NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
Tlenek azotu
– podstawowe pytania
...
i odpowiedzi dotyczące roli
tej cząsteczki w regulacji
wzrostu i rozwoju roślin
Olga Andrzejczak, Agnieszka Gniazdowska
Streszczenie:
Tlenek azotu (NO) to bezwonny i bezbarwny gaz powsta-jący jako produkt industrialnej działalności człowieka. W przeszłości, postrzegany był przede wszystkim jako związek toksyczny. Od lat 80. XX wieku datuje się jednak „triumfalny pochód” NO jako cząsteczki sygnałowej, peł-niącej bardzo ważne, regulatorowe funkcje w organizmie zwierząt i roślin. Mimo szeroko zakrojonych badań, pro-wadzonych w ostatnich trzech dekadach, poświęconych roli i metabolizmowi NO w komórkach organizmów fotosyntetyzujących nadal wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi. Dotyczą one głównie regulacji stężenia NO w komórkach, szlaków biosyntezy i transdukcji sygnału oraz współdziałania NO z innymi cząsteczkami sygnało-wymi, klasycznymi hormonami lub regulatorami wzro-stu. Praca stanowi krótki przegląd najnowszej wiedzy na temat funkcji jaką pełni NO w roślinach, ze szczególnym uwzględnieniem znaczenia tej cząsteczki w regulacji wzrostu korzenia.
Słowa kluczowe: cząsteczka sygnałowa, fitohormony,
reakty-wne formy azotu, tlenek azotu, wzrost korzenia
otrzymano: 2.04.2014; przyjęto: 13.06.2014; opublikowano: 17.12.2014
Wstęp – dlaczego zainteresowano się
tlenkiem azotu?
Tlenki azotu (NOx), w szczególności tlenek azotu
II (NO) i tlenek azotu IV (NO2), uważane są za jedne
z najbardziej szkodliwych składników skażających at-mosferę. Ocenia się, że są one prawie dziesięciokrotnie bardziej toksyczne od „cichego zabójcy” – tlenku węgla
(CO), a kilkukrotnie od dwutlenku siarki (SO2)
(Sowa--Lewandowska, 2013). To m.in. NOx odpowiedzialne są za powstawanie smogu, zjawiska atmosferycznego nę-kającego tereny uprzemysłowione, w tym głównie duże miasta, w Polsce np. Kraków i aglomerację Górnoślą-ską (Katowice, Sosnowiec, Dąbrowę Górniczą, Gliwice). Jego przyczyną jest emisja do atmosfery gazów, wśród
których istotną rolę odgrywają właśnie NO i NO2,
bę-dących produktami spalania paliw, w tym szczególnie paliw płynnych (Pomorska i Duda, 2004).
NO jest bezbarwnym gazem, pozbawionym sma-ku i zapachu, w powietrzu ulega szybkiemu
utlenia-niu do NO2, który z kolei w kontakcie z wodą tworzy
żrący kwas azotowy (HNO3) i azotawy (HNO2). Przez
wiele lat NO uznawany był za cząsteczkę toksyczną (Sowa-Lewandowska, 2013). Dopiero powiązanie do-broczynnego oddziaływania nitrogliceryny na układ krwionośny człowieka z wpływem NO, który powstaje w wyniku metabolicznych przemian nitrogliceryny lub innych związków zawierających grupę nitrową,
rzuci-ło korzystne światrzuci-ło na ten związek. Zmianę postrze-gania funkcji, jaką pełni NO w organizmach żywych, zawdzięczamy pracom prowadzonym przez Frieda Murada oraz Roberta Fuchgott i Louisa Ignarro, którzy w 1998 roku zostali wyróżnieni nagrodą Nobla za opi-sanie NO jako cząsteczki sygnałowej, odpowiedzialnej za funkcjonowanie układu naczyniowego u człowieka. Parę lat wcześniej, w 1992 roku, prestiżowy amerykań-ski tygodnik „Science” ogłosił NO „Cząsteczką Roku”. Od tego momentu datujemy „triumfalny pochód” NO jako cząsteczki o charakterze sygnałowym, której zna-czenia nie da się przecenić zarówno w organizmach zwierzęcych jak i roślinnych. Według danych bazy Web of Science z marca 2014 roku, od 1998 roku liczba opub-likowanych prac dotyczących roli NO w komórkach roślin wynosi około 3 tys. Niemal każdego dnia poja-wiają się nowe doniesienia, lecz w świecie roślin, mimo licznych badań, rola tej cząsteczki, o niezwykle prostej strukturze chemicznej, wciąż osłonięta jest rąbkiem ta-jemnicy...
Dlaczego NO zasługuje na miano cząsteczki
sygnałowej?
Przetrwanie każdego organizmu, również rośliny, wymaga wykształcenia skomplikowanego systemu, który pozwala reagować na stale zmieniające się czynniki środowiskowe. Komórki odpowiadają nie tylko na bodźce zewnętrzne, lecz także na te pocho-dzące z innych, sąsiadujących komórek, co wymaga funkcjonowania złożonego systemu przekazywania in-formacji. NO jest jednym z elementów sieci sygnaliza-cyjnej służącej wymianie informacji oraz reakcji roślin na stresy takie jak zasolenie, susza, niska temperatura lub patogeny (Wimalasekera i wsp., 2011).
