Wykł.7 Hormony 1(ABA) 2014

(Fito)hormony i przewodzenie

Czym są fitohormony?

“...działają, jako chemiczne przekaźniki, dzięki którym

aktywności jednych organów koordynowane są z

aktywnościami innych”.

-

Frits Went and Kenneth Thimann, 1937

Frits Went, 1903-1990 _{Kenneth Thimann, 1904-1997}

Czy termin ‘hormon’, w odniesieniu do substancji roślinnych, jest

uzasadniony?

Hormony roślinne

• Tylko małe cząsteczki

• Produkowane w całej roślinie • Działają głównie na cele lokalne

(sąsiadujące komórki i tkanki)

• Efekty danego hormonu różnią się w zależności od interakcji z innymi hormonami

• Brak centralnej regulacji Roślinne regulatory wzrostu?

Hormony zwierzęce

• Peptydy/białka oraz małe cząsteczki • Produkowane w wyspecjalizowanych

‘gruczołach’

• Działają głównie na cele odległe • Efekty danego hormonu silnie

specyficzne

• Regulowane przez centralny system nerwowy

Hormony roślinne - 1

• Związki organiczne o niewielkiej masie cząsteczkowej, które

wpływają na odpowiedź fizjologiczną na bodźce środowiskowe,

działają w niewielkich stężeniach (

zwykle poniżej 10

-7

M

). Nie są

bezpośrednio zaangażowane w procesy metaboliczne i rozwojowe,

ale wpływają na ich przebieg i kierunek.

Hormony roślinne - 2

Regulują lub integrują wiele procesów komórkowych, w tym:

podziały komórkowe,

wzrost komórek na objętość,

różnicowanie komórek.

oraz

fizjologicznych, w tym:

Kwitnienie,

Dojrzewanie owoców,

Ruch (tropizmy), Spoczynek nasion,

Kiełkowanie nasion,

Starzenie się,

Opadanie liści,

Przewodzenie szparkowe.

Ich efekt zależy od obszaru działania, stadium wzrostu rośliny i stężenia hormonu.

Sygnały hormonalne są wzmacniane poprzez ekspresje genów, aktywność enzymów lub właściwości błon.

Hormony roślinne - 3

• Hormony roślinne są stosowane na dużą skalę w rolnictwie,

ogrodnictwie i biotechnologii, do modyfikowania wzrostu i rozwoju

roślin.

Klasyfikacja hormonów roślinnych

Główne klasy hormonów roślinnych

• Auksyny • Cytokininy • Gibereliny

• Kwas abscysynowy (ABA) • Etylen

Substancje ‘hormono-podobne’ produkowane przez rośliny

• Poliaminy • Kwas jasmonowy • Kwas salicylowy • Brassinosteroidy • Florigeny • Fitochrom (fotoreceptor) • Tlenek azotu

Fitohormony – dawniej i dziś

Auxin

Cytokinin _{Gibberellic Acid}

Abscisic Acid Ethylene Brassinosteroid _Salicylic Acid Jasmonic Acid Strigolactone

Adapted with permission from RIKEN

Jakość nasion

Tolerancja na stresy

Spoczynek Kiełkowanie Odpowiedź na stresy biotyczne

Otwieranie aparatów szpark. Ekspresja genów

Rozwój Kwas abscysynowy

Kwas abscysynowy (ABA) kontroluje liczne

procesy w roślinach, w tym odpowiedź na stresy, rozwój i reprodukcję

Biosynteza, homeostaza i

transport

Image courtesy of Michigan State University-Department of Energy Plant Research Lab; Zeevaart, J.A.D. (1980). Changes in the levels of abscisic acid and its metabolites in excised leaf blades of Xanthium strumarium during and after water stress. Plant Physiol. 66: 672-678.

Jan Zeevaart (1930-2009) przyczynił się w największym stopniu do

zrozumienia biosyntezy i homeostazy ABA Poziom ABA rośnie podczas stresu, ale spada gdy stres ustaje

ABA jest syntetyzowany w plastydach i

cytoplazmie z barwnika roslinnego

zeaksantyny

Reprinted from Nambara, E., and Marion-Pol, A. (2003) ABA action and interactions in seeds. Trends Plant Sci. 8: 213-217 with permission from Elsevier.

