J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 23

J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin PowerPoint PPT Presentation


  • 90 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin. 10: Mechanizmy fotoperiodické indukce kvetení. Fotoperiodická indukce kvetení konvenční fyziologie a biochemie formulovala základní koncepce, týkající se mechanizmů fotoperiodické květní indukce

Download Presentation

J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin

10: Mechanizmy fotoperiodické indukce kvetení


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

  • Fotoperiodická indukce kvetení

  • konvenční fyziologie a biochemie formulovala základní koncepce, týkající se mechanizmů fotoperiodické květní indukce

  • neobjasnila však podrobnosti dvou klíčových procesů:

  • měření délky dne/noci pomocí cirkadiánních rytmů (externí, nebo interní koincidence?)

  • přenos květního stimulu z listů do vzrostného vrcholu (existuje florigen? o jakou látku jde?)


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

  • Fotoperiodická květní indukce - místo vnímání fotoperiodického signálu

  • indukční fotoperiodě musí být vystaveny listy; expozice samotného apexu je neúčinná

  • délka dne je tedy vnímánav listech

  • u mnoha druhů k vyvolání kvetení postačuje, aby byla indukční délce dne vystavena jen malá část celkové listové plochy jedince

schéma klasického experimentu dokazujícího vnímání délky dne v listech (z Vince-Prue 1975)


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

rostlina Nicotiana tabacumcv. Maryland Mammoth(krátkodenní)

florigen

list Nicotiana sylvestris (dlouhodenní)

list Nicotiana tabacumcv. Maryland Mammoth(krátkodenní)

  • Florigen

  • fotoperiodický signál je přijímán v listech, ale květy se tvoří na vzrostném vrcholu

  • Z listů do vrcholu se tedy floémem šíří látka stimulující kvetení, nazvaná florigen. Jak ukázaly roubovací pokusy, je florigen do značné míry univerzální, stejný nebo podobný u různých druhů rostlin - dokonce i u druhů s rozdílnými fotoperiodickými reakcemi.

dlouhý den

z Hess 1983


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

krátký den

dlouhý den

dlouhý den

florigen

Nicotiana sylvestris (dlouhodenní)

Nicotiana tabacumcv. Maryland Mammoth (krátkodenní)

Nicotiana sylvestris (dlouhodenní)

Nicotiana tabacumcv. Maryland Mammoth (krátkodenní)

  • Florigen

  • další příklad roubovacího pokusu

květy N. sylvestris odstraněny po objevení

sem nějaký obrázek s roubováním

z Lang 1965


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

  • Problémy s florigenem

  • pro jeho existenci byly dlouho jen nepřímé důkazy, nikdy nebyl biochemicky identifikován (např. v extraktech z fotoperiodicky indukovaných listů). Možnosti vysvětlení byly dvě:

  • florigen jako samostatná látka neexistuje, indukční signál z listů je kombinace několika známých sloučenin (cukry, hormony apod.) - model propracovaný u Sinapis alba

  • florigen je těžko k nalezení, ale existuje a lze ho objevit s pomocí molekulární biologie

možné květní stimuly transportované z listů do apexu, Corbesier a Coupland 2005


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

  • Molekulárně-biologické metody pro výzkum fotoperiodizmu

  • pro hledání zúčastněných genů jsou používány dva základní přístupy:

  • mutageneze a následné vyhledávání mutantů s narušenou fotoperiodickou citlivostí

  • QTL analýza (QTL = quantitative trait loci): Po zkřížení dvou odrůd nebo ekotypů lze podle frekvence rekombinací v potomstvu přibližně lokalizovat na chromozómech lokusy, které se podílejí na kvantitativních znacích (jako kvantitativní znak lze chápat i dobu do kvetení). Následně je možno přesnějšími technikami genetického mapování identifikovat konkrétní geny.

  • Po nalezení alespoň některých klíčových genů lze využít další techniky molekulární biologie - studium genetické interakce mutací v různých genech, sledování hladin mRNA nebo proteinů za různých okolností (např. na krátkém x dlouhém dni), vliv mutací nebo overexprese na genovou aktivitu, identifikace proteinových interakcí aj. Cílem je najít všechny zúčastněné geny, objasnit jejich vzájemné vztahy a nakonec popsat molekulární detaily celého procesu.