NO występuje w postaci wolnorodnikowej (•NO),
co powoduje, że jest niestabilny i reaktywny, a tym
zgodność z PP – zob. s. 10
mgr inż. Olga Andrzejczak: Katedra Fizjologii Roślin,
Wydział Rolnictwa i Biologii, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
dr hab. Agnieszka Gniazdowska: Katedra Fizjologii
Roślin, Wydział Rolnictwa i Biologii, Szkoła Główna Gospo-darstwa Wiejskiego w Warszawie
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
samym okres jego półtrwania w roztworach wodnych i powietrzu jest stosunkowo krótki. Ponadto, w wyni-ku redukcji lub utleniania może stracić lub zyskać
elek-trony, przechodząc w formę anionu NO- lub kationu
NO+; może także wchodzić w reakcję z
anionorodni-kiem ponadtlenkowym (O2•-), tworząc nadtlenoazotyn
(ONOO). Sprawia to, że interakcje NO z innymi związ-kami chemicznymi nie są proste i muszą być brane pod uwagę podczas badań dotyczących mechanizmów jego działania w komórkach.
Wszystkie cząsteczki sygnałowe spełniają pewne ogólne kryteria. Są zazwyczaj stosunkowo niewielkie, mają zdolność łatwego przemieszczania się z miejsca syntezy do miejsca działania. NO spełnia te kryteria, gdyż jako mała lipofilowa cząsteczka wykazuje zdol-ność przemieszczania się pomiędzy komórkami, a na-wet przenikania przez błony plazmatyczne w wyniku dyfuzji (Wendehenne i wsp., 2004; Baudoin i Hancock, 2014).
Niezależnie, czy u zwierząt czy roślin, sygnały mu-szą być przekazywane jak najszybciej z miejsca percep-cji bodźca do miejsca docelowego. Przemieszczanie cząsteczki sygnałowej pomiędzy komórkami wydłuża drogę sygnału, dlatego zapotrzebowanie na NO może być zaspokajane poprzez jego biosyntezę w określonym przedziale komórkowym.
Jak dochodzi do biosyntezy NO w komórkach
roślin?
U zwierząt ważnym mechanizmem wytwarzania NO jest deaminacja argininy w obecności enzymu nazywanego syntazą tlenku azotu (ang. nitric oxide
synthase – NOS). W wyniku reakcji katalizowanej przez
NOS powstaje cytrulina i NO. Aktywność NOS jest zależna od obecności dinukleotydu nikotynoamidoa-deninowego (NADPH), mononukleotydu
flawinowe-go (FMN), dinukleotydu flawinoadeninoweflawinowe-go (FAD), tetrahydrobiopteryny (BH4), kamoduliny oraz tlenu cząsteczkowego. W komórkach ssaków występują trzy izoformy NOS, których nazwy odnoszą się do miejsca działania lub ekspresji:
• nNOS – neuronalna; tkanek nerwowych
ośrodko-wego i obwodoośrodko-wego układu nerwoośrodko-wego;
• eNOS – endotelialna; naczyń krwionośnych;
• iNOS – indukowalna; układu odpornościowego
i sercowo-naczyniowego (Forstermann i Sessa, 2012).
Poza aktywnością NOS, u ssaków NO jest
wytwa-rzany w wyniku redukcji NO2- w mitochondrium,
prawdopodobnie przy udziale oksydoreduktazy ksan-tyny (XOR), enzymu o aktywności podobnej do reduk-tazy azotanowej (NR) (Jansson i wsp., 2008).
Obserwowana także w tkankach roślinnych emisja NO zależna od argininy sugeruje występowanie białka o aktywności enzymatycznej podobnej do zwierzęcej NOS. Z tego powodu poszukiwania roślinnych NOS rozpoczęto od zastosowania przeciwciał przeciwko zwierzęcym białkom NOS i/lub inhibitorów zwierzę-cych NOS (Delledonne i wsp., 1998). Jednak mimo wie-loletnich badań do tej pory nie udało się zidentyfikować białka NOS u roślin wyższych. Aktywność prowadząca do biosyntezy NO w obecności argininy została ozna-czana w tkankach wielu roślin, a jej najwyższą wartość obserwuje się w peroksysomach (del Río, 2011). Wykry-to ją w korzeniach, podczas interakcji bakterii brodaw-kowych z rodziny Rhizobium z roślinami strączkowymi; grzybów z roślinami (Maier i wsp., 2001), w zawiesinach komórkowych soi (Glycine max L.) i rzodkiewnika po-spolitego (Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.) (Delledon-ne i wsp., 1998), oraz liściach tytoniu (Nicotiana tabacum L.) (Dürner i wsp., 1998). Nie zidentyfikowano jednak genu kodującego białko o aktywności NOS. Wprawdzie u rzodkiewnika wykryto gen, początkowo nazwany
AtNOS1, którego produkt wykazywał zdolność
prze-miany argininy do cytruliny, a mutanty z wyciszonym genem odznaczały się zmniejszoną produkcją NO w ko-rzeniach po stymulacji kwasem abscysynowym (ABA) (Crawford, 2006). Jednak kolejne próby powtórzenia eksperymentu, jak i znalezienia analogów białka u in-nych gatunków roślin nie powiodły się. Obecnie uważa się, że enzym AtNOS-1 nie jest enzymem typu NOS, wykazuje natomiast aktywność GTPazy i może jedynie pośrednio brać udział w syntezie NO lub jego akumu-lacji w roślinie. Jednocześnie, zmieniono jego nazwę na
AtNOA1, czyli białko A. thaliana powiązane z NO (ang. NO associated protein 1) (Crawford i wsp., 2006; Moreau
i wsp., 2008).