ABA2 Zeaksantyna ABA Zeaksantyna występuje obficie w tkankach zielonych, ale może być

czynnikiem

ograniczającym syntezę ABA w korzeniach

9-cis-expoxycarotenoids

Akumulacja i homeostaza ABA podlegają

ścisłej kontroli

[ABA]

ksantoina

Stres suszy (brak wody) Sygnały rozwojowe Nawodnienie Sygnały rozwojowe NCED Zeaksantyna NCED (9-cis-dioksygenaza epoksykarotenoidu) ekspresja ściśle skorelowana z

szybkością syntezy ABA NCED (9-cis-dioksygenaza epoksykarotenoidu) ekspresja ściśle skorelowana z

szybkością syntezy ABA

odwracalna inaktywacja

Odwracalna inaktywacja

Dobrze nawodnione rośliny z otwartymi aparatami szparkowymi i wysoka szybkością transpiracji Rośliny w stresie suszy z zamkniętymi aparatami szparkowymi i niska szybkością transpiracji Przemieszczanie się ABA może być

zaangażowane w sygnalizację

korzeń-pęd fr Przemieszczanie się ABA może być

zaangażowane w sygnalizację

korzeń-pęd fr

Przemieszczanie ABA z korzeni może wspomagać

regulację otwarcia aparatów szparkowych

Biosynteza, transport i homeostaza ABA -

podsumowanie

•Synteza ABA wzrasta w stresie suszy i

podczas dojrzewania nasion

•W wiekszości, choc nie we wszystkich

tkankach, NCED jest czynnikiem

limitującym syntezą ABA

•ABA może być degradowany do kwasu

fazeinowego lub odwracalnie koniugowany

w postać ABA-GE

•ABA może być transportowany w roślinie, z

korzeni do pędu i z tkanek naczyniowych do

aparatów szparkowych (

?

)

Recepcja i sygnalizacja

PYR1 Phosphatase Kinaza TF P P

Odpowiedzi na ABA

Receprtory PYR/RCAR Fosfatazy białkowe PP2C (w tym ABI1)

Kinazy białkowe (w tym typu SnRK2 i CDPK)

Receptory PYR/RCAR są potrzebne do

odpowiedzi na ABA

Mutanty niewrażliwe na pyrobactin są niewrażliwe na ABA, i kiełkują na pożywce zawierającej ABA

From Park, S.-Y., et al., and Cutler, S.R. (2009). Abscisic acid inhibits type 2C protein phosphatases via the PYR/PYL family of START proteins. Science 324: 1068-1071 reprinted with permission from AAAS.

Rośliny dzikie nie kiełkują na pożywce

zawierającej ABA

Niewrażliwy na ABA mutant abi1 kiełkuje

na pożywce zawierającej ABA

Receptory PYR/RCAR wiążą ABA w kompleksie z

ABI1 lub innymi białkami PP2C

PYR1

Bez ABA

PYR1

ABA

PP2C

Reprinted from Raghavendra, A.S., Gonugunta, V.K., Christmann, A., and Grill, E. (2010) ABA perception and signalling. Trends Plant Sci. 15: 395-401 with permission from Elsevier.

PP2Cs zakłóca działanie kinaz

białkowych SnRK2

W nieobecności

ABA, aktywność

kinazy białkowej

SnRK2 jest

hamowana przez

fosfatazy białkowe

PP2C

P PYR1 SnRK2

ABI1

Brak

odpowiedzi na

ABA

Bez ABA

Wiązanie ABA / PYR1 sekwestruje PP2C i

umożliwia aktywność SnRK2

PYR1 PP2C (ABI1) P SnRK2 TF P P P Kanały jonowe

PYR1, ABA i PP2C tworzą

kompleks, który inaktywuje

PP2C

To pozwala na aktywacje

SnRK2. Substratami fosforylacji

przez SnRK2s są kanały

jonowe i czynniki

transkrypcyjne

Odpowiedzi na ABA

SnRK2

SnRK2 są kinazami białkowymi, które promują

odpowiedzi na ABA

Hrabak, E.M., Chan, C.W.M., Gribskov, M., Harper, J.F., Choi, J.H., Halford, N., Kudla, J., Luan, S., Nimmo, H.G., Sussman, M.R., Thomas, M., Walker-Simmons, K., Zhu, J.-K., and Harmon, A.C. (2003). The Arabidopsis CDPK-SnRK superfamily of protein kinases. Plant Physiol. 132: 666-680.

