Neindukovaný promotor Adh1 -180 -130 -110 -100 Transkripěné aktivní promotor A A ▲ začátek transkripce —> I I ARE TATA I I transkripční aktivace prostřednictvím navázání faktorů začátek transkripce —> J I TATA 1 I \ -180 130 -110 -100 Nadbytek ozónu, presvetlení t Krátkodobé působení - nekrózy í> Chronické působení - fyziologické změny - redukce růstu t Škodlivé účinky: - Poškození membrán - Lipidů - Proteinů - DNA Open stoma Closed stoma V Further O3 entry (S) —" Qj -*- Reduced photosynthesis 03 cannot O penetrate cuticle Inside cell: damage to membrane lipids, proteins, DNA Small amount enters cells due to membrane damage. Solutes leak across damaged membranes. Unsuccessful antioxidant defense Death Acclimation, growth, and survival Toxické ionty v pudě, vodě, ve vzduchu ► Narušení minerální rovnováhy * Ovlivnění buněčného metabolismu a kapacity růstu * Polutanty vzduchu - kysličníky dusíku a síry, amoniak, ozon * Reakce s buněčnou vodou za vzniku kyseliny siřičité, dusité, dusičné. * Překyselení pletiv Těžké kovy C> Železo, mangan, zinek, měď, molybden a kobalt jsou esenciální 0 Hliník, kadmium, rtuť jsou nepotřebné 0 Eliminace: vazba kationtů na pektiny buněčných stěn kořenů * Nitrobuněčné chelatovací systémy - fytochelatiny (Glu-Cys)n-Gly - vazba těžkých kovů prostř. SH-skupiny Poranění * Rychlá indukce fytohormonů etylénu, ABA, kyseliny jasmonové * Obranné mechanismy rostliny: - zesílení buněčných stěn ukládáním kalózy - syntéza ligninu a glykoproteinů - syntéza fytoalexinů - tvorba inhibitorů proteáz, chitináz, glukanáz ► Arabidopsis geny TOUCH Výukovou pomůcku zpracovalo Servisní středisko pro e-learning na MU http ://is. m u n i. cz/stech/ CZ.1.07/2.2.00/28.0041 Centrum interaktivních a multimediálních studijních opor pro inovaci výuky a efektivní učení evropský &OCÍalni_ ■ MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ fond V CR EVROPSKÁ UNIE mlAde2e a tělovýchovy 'v pni fcDnkurencatcliDpiiKt ^I.Viv^ INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