Identyfikacja NOS u glonów Ostreococcus tauri sta-nowi pierwszy przypadek potwierdzenia obecności NOS u organizmów fotosyntetyzujących (należących do kró-lestwa roślin) (Foresi i wsp., 2010). Białko NOS (OtNOS) u zielenic posiada 42% podobieństwa do ludzkiego biał-ka NOS, oraz 45–49% podobieństwa do NOS bezkrę-gowców. Dotychczasowy problem z odnalezieniem NOS w tkankach roślin wyższych, może świadczyć o tym, że w wyniku ewolucji utraciły one ten gen bądź różni się on znacznie od znanego u zwierząt genu kodującego białko odpowiadające za syntezę NO. Niezależnie od wieloletnich niepowodzeń identyfikacji białka/genu NOS u roślin wyższych, istnieją jednak niezaprzeczalne dowody na zależną od argininy produkcję NO u tych organizmów, potwierdzające aktywność tego enzymu/ kompleksu enzymatycznego.
Kolejna droga biosyntezy NO związana jest z ak-tywnością reduktazy azotanowej (NR). Ten enzym jest
głównie kojarzony z asymilacją azotanów (NO3-), ale
może prowadzić również do powstawania NO w reakcji zależnej od NAD(P)H, w której substratem są azotyny
(NO2-) (Mur i wsp., 2012). U rzodkiewnika
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
NR. Wyniki prac na mutantach, u których wyciszono te geny, wykazały, że do przekazania sygnału o zamknię-ciu bądź otwaro zamknię-ciu aparatów szparkowych wykorzysty-wany jest NO emitowykorzysty-wany w wyniku aktywności NIA1 (Bright i wsp., 2006).
Innym enzymem odpowiedzialnym za produkcję NO u roślin jest reduktaza azotyny-NO (ang. nitrite-NO
reductase; Ni-NOR), która wydaje się specyficzna dla
komórek korzeni (Stöhr i Stremlau, 2006). Potwierdzo-no również zdolPotwierdzo-ność chloroplastów i mitochondriów do wytwarzania NO, prawdopodobnie w łańcuchach
transportu elektronów, gdy NO2- funkcjonują jako
ak-ceptory elektronów (Igamberdiev i wsp., 2014).
Reduk-cję NO2- do NO obserwowano m.in. w mitochondriach
tytoniu (Planchet i wsp., 2006) i w chloroplastach soi (Jasid i wsp., 2006). Schemat możliwych dróg enzyma-tycznego wytwarzania NO u roślin został przedstawio-ny na ryc. 1.
Jakie mechanizmy odpowiadają za regulację
stężenia NO w komórkach roślin?
Stężenie NO w komórce podlega precyzyjnej re-gulacji. NO jest usuwany z określonych komórek lub przedziałów komórkowych, gdy jego zawartość jest zbyt duża, lub gdy dojdzie do przekazania sygnału. Do reak-cji chemicznych odpowiadających za zmiatanie NO na-leżą: (i) spontaniczna reakcja NO z tlenem
(w obecno-ści wody) w wyniku której powstają zarówno NO2- jak
i NO3-, a także (ii) reakcja z reaktywnymi formami tlenu
takimi jak (O2-•), prowadząca do wytworzenia ONOO–.
Kolejnym sposobem regulacji zawartości NO jest jego reakcja z niesymbiotycznymi hemoglobinami (nsHbs)
w obecności NAD(P)H, w wyniku której powstaje NO3-.
Jednak najciekawsza wydaje się reakcja ze zredukowaną formą glutationu (GSH) (Mur i wsp., 2012) (ryc. 2).
Ryc. 1. Główne drogi biosyntezy NO w komórkach roślin
Na schemacie zostały przedstawione podstawowe szlaki biosyntezy NO u roślin. Na fioletowo wyróżniono zależną od argininy produkcję NO katalizowaną przez enzym o aktywności NOS-podobnej, która jest charakterystyczna dla peroksysomów. Po prawej stronie wskazano drogi zlokalizowane w organellach (mitochondriach i chloroplastach) wykorzystujące łańcuchy transportu elektronów, w których substratem do wytwarzania NO jest NO2-. Reduktaza azotanowa (NR) występująca na terenie cytoplazmy katalizuje przede wszystkim reakcję redukcji NO 3
-do NO2-, ale w pewnych warunkach może odpowiadać za biosyntezę NO; wówczas jako substrat używany jest NO
2-. Enzym Ni-NOR
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
Glutation jest tripeptydem, który może występować u roślin nawet w bardzo wysokich stężeniach. Więk-szość cząsteczek glutationu w komórce występuje w for-mie zredukowanej, jednak reakcja redukcji/utleniania jest odwracalna, a tym samym występuje on również w formie utlenionej (GSSG). GSH jest ważnym przeciw-utleniaczem.
Jak wspomniano, NO reaguje z GSH w wyniku cze-go powstaje S-nitrozoglutation (GSNO), którecze-go
prze-kształcenie do GSSG oraz amoniaku (NH3) następuje
przy udziale reduktazy GSNO (GSNOR) (Letterier i wsp., 2011) (ryc. 2). GSNO działa jako swego rodzaju magazyn wewnątrzkomórkowego NO, może być trans-portowany między komórkami, a tym samym prawdo-podobnie odgrywa kluczową rolę w rozprzestrzenianiu się sygnału NO w całej roślinie (Corpas i wsp., 2013).
W jaki sposób NO wpływa na regulację
kluczowych procesów fizjologicznych u roślin?