P SnRK2 TF P P P Ion channel

Odpowiedzi na ABA

Nadrodzina kinaz białkowych CPDK-SnRK Podrodzina SnRK2

Sygnalizacja ABA przyczyniła się do ewolucji tolerancji

na suszę u roślin lądowych

Reprinted from Umezawa, T., Nakashima, K., Miyakawa, T., Kuromori, T., Tanokura, M., Shinozaki, K., and Yamaguchi-Shinozaki, K. (2010). Molecular basis of the core regulatory network in ABA responses: Sensing, signaling and transport. Plant Cell Physiol. 51: 1821-1839 with permission from the Japanese Society of Plant Physiologists.

Głównymi celami kinaz CDPK i SnRK2 sa czynniki

transkrypcyjne (TF)

Część TF zidentyfikowano biochemicznie Część TF zidentyfikowano genetycznie PYR1 PP2C P SnRK2 TF P

ABA

Odpowiedzi na ABA

SnRK2 CDPK CDPK sa kinazami białkowymi zależnymi do cyklin

Cele transkrypcyjne

Geny specyficzne dla nasion Geny odpowiedzialne za sygnalizację Geny metabolizmu ABA

Geny indukowane stresem i suszą

Głównym wynikiem

sygnalizacji ABA są zmiany w profilu transkrypcyjnym. Wiele z pośród genów, których

transkrypcja jest indukowana ma funkcje w osmoprotekcji.

Sygnalizacja ABA - przegląd

PYR1 Phosphatase Kinase TF P P

Odpowiedzi na ABA

Receptory PYR/RCAR Fosfatazy PP2C (łącznie z ABI1)

Kinazy białkowe (w tym z grup SnRK2 i CDPK) ABA TF P P Kanały jonowe

Funkcje ABA w procesach w całej

roślinie

•Odpowiedzi komórek szparkowych •Wzrost korzenia •Odpowiedzi wegetatywne na susze i osmoprotektanty •Rozwój nasion

•Odpowiedzi na stresy biotyczne •Rośliny tolerujace suszę

•Odpowiedzi komórek szparkowych •Wzrost korzenia •Odpowiedzi wegetatywne na susze i osmoprotektanty •Rozwój nasion

•Odpowiedzi na stresy biotyczne •Rośliny tolerujace suszę

Komórki szparkowe są bramami wpuszczającymi

CO

₂

i wypuszczającymi H

₂

O

Sirichandra, C., Wasilewska, A., Vlad, F., Valon, C., and Leung, J. (2009a). The guard cell as a single-cell model towards understanding drought tolerance and abscisic acid action. J. Exp. Bot. 60: 1439-1463. by permission of Oxford University Press.

C

ABA reguluje turgor komórek szparkowych za

pomocą złożonych sygnałów

Wewnętrzna ściana A -A -A- A -K+ _K+ K+ K +

ABA

A -K+ Ca2+ H₂O₂ SnRK2 CDPK

Turgor komórek szparkowych jest regulowany przez złożoną sieć oddziałujących z sobą wtórnych przekaźników, pH, potencjału błonowego, fosforylacji białek,

kanałów jonowych – i wielu innych elementów!!

PP2C NO

Susza i ABA promują wzrost korzenia kosztem wzrostu

pędu

Sharp, R.E., Silk, W.K., and Hsiao, T.C. (1988). Growth of the maize primary root at low water potentials : I. Spatial distribution of expansive growth. Plant Physiol. 87: 50-57.

Rośliny tolerujące wysychanie ujawniają ważne

mechanizmy komórkowe

Liu, M.-S., Chien, C.-T., and Lin, T.-P. (2008). Constitutive Components and Induced Gene Expression are Involved in the Desiccation Tolerance of Selaginella tamariscina. Plant and Cell Physiology 49: 653-663, by permission of the Japanese Society of Plant Physiologists; Bohnert, H.J. (2000). What makes desiccation tolerable? Genome Biology, published by BioMed Central.