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

  • Fotoperiodická květní indukce - hledání genů

  • vyhledávání mutantů: z mutantů se změněnou dobou kvetení jsou nejlepšími kandidáty na roli ve fotoperiodické indukci takové, které mají výrazně sníženou citlivost na délku dne

vliv délky dne a vernalizace na počet listů do kvetení u mutantů Arabidopsis thaliana (Koornneef et al. 1991)


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

Hd-1

Hd-2

  • Fotoperiodická květní indukce - hledání genů

  • QTL analýza: důležitá hlavně u rýže, ale použita i u Arabidopsis a jiných druhů (např. ječmen)

QTL analýza doby do kvetení u rýže, Yano et al. 1997


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

Měření času ve fotoperiodických reakcích

  • zjistilo se, že za měření délky dne/noci jednoznačně zodpovídá cirkadiánní oscilátor

  • oscilátor prostřednictvím proteinů FKF1 a GIGANTEA (GI) reguluje transkripci genu CONSTANS (CO)

  • protein CO především reguluje expresi genu FLOWERING LOCUS T (FT); protein FT indukuje procesy vedoucí k zakládání květů pod vzrostným vrcholem

model vztahu mezi cirkadiánním oscilátorem a fotoperiodickou indukcí kvetení u Arabidopsis thaliana,Hayama a Coupland 2004


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

vysoká hladina na světle v LD

Měření času ve fotoperiodických reakcích

  • jeden z klíčových genů fotoperiodické dráhy u A. thaliana je CONSTANS(CO)

  • pouze při dlouhém dni je vysoká hladina CO mRNA na světle

hladiny CONSTANS mRNA u Arabidopsis thaliana na krátkém a dlouhém dni (Suárez-López et al. 2001)


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

Měření času ve fotoperiodických reakcích

  • mechanizmus u A. thaliana: kombinace denního rytmu s přímým účinkem světla (tedy externí koincidence)

  • denní rytmus: hladina CO mRNA

  • přímý účinek světla: hlavně stabilizace vznikajícího proteinu CO během odpoledne

model mechanizmu fotoperiodického měření času u Arabidopsis,Hayama a Coupland 2004


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

Měření času ve fotoperiodických reakcích

  • na denní průběh hladin CO mRNA má vliv nejen cirkadiánní oscilátor, ale také přímé působení světla

  • příslušné molekulární interakce jsou dosti komplikované

regulace exprese genu COu Arabidopsis během dne,Imaizumi 2010


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

= CO

= FT

  • Fotoperiodizmus – mezidruhové srovnání

  • jak se od sebe liší mechanizmy fotoperiodické regulace u různých druhů, především mezi krátkodenními a dlouhodenními rostlinami?

  • Srovnání dlouhodenní Arabidopsis a krátkodenní rýže: zúčastněné geny (CO, FT) jsou homologní, ale jiné jsou jejich vztahy. U Arabidopsis indukuje protein CO transkripci FT na světle, zatímco u rýže CO inhibuje transkripci FT na světle a indukuje ji za tmy. Ovšem na regulaci FT se u rýže zřejmě podílejí ještě jiné geny! Pro objasnění je nutný další výzkum.

model mechanizmu fotoperiodického měření času u rýže, Hayama a Coupland 2004


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

Fotoperiodizmus – mezidruhové srovnání

  • Něco konzervováno, něco ne.

  • Denní profily hladin mRNA u homo-logů CO a FT: v případě CO mRNA jsou dost podobné bez ohledu na druh rostliny a typ fotoperiodické reakce. Ale profily FT mRNA se výrazně liší mezi krátko- a dlouhodenními druhy.

  • Měření délky dne evolučně konzer-vováno, ale jeho následné propojení na fotoperiodickou reakci ne? Možná, ale nutno porovnat víc druhů rostlin.

Song et al. 2010


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

FT:GUS

CO:GUS

  • Florigen

  • geny CO a FT jsou silně exprimovány v cévních svazcích listů - jejich funkce tedy může být těsně spojena s regulací produkce florigenu v listech a/nebo s jeho šířením floémem

  • Experiment s expresí CO a FT pod kontrolou tkáňově specifických promotorů ukázal, že pro urychlení kvetení musí být CO exprimován ve floému, zatímco FT může být exprimován v růz-ných orgánech. Pohybuje se tedy produkt genu FT v rostlině?

exprese genů CO a FT v semenáčcích Arabidopsis thaliana (reporterový konstrukt s GUS), Takada a Goto 2003


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

  • CO a FT – blízko florigenu?