NO jako cząsteczka sygnałowa odgrywa bardzo ważną rolę w regulacji procesów wzrostu i rozwoju, na różnych etapach cyklu życiowego roślin (Mur i wsp., 2012). Wykazano, że donory NO stymulują kiełkowanie nasion, jak również mają korzystny wpływ na przyrost świeżej masy roślin, wydłużanie hypokotylu np. siewek rzodkiewnika, jak również wydłużanie międzywęźli np. u ziemniaka (Solanum tuberosum L.). NO wpływa również na aktywację merystemu i różnicowanie pąków czy rozwój blaszki liściowej, zaangażowany jest w modu-lację programowanej śmierci komórki. Sugeruje się, że NO poprzez hamowanie syntezy etylenu, przyczynia się do opóźniania dojrzewania owoców (Mur i wsp., 2012). Informacje w języku polskim znajdzie zainteresowany czytelnik w pracach przeglądowych obejmujących ta-kie zagadnienia jak: biosynteza NO (Małolepsza, 2007), rola NO w kiełkowaniu nasion (Gniazdowska i Bogatek,
Ryc. 2. Mechanizmy regulacji stężenia NO w komórce roślinnej Wyróżniono reakcję NO z glu-tationem (GSH), w wyniku któ-rej powstaje nitrozoglutation (GSNO), który następnie przy udziale reduktazy GSNO może zostać zredukowany do utle-nionej formy glutationu (GSSG) i amoniaku (NH3) (według Mur i wsp., 2012 z modyfikacjami).
2007), NO i hemoglobiny roślinne (Gniazdowska i wsp., 2009), NO w odpowiedzi na stresy abiotyczne (Grzego-rzewska i wsp., 2009) oraz modyfikacje białek wywoły-wane przez NO (Szuba i Wojtaszek, 2010).
Regulacja procesów fizjologicznych w roślinach odbywa się poprzez interakcję NO z hormonami ro-ślinnymi. Stosunkowo wcześnie zwrócono uwagę na współdziałanie NO z kwasem abscysynowym (ABA).
Wykazano, że NO i nadtlenek wodoru (H2O2), których
synteza indukowana jest przez ABA, poprzez aktywa-cję kanałów wapniowych i inaktywaaktywa-cję kanałów pota-sowych zaangażowane są w regulację ruchów aparatów
szparkowych (Wilson i wsp., 2009; Hancock i wsp,. 2011). Istnieje powiązanie pomiędzy stymulacją kiełko-wania nasion przez NO oraz metabolizmem giberelin (Bethke i wsp., 2007) i biosyntezą etylenu (Gniazdow-ska i wsp., 2010). NO współdziała także z cytokininami np. w procesie regeneracji tkanek w kulturach in vitro, powodując zwiększenie wrażliwości na ten fitohormon i ekspresję genu kodującego cyklinę D uczestniczącą w regulacji cyklu komórkowego (Shen i wsp., 2012). Wskazuje się ponadto na interakcje NO nie tylko z hor-monami (giberelinami, etylenem, cytokininami lub ABA), lecz także z innymi molekułami sygnałowymi,
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
takimi jak H2O2, czy cyjanowodór (HCN), jak ma to
miejsce w przypadku ustępowania spoczynku nasion
(Krasuska i Gniazdowska, 2012; Dębskai wsp., 2013).
Nadal nie do końca wyjaśniona jest zależność pomię-dzy NO i poliaminami (ważnymi regulatorami wzrostu i rozwoju roślin), mimo że istnieją dowody na bezpo-średnie powiązanie metabolizmu poliamin z biosynte-zą NO (Krasuska i wsp., 2014). Inne, liczne przykłady interakcji NO z hormonami roślinnymi zostały ostat-nio omówione szczegółowo w pracach przeglądowych Freschi (2013) oraz Arc i wsp. (2013).
Dzięki szczególnym właściwościom chemicznym NO może reagować z białkami, które wówczas podle-gają nieodwracalnym lub odwracalnym (analogicznym do fosforylacji) modyfikacjom strukturalnym. NO może zatem wywoływać zmiany strukturalne, które tym samym prowadzą do zmiany aktywności biolo-gicznej lub funkcji białka. Najważniejsze modyfikacje potranskrypcyjne białek (PTM) wywoływane przez NO to S-nitrozylacja reszt cysteiny oraz nitracja reszt tyrozyny. Obie odgrywają bardzo ważną rolę w regula-cji podstawowych procesów biologicznych, gdyż doty-czą białek kluczowych w procesie fotosyntezy, ochronie przed stresem oksydacyjnym, reakcji obronnych roślin na patogeny. Ponadto, często podlegają im enzymy bio-rące udział w syntezie fitohormonów lub białka będące elementami szlaków transdukcji sygnałów uruchamia-nych przez hormony (Astier i wsp., 2012).
Zaobserwowano, że w przypadku ataku patogenów, wzrost emisji NO w komórkach jest skorelowany z ak-tywacją kaskady kinaz zależnych od mitogenu (MAPK) (Asai i wsp., 2008). W wielu przypadkach rolę kinazy nadrzędnej w stosunku do kaskady MAPK pełni kinaza zależna od jonów wapniowych (ang. Calcium Dependent
Protein Kinase – CDPK), stąd wydaje się
prawdopodob-ne, że sygnał Ca2+ jest konieczny do uruchomienia dróg
biosyntezy NO w sytuacji stresu biotycznego, np. ataku
Ryc. 3. Współdziałanie NO i auksyn w regulacji wzrostu korzenia i tworzenia architektury systemu korzeniowego Przedstawiono cztery najważniejsze procesy, w których wykazano współdziałanie auksyn i NO:
1. Wzrost korzeni przybyszowych, w którym zaangażowana jest również sygnalizacja wapniowa, kaskada kinaz MAP i cGMP.
2. Tworzenie korzeni bocznych, oraz tworzenie merystemu wierzchołkowego korzenia, a tym samym udział w podziałach i różnicowaniu komórek. 3. Wzrost włośników, do którego niezbędny jest wewnątrzkomórkowy gradient Ca2+, oraz uruchomienie kaskady kinaz MAP.