Selaginella tamariscina Podlewana kontrola Niepodlewane 5 dni Craterostigma plantagineum (Zmartwychwst anka)

Niektóre rośliny, jak widliczka łuskowata lub ‚resurection plant’,

przeżywają przy utracie 90% wody

ABA kontroluje dojrzewanie nasion, spoczynek, i

tolerancję na wysychanie

Rozwój embrionalny Akumulacja rezerw Tolerancja na wysychanie Mobilizacja rezerw Ekspansja komórek ABA GA Spoczynek nasion i tolerancja na wysychanie sa skorelowane z wysokim poziomem syntezy i akumulacji ABA Kiełkowanie obejmuje katabolizm ABA i syntezą GA

Próbuje się wielu podejść, aby uzyskać rośliny tolerujące suszę

•Modyfikacje syntezy ABA i jego inaktywacja w celu obniżenia transpiracji

•Zmniejszenie wrażliwości komórek szparkowych na ABA w celu obniżenia transpiracji

•Zwiększenie wzrostu korzenia w celu lepszego pobierania wody

•Indukowana suszą ekspresja genów promujących tolerancje na brak wody

ABA - podsumowanie

Hormon ABA i jego szlak

sygnalizacyjny odegrały kluczowa role w ewolucji roślin lądowych

ABA bierze udział w odpowiedziach

fizjologicznych, rozwojowych i obronnych w całej roślinie

Badania nad ABA są bardzo ważne dla konstrukcji roślin odpornych na stresy środowiskowe

Linker histones are abundant component of

chromatin

• formation of higher-order

chromatin structure

• evolutionary conserved

• multiple variant forms

Subtypes of linker histones

(Fan et al., 2005; Wierzbicki et al., 2005)

triple h1 mutant is lethal

Subtypes of linker histones

(Fan et al., 2005; Wierzbicki et al., 2005)

triple h1 mutant is lethal

WT

h1 triple RNAi

Plants posses stress-iducible H1

Jerzmanowski et al., Plant Biol. 2000

DICOTS MONOCOTS STRESS- STRESS- INDUCIBLE INDUCIBLE HMG I/Y - TYPE GREEN ALGAE

GH1

Globular domain

N-tail C-tail

Long Exceptionally long

The structure of canonical H1s is similar in all

living organisms

H1.3 has shorter N- and C-tails

GH1

Globular domain

N-tail C-tail

Long Exceptionally long

(S/T)PX K

What is the role of

this

stress-inducible H1.3

variant?

Drought/low light

h1.3

h1.3

h1.3

h1.3

WT

WT

WT

WT

control

Drought/low light

h1.3

h1.3

h1.3

h1.3

WT

WT

WT

WT

R e a lti ve H 1 .3 m R N A le ve l

H1.3 is …

•...a representative of group of

linker histones specific for

plants

•... synergisticly induced by

combined stress

•…involved in plant adaptation

to low light/drought stress

Summary

wt h1.

Prebleach Bleach 0.2s 5s 33.7s 133.7s 302.6s

H1.2 binds nucleosomes with the highest affinity and

exchanges most slowly

H1.3 binds nucleosome with the lowest affinity and

exchanges most rapidly

H1. 3 H1. 1 H1. 2 H2B H1. 3 H1. 1 H1. 2

• Mechanisms by which environmental conditions are communicated

to the genome and affect transcription, enabling adaptive responses,

are poorly understood.

• We assessed the developmental, physiological and molecular role of

the ‘stress inducible’ linker histone H1.3 in the adaptation of

Arabidopsis thaliana to combined light limitation and drought.

• Here we present evidence that H1.3, a member of a subfamily of

plant H1 histones conserved in angiosperms but absent in mosses,

ferns and gymnosperms, plays a key role in the Arabidopsis

response to complex abiotic stresses.

• H1.3 appears to act as a hormone-dependent pioneer transcription

factor capable of recognizing genes with positioned nucleosomes at

promoter regions enriched in epigenetic memory marks associated

with active or potentially active cis-regulatory elements and enabling

epigenetic and transcriptomic states by competing with the main H1

variants.

• The structural and cis-regulatory subfunctionalization that led to the

evolution of ‘stress-inducible’ H1 variants may have helped to

promote the rapid radiation of angiosperm plants on Earth.

Acknowledgments

Laboratory of Plant Molecular Biology, University of Warsaw & IBB PAN

Marcin Puzio Joanna Halibart-Puzio Maciej Kotliński Maciej Lirski Magdalena Kroteń Rafał Archacki Bartek Lange Marta Koblowska Roksana Iwanicka Szymon Świeżewski Antoni Palusiński Andrzej Jerzmanowski Department of Mathematics and Informatics, University of Warsaw Bartek Wilczyński Jerzy Tiuryn Center of Mathematical Modeling, University of Warsaw Łukasz Kniżewski Krzysztof Ginalski University of Agriculture in Cracow Janusz Kościelniak Katarzyna Śniegowska-Świerk Katarzyna Żmuda Marcin Rapacz Warsaw Cracow