  • Protein FT fyzicky interaguje s FD, transkripčním faktorem typu bZIP. Jejich komplex aktivuje transkripci genů pro identitu meristému, čímž se indukuje tvorba květů.

  • Gen FD je exprimován v apikální oblasti stonku, nikoli v listech. Další důkaz, že produkt genu FT se musí šířit rostlinou.

exprese genu FD v semenáčcích Arabidopsis thaliana (in situ hybridizace, reporterový konstrukt s GUS, fúzní protein FD s GFP), Abe et al. 2005


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

  • protein FT jako florigen

  • 2007: první jasné důkazy, že u Arabidopsis se protein FT šíří floémem do vzrostného vrcholu

  • Zdálo se, že florigen je po 70 letech identifikován. Další potvrzení bylo ovšem žádoucí.

FT ve vzrostném vrcholu Arabidopsis thaliana (rostliny s genovým konstruktem SUC2:FT:GFP ft-7):

nahoře: in situ hybridizace mRNA

dole: fluorescence fúzního proteinu FT-GFP

(Corbesier et al. 2007)


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

  • protein FT jako florigen

  • Současně s objevy u Arabidopsis byla publikována práce, dokazující u rýže šíření proteinu Hd3a floémem do apexu. Hd3a je ortolog FT a urychluje kvetení rýže na krátkém dni.

  • To potvrzuje univerzalitu florigenu – je stejný nebo dosti podobný u různých rostlin, včetně druhů s odlišnými fotoperiodickými reakcemi.

  • Důkazy pro dálkové šíření proteinu FT byly silné, ale jen nepřímé. Lze detekovat protein FT přímo ve floému?

Hd3a (ortolog FT) ve vzrostném vrcholu rýže: lokalizace fúzního proteinu Hd3a-GFP (Tamaki et al. 2007)


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

  • protein FT jako florigen

  • Přímý důkaz šíření FT floémem: u krátkodenního druhu tykve Cucurbita moschata jsou dva homology FT (Cmo-FTL1 a Cmo-FTL2) přítomny ve floémovém exudátu při indukční délce dne

  • ve floémovém exudátu detekován jen protein, nikoli mRNA

izotopově značené standardy peptidů

peptidy vzniklé štěpením Cmo-FTL2

Hladiny proteinu Cmo-FTL2 ve floémovém exudátu Cucurbita moschata na dlouhém a krátkém dni. Pomocí LC-MS byly stanovovány peptidy specifické pro Cmo-FTL2 (Lin et al. 2007)


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

růst zastaven

růst zastaven

růst pokračuje

růst pokračuje

  • protein FT jako florigen (a nejen to!)

  • Homology FT nalezeny u mnoha rostlin (obilniny, listnaté a jehličnaté dřeviny, vinná réva, merlíky, rajčata...).

  • Kromě kvetení FT patrně reguluje i jiné vývojové reakce, hlavně fotoperiodické. Například u osiky zřejmě kontroluje kvetení a rovněž nástup dormance pupenů, u smrku rašení a nástup dormance pupenů, u bramboru možná tvorbu hlíz.

vliv 19-h délky dne na růst letorostů a denní profil hladin CO a FT mRNA u osiky (Böhlenius et al. 2006)


J kol biologick rytmy a fotoperiodizmus rostlin

  • Evoluce fotoperiodických reakcí u rostlin

  • homology nejdůležitějších genů, hlavně CO, byly nalezeny u řady rostlin, včetně mechů

  • CONSTANS možná ovlivňuje i jiné fotoperiodické reakce než kvetení (např. konstitutivní exprese CO z Arabidopsis potlačuje krátkodenní tuberizaci bramboru)

  • i v rámci jednoho rodu se nezřídka vyskytují druhy s různými typy fotoperiodické reakce; přechod mezi nimi by tedy měl být poměrně snadný

  • Atraktivní je proto „modulová“ hypotéza fotoperiodizmu. Předpokládá existenci evolučně konzervativního modulu pro měření délky dne/noci (s hlavní úlohou CONSTANS), který může být spojen s různými moduly pro indukci fotoperiodických procesů (kvetení, tuberizace aj.). Typ fotoperiodické reakce závisí na způsobu interakce těchto modulů (viz různá regulace genu FT proteinem CO u Arabidopsis a rýže).

  • pro další úvahy týkající se evoluce rostlinného fotoperiodizmu je nezbytné získat spolehlivá data o molekulárních mechanizmech u mnoha druhů


  • Login