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
patogenu (Jeandroz i wsp., 2013). Z drugiej strony wciąż przybywa danych świadczących o wpływie NO na gene-rowanie tzw. sygnatury wapniowej (podpisu wapniowe-go) za pośrednictwem innych wtórnych przekaźników informacji, jakimi są np. cykliczne nukleotydy: cyklicz-ny guanozynomonofosforan (cGMP) i cykliczna ADP ryboza (cADPR) (Garcia-Mata i wsp., 2003). Powiązanie
między NO i Ca2+ sugeruje również model S-nitozylacji
białka –kalmoduliny (Jeandroz i wsp., 2013). Dodatko-wo, analiza transkryptomu rzodkiewnika pozwoliła na stworzenie listy genów, których ekspresja zmienia się pod wpływem donorów NO. Ponad 25 z tych genów
było związanych z sygnalizacją Ca2+ (Jeandroz i wsp.,
2013).
Czy współdziałanie NO-auksyna jest konieczne
do regulacji procesu wzrostu korzeni?
Auksyny należą do grupy klasycznych hormonów roślinnych, które odpowiadają za prawidłowy przebieg embriogenezy, podziałów komórkowych, ale przede wszystkim znane są z regulacji wzrostu wydłużenio-wego komórek, roli jaką pełnią w morfogenezie tka-nek i całych organów, dominacji wierzchołkowej oraz reakcjach tropowych (wzrostowych odpowiedziach roślin na kierunkowe bodźce). Wnikliwa analiza bio-chemicznych mechanizmów wymienionych procesów fizjologicznych wskazuje na synergistyczne działanie auksyn i NO. Zwiększona produkcja NO jest często ob-serwowana po zastosowaniu egzogennej auksyny lub u mutantów charakteryzujących się nadprodukcją au-ksyn. Zależność ta jest szczególnie wyraźna w tkankach korzeni. Szczegółowe badania dotyczące interakcji po-między auksynami i NO w procesach wzrostu i rozwoju korzeni były podejmowane w ciągu ostatnich lat przez zespół prof. Lorenzo Lamattiny (Argentyna) i dotyczy-ły tworzenia korzeni przybyszowych, korzeni bocznych,
inicjacji i rozwoju włośników (Pagnussat i wsp., 2002, 2003, 2004). Wykazano, że zastosowanie zmiataczy NO (np. tlenku 2-(4-karboksyfenyl)-4,4,5,5-tetrametyli-midazolin-1-oksylu (cPTIO)) znacznie ograniczało lub opóźniało prawidłowy przebieg reakcji zależnych od auksyn. Natomiast zastosowanie donorów NO, takich jak: nitroprusydek sodu (SNP) lub S-nitrozo, N-acetylo- penicyloaminy (SNAP), stymulowało wzrost korzeni, a nawet tworzenie korzeni na eksplantatach, którym usunięto system korzeniowy (Pagnussat i wsp., 2002). Jest to typowa reakcja obserwowana po podaniu kwa-su indolilo-3-octowego (IAA), jednej z podstawowych auksyn. Co więcej, donory NO, podobnie jak auksyny, indukowały różnicowanie komórek epidermy korzenia, a tym samym formowanie i wydłużanie włośników, oraz rozpoczynały podział komórek prowadzący do inicjacji korzeni bocznych (Lombardo i wsp., 2006). U ogórka (Cucumis sativus L.) wykazano, że zarówno NO, jak i cGMP pośredniczą w odpowiedzi na IAA podczas wy-twarzania korzeni bocznych oraz biorą udział w reakcji geotropowej (Hu i wsp., 2005). W konsekwencji, można przyjąć, że NO aktywuje co najmniej dwie różne ścież-ki sygnałowe: zależną od cGMP i niezależną od cGMP, obejmującą szlak sygnalny kinaz MAP. Aktywacja oby-dwu ścieżek wydaje się konieczna do rozwoju nowych korzeni, ponieważ blokada jednej z nich hamuje rozwój korzeni bocznych (Pagnussat i wsp., 2004). Podsumo-wanie współdziałania NO i auksyn w regulacji wzrostu korzenia i tworzenia architektury systemu korzeniowe-go przedstawiono na ryc. 3.
Oprócz wpływu auksyn na produkcję i zawartość
NO, wykazano także, że ta gazowa cząsteczka może
modyfikować metabolizm auksyn, ich transport i trans-dukcję sygnału. NO zwiększał stężenie IAA w siewkach lucerny (Medicago truncatula Gaertn.) traktowanych kadmem poprzez hamowanie aktywności oksydazy IAA, enzymu odpowiadającego za degradację hormonu
(Xu i wsp., 2010). Ponadto, u mutantów rzodkiewnika z nadprodukcją NO stwierdzono, że jego wysokie stęże-nie hamuje transport auksyn w korzeniach. Przyczyną tego zjawiska jest wspomniana wcześniej PTM białka PIN1, jednego z transporterów auksyny. S-nitrozylacja PIN1 powodowała kierowanie go na drogę proteolizy. Zaburzenie transportu auksyn prowadziło do zakłóce-nia podziałów komórkowych i różnicowazakłóce-nia komórek,
a tym samym zmniejszenia rozmiarów i aktywności
merystemu wierzchołkowego korzenia (Mur i wsp., 2012). Wykazano również bezpośredni wpływ NO na transdukcję sygnału auksynowego. NO powodował
S-nitrozylację dwóch reszt cysteiny (Cys-140 i Cys-480)
jądrowego białka receptorowego TIR1 (ang. transport inhibitor response 1) (Terrile i wsp., 2012). Modyfika-cja receptora powodowała wzmożoną degradację białka Aux/IAA będącego represorem genów odpowiedzi na auksynę, prowadząc tym samym do wzrostu ich ekspre-sji. Podsumowując można stwierdzić, że istnieje bardzo wyraźne powiązanie pomiędzy NO i auksyną, zazna-czające się szczególnie w tkankach korzeni, które ce-chuje wysoka wrażliwość na ten hormon. Oddziaływa-nie NO na wzrost korzeni związane jest z jednej strony z PTM białek uczestniczących w transporcie auksyny i szlaku transdukcji sygnału auksynowego, a z drugiej strony z regulacją przez NO aktywności enzymów od-powiadających za degradację hormonu. Ważną rolę w regulacji wzrostu korzeni odgrywają także oddziały-wania NO – ROS, które jednak nie będą podejmowane w niniejszej pracy.
Jakie są perspektywy badań nad rolą NO
w organizmach roślinnych?
Ostatnie pięć lat to okres, w którym znacznie wzro-sła liczba opublikowanych prac dotyczących mechani-zmów działania NO w organizmach roślinnych, a także
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
reakcji odpowiadających za utrzymanie komórkowej homeostazy NO. Pomimo szeroko zakrojonych badań prowadzonych w wielu ośrodkach na całym świecie, na-dal wiele pytań o NO pozostaje bez odpowiedzi. Przede wszystkim, wciąż niepełne są dane dotyczące szlaków biosyntezy NO, szczególnie na drodze oksydacyjnej, gdy substrat reakcji stanowi arginina. Intensywnie ba-dane są mechanizmy regulacji stężenia i transportu NO w roślinach, ale nadal niekompletne doniesienia na ten temat stanowią istotną przeszkodę na drodze wyjaś-nienia, w jaki sposób zachodzi czasowa i przestrzenna kontrola zawartości tej cząsteczki sygnałowej. Kontro-wersje budzi też subkomórkowa lokalizacja NO, gdyż wciąż poddawane są w wątpliwość stosowane metody badawcze. Dodatkową trudność w badaniach nad NO stanowi jego równoczesne występowanie w poszczegól-nych kompartymentach komórkowych wraz z reaktyw-nymi formami tlenu.
Innym intrygującym zadaniem, które stawiają przed sobą członkowie elitarnego „Plant NO” Klubu, zrzesza-jącego naukowców z całego globu, jest próba znalezienia odpowiedzi na pytanie o to, jak rośliny odróżniają syg-nał endogennego NO od NO obecnego w środowisku (np. atmosferze, ryzosferze). Należy też podkreślić fakt, że nie został wyjaśniony mechanizm percepcji sygnału NO ani jego transdukcji. Znamy obecnie tylko niektóre z ewentualnych mechanizmów przekazywania sygnału, które mogą być specyficzne dla określonego typu komó-rek, jak np. komórki szparkowe lub określonej reakcji np. na patogen. Brak identyfikacji specyficznego recep-tora NO oraz łatwość powstawania PTM białek w obec-ności NO sprawia, że S-nitrozylacja i nitracja mogą być postrzegane jako kluczowe podczas generowania w ro-ślinach odpowiedzi na NO lub reakcji na czynniki wy-wołujące zmiany zawartości NO w komórkach.
Literatura
Arc E, Galland M, Godin B, Cueff G, Raijou L (2013). Nitric oxide im-plication in the control of seed dormancy and germination. Front
Plant Sci. 4:346.
Asai S, Kohji Ohta K, Yoshioka H (2008). MAPK signaling regulates nitric oxide and NADPH oxidase-dependent oxidative bursts in
Nicotiana benthamiana. Plant Cell. 20:1390–1406.
Astier J, Kulik A, Koen E, Besson-Bard A, Bourque S, Jeandroz S (2012). Protein S-nitrosylation: what’s going on in plants? Free
Radic Biol Med. 53:1101–1110.
Baudouin E, Hancock J (2014). Nitric oxide signaling in plants. Front
Plant Sci. doi: 10.3389/fpls.2013.00553.
Bethke PC, Libourel IGI, Aoyama N, Chung Y-Y, Still DW, Jones RL (2007). The Arabidopsis aleurone layer responds to nitric oxide, gibberellin, and abscisic acid and is sufficient and necessary for seed dormancy. Plant Physiol. 143:1174-1188.
Bright J, Desikan R, Hancock JT, Weir IS, Neill SJ (2006). ABA-induced NO generation and stomatal closure in Arabidopsis are dependent on H2O2 synthesis. Plant J. 45:113–122.
Corpas FJ, Alché JDD, Barroso JB (2013). Current over view of S-ni-trosoglutathione (GSNO) in higher plants. Front Plant Sci. 4:126. Crawford NM (2006). Mechanisms for nitric oxide synthesis in
plants. J Exp Bot. 57:471–478.
Crawford NM, Galli M, Tischner R, Heimer YM, Okamoto M, Mack A (2006). Response to Zemojtel et al.: Plant nitric oxide synthase: back to square one. Trends Plant Sci. 11:526–527.
Dębska K, Krasuska U, Budnicka K, Bogatek R, Gniazdowska A (2013). Dormancy removal of apple seeds by cold stratification is associated with fluctuation in H2O2, NO production and protein
carbonylation level. J Plant Physiol. 170:480-488.
del Rio LA (2011). Peroxisomes as a cellular source of reactive ni-trogen species signal molecules. Arch Biochem Biophys. 506:1–11. Delledonne M, Xia Y, Dixon RA, Lamb C (1998). Nitric oxide func-tions as a signal in plant disease resistance. Nature. 394:585-588. Dürner J, Wendehenne D, Klessig DF (1998). Defense gene induction
in tabacco by nitric oxide, cyclic GMP, and cyclic ADP-ribose.
Proc Natl Acad Sci USA. 95:10328-10333.
Foresi N, Correa-Aragunde N, Parisi G, Caló G, Salerno G, Lamat-tina L (2010). Characterization of a nitric oxide synthase from the plant kingdom: NO generation from the green alga Ostreococcus
tauri is light irradiance and growth phase dependent. Plant Cell.
22:3816–3830.
Forstermann U, Sessa WC (2012). Nitric oxide synthases: regulation and function. Eur Heart J. 33:829-837.
Freschi L (2013) Nitric oxide and phytohormone interactions:
cur-rent status and perspectives. Front Plant Sci. 4:398.
Garcia-Mata C, Gay R, Sokolovski S, Hills A, Lamattina L, Blatt MR (2003) Nitric oxide regulates K+ and Cl
2 channels in guard cells
through a subset of abscisic acid-evoked signaling pathways. Proc
Natl Acad Sci USA. 100:11116–11121.
Gniazdowska A, Bogatek R (2007). Regulacyjna rola tlenku azotu w kiełkowaniu nasion. Post Biol Kom. 34:431-443.
Gniazdowska A, Krasuska U, Bogatek R (2010). Dormancy removal in apple embryos by nitric oxide or cyanide involves modifica-tions in ethylene biosynthetic pathway. Planta. 232:1397-1407. Gniazdowska A, Krasuska U, Czajkowska K, Wierzbicki M,
Boga-tek R (2009). Tlenek azotu i hemoglobiny roślinne. Post Biol Kom. 36:233-250.
Grzegorzewska W, Jaworski K, Szmidt-Jaworska A (2009). Rola tlen-ku azotu w odpowiedzi roślin na stres abiotyczny Post Biol Kom. 36:233-250.
Hancock JT, Neill SJ, Wilson ID (2011). Nitric oxide and ABA in the control of plant function. Plant Sci. 181:555–559.
Hu X, Neill SJ, Tang Z, Cai W (2005). Nitric oxide mediates gravit-ropic bending in soybean roots. Plant Physiol. 137:663-670. Igamberdiev AU, Ratcliffe RG, Gupta KJ (2014). Plant mitochondria:
Source and target for nitric oxide. Mitochondrion. doi: 10.1016/j. mito.2014.02.003.
Jansson EA, Huang L, Malkey R, Govoni M, Nihlen C, Olsson A, Stensdotter M, Peterson J, Holm L, Weitzberg E, Lundberg JO (2008). A mammalian functional nitrate reductase that regulates nitrate and nitric oxide homeostasis. Nat Chem Biol. 4:411-1255. Jasid S, Simontacchi M, Bartoli CG, Puntarulo S (2006). Chloroplasts
as a nitric oxide cellular source. Effect of reactive nitrogen spieces on chloroplastic lipids and proteins. Plant Physiol. 142:1246-1255. Jeandroz S, Lamotte O, Astier J, Rasul S, Trapet P, Besson-Bard A,
Bourque S, Nicolas-Francès V, Ma W, Berkowitz GA, Wende-henne D (2013). There’s more to the picture than meets the eye: Nitric oxide cross talk with Ca2+ signaling. Plant Physiol.
163:459-470.
Krasuska U, Gniazdowska A (2012). Nitric oxide and hydrogen cya-nide as regulating factors of enzymatic antioxidant system in ger-minating apple embryos. Acta Physiol Plant. 34:683–692. Krasuska U, Ciacka K, Bogatek R, Gniazdowska A (2014).
Poly-amines and nitric oxide link in regulation of dormancy removal and germination of apple (Malus domestica Borkh.) embryos. J Plant Growth Reg. doi:10.1007/s00344-013-9408-7.
Leterrier M, Chaki M, Airaki M, Valderrama R, Palma JM, Barroso JB, Corpas FJ (2011). Function of S-nitrosoglutathione reductase (GSNOR) in plant development and under biotic/abiotic stress.
NA
UK
A
KR
Ó
TK
O
SZK
OŁA
Lombardo MC, Graziano M, Polacco JC, Lamattina L (2006). Nitric oxide functions as a positive regulator of root hair development.
Plant Signal Behav. 1:28-33.
Maier J, Hecker R, Rockel P, Ninnemann H (2001). Role of nitric ox-ide synthase in the light-induced development of sporangiophores in Phycomyces blakesleeanus. Plant Physiol. 126:1323-30.
Małolepsza U (2007). Biosynteza NO w komórkach roślinnych. Post
Biochem 53:263-271
Moreau M, Lee GI, Wang Y, Crane BR, Klessig DF (2008). AtNOS/ AtNOA1 is a functional Arabidopsis thaliana cGTPase and not a nitric-oxide synthase. J Biol Chem. 283:32957–32967.
Mur LAJ, Mandon J, Persijn S, Cristescu SM, Moshkov IE, Novikova GV (2012). Nitric oxide in plants: an assessment of the current state of knowledge. AoB Plants. 5:052.
Pagnussat GC, Lanteri ML, Lombardo MC, Lamattina L (2004). Ni-tric oxide mediates the indole acetic acid induction activation of a mitogen-activated protein kinase cascade involved in adventi-tious root development. Plant Physiol. 135:279 –286.
Pagnussat GC, Puntarulo S, Lamattina L, Simontacchi M (2002). Nitric oxide is required for root organogenesis. Plant Physiol. 129:954-956.
Pagnussat GC, Lanteri ML, Lamattina L (2003). Nitric oxide and cy-clic GMP are messengers in the indole acetic acid-induced adven-titious rooting process. Plant Physiol. 132:1241-1248.
Planchet E, Kaiser WM (2006). Nitric oxide (NO) detection by DAF fluorescence and chemiluminescence: a comparison using abiotic and biotic NO sources. J Exp Bot. 57:3043–3055.
Pomorska K, Duda A (2004). Wpływ motoryzacji na poziom zanie-czyszczeń gazowych powietrza. Chemia i Inżynieria Ekologiczna 11:545–555.
Shen Q, Wang Y-T, Tian H, Guo F-Q (2012). Nitric oxide mediates cy-tokinin functions in cell proliferation and meristem maintenance
in Arabidopsis. Mol Plant. 6:1214-1225.
Sowa-Lewandowska K (2013). Toksyczność tlenków azotu, a bezpie-czeństwo pracy. Artykuł dostępny na http://laboratoria.net/arty-kul/12580.html
Stöhr C, Stremlau S (2006). Formation and possible roles of nitric oxide in plant roots. J Exp Bot. 57:463–470.
Szuba A, Wojtaszek P (2010). Modyfikacje strukturalne białek wy-wołane przez tlenek azotu. Post Biochem. 56: 107-114.
Terrile MC, Paris R, Calderon-Villalobos LIA, Iglesias MJ, Lamat-tina L, Estelle M, Casalongue CA (2012). Nitric oxide influenc-es auxin signaling through S-nitrosylation of the Arabidopsis TRANSPORT INHIBITOR RESPONSE 1 auxin receptor. Plant J. 70:492–500.
Wendehenne D, Durner J, Klessing DF (2004). Nitric oxide: a new player in plant sygnaling and defence responses. Curr Opin Plant
Biol. 7:449-455.
Wilson ID, Ribeiro DM, Bright J, Confraria A, Harrison J,Barros RS, Desikan R, Neill SJ, Hancock JT (2009). Role of nitric oxide in regulating stomatal apertures Plant Signal Behav. 4:467–469. Wimalasekera R, Tebartz F, Scherer GF (2011). Polyamines,
poly-amine oxidases and nitric oxide in development, abiotic and bi-otic stresses. Plant Sci. 181:593-603.
Xu J, Wang W, Yin H, Liu X, Sun H, Mi Q (2010). Exogenous nitric oxide improves antioxidative capacity and reduces auxin degra-dation in roots of Medicago truncatula seedlings under cadmium stress. Plant Soil. 326: 321-330.
Yu M, Lamattina L, Spoel SH, Loake GJ (2014). Nitric oxide func-tion in plant biology: a redox cue in deconvolufunc-tion. New Phytol. doi:10.1111/nph.12739.
Nitric oxide – fundamental questions and answers on the role of the molecule in the regulation of growth and deve-lopment of plants
Olga Andrzejczak, Agnieszka Gniazdowska
Nitric oxide (NO) is a small gaseous molecule, occurring in the atmosphere as a product of human industrial activ-ity. In the past, NO was considered mainly as a toxin. In last century there is an increasing amount of data point-ing on regulatory role of NO in physiological processes occurring in animals and plants. Although, investigations on NO action in plant cells are carried on in many labora-tories all over the world, there are still basic questions to be answered referring to: intracellular NO biosynthesis, perception and signal transduction. Interaction of NO with classical phytohormones and plant growth regula-tors are of main interest of plant physiologists. The paper presents recent news on NO metabolism in plants, and summarizes the role of NO as a signaling molecule in-volved in regulation of root growth.
Key words: nitric oxide, phytohormones, reactive nitrogen
spe-cies, root growth, signaling molecule
Artykuł pomocny przy realizacji wymagań podstawy programowej
Biologia – IV etap edukacyjny, zakres rozszerzony:
Cele kształcenia:
I Poznanie świata organizmów na różnych poziomach organizacji życia
V. Rozumowanie i argumentacja. Treści nauczania:
9. Rośliny – reakcja na bodźce. Uczeń:
2) przedstawia rolę hormonów roślinnych w funkcjonowaniu rośliny, w tym w reakcjach tropicznych.
Uwaga: artykuł rozszerza wymagania podstawy dotyczące fitohor-monów w zakresie wiedzy o cząsteczkach sygnałowych w roślinie. Do artykułu Autorki stworzyły fiszki do nauki,
dostępne pod adresem
http://fiszkoteka.pl/zestaw/141694-tlenek-azotu-podstawowe-pytania-i-odpowiedzi
