J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin

1. J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin 9: Fotoperiodickáindukce kvetení

3. Fotoperiodická regulace kvetení • velmi vhodná adaptace pro načasování kvetení do vhodné roční doby (takové, aby rostlina kvetla za příznivých podmínek a často také aby semena dozrála před začátkem nepříznivého období - mráz, sucho apod.) • fotoperiodizmus je jedním z mechanizmů regulace kvetení; jeho důležitost může být u některých druhů značná, obvykle se ale fotoperiodické podněty kombinují s účinkem jiných faktorů (nízká teplota během vernalizace, ontogenetické stáří jedince, biomasa, stres aj.) • každý druh a mnohdy i ekotyp mají jinou strategii fotoperiodické kontroly kvetení; je proto nutná velká opatrnost při zobecňování získaných výsledků

4. 16 15,25 15,75 15,75-16 15,75 15,25 15,75 15,5 15,25 15 14,5 15 14,75 14,5 15,5 15 14,75 15,25 14,5 14,25-14,5 14,5 14,25 14,25-14,75 14,25 14 14,75 14,25 14 14 14,25 13,75 14,25 - 14,5 13,75 13,5 14,5 14,25 13,25 13,75 13,75 13 13,5 • Rozdíly ve fotoperiodické reakci ekotypů • příklad Xanthium strumarium: krátkodenní druh, na severu je kritická délka dne větší než na jihu. Směrem na sever jednak roste v daný den mezi jarní a podzimní rovnodenností délka fotoperiody, jednak musí X. strumarium kvést na severu dříve než na jihu (kratší vegetační sezóna) kritická délka dne pro indukci kvetení Xanthium strumarium z různých lokalit v USA, podle Ray a Alexander 1966

5. Fotoperiodická regulace kvetení • fotoperiodicky mohou být řízeny různé fáze přechodu ke kvetení; lze rozlišit 3 kategorie: • rostliny s fotoperiodickým požadavkem pro iniciaci květů, ale fotoperiodicky neutrální pro jejich další vývoj • rostliny s fotoperiodickým požadavkem pro iniciaci i další růst květů (obvykle stejný požadavek pro obě fáze, v některých případech ale opačné typy fotoperiodické reakce) • rostliny fotoperiodicky neutrální pro iniciaci květů a s fotoperiodickým požadavkem pro další vývoj • u některých druhů může být kvetení indukováno jejich vystavením vhodné (indukční) fotoperiodě, přičemž rostliny následně vykvetou i po přesunu do neindukčních podmínek • dále se budeme zabývat pouze fotoperiodickou indukcí kvetení, tj. vlivem fotoperiody na zakládání květů a květenství

6. list listové primordium vzrostný vrchol úžlabní pupen • Přechod rostliny ke kvetení • změna morfogeneze na vzrostném vrcholu hlavního stonku nebo postranních větví • vegetativní vzrostný vrchol (apex) produkuje listová primordia; v úžlabí starších primordií se vytvářejí primordia úžlabních pupenů, z nichž později vyrostou postranní větve prýtu vegetativní vegetativní podélné řezy vegetativním vzrostným vrcholem Chenopodium rubrum (foto F. Seidlová)

7. listové primordium vzrostný vrchol listové primordium vzrostný vrchol • Přechod rostliny ke kvetení • změna morfogeneze na vzrostném vrcholu hlavního stonku nebo postranních větví • vegetativní vzrostný vrchol (apex) produkuje listová primordia; v úžlabí starších primordií se vytvářejí primordia úžlabních pupenů, z nichž později vyrostou postranní větve prýtu vegetativní vegetativní vegetativní vzrostný vrchol Chenopodium album (snímek ze stereomikroskopu) vegetativní vzrostný vrchol Chenopodium quinoa (snímek z rastrovacího elektronového mikroskopu, Bertero et al. 1996)

8. vzrostný vrchol úžlabní pupen vzrostný vrchol listové primordium úžlabní pupen úžlabní pupen • Přechod rostliny ke kvetení • květní morfogenezi obvykle předcházejí změny velikosti apexu - rozšíření nebo prodloužení • poté často následuje fáze tzv. větvení - primordia úžlabních pupenů se zakládají velmi brzy po založení příslušných listových primordií, někdy téměř současně s nimi prodloužení apexu podélné řezy apexem Chenopodium rubrum, foto F. Seidlová. vlevo: ve stadiu prodloužení apexu a začínajícího větvení, vpravo: ve stadiu pokročilejšího větvení větvení

9. vzrostný vrchol vzrostný vrchol úžlabní pupen úžlabní pupen listové primordium listové primordium • Přechod rostliny ke kvetení • fáze „větvení“ představuje výraznou změnu v procesu větvení prýtu, která umožňuje vznik květenství • rostlina se u mnoha druhů může z větvení vrátit zpět k vegetativnímu růstu, např. za neindukčních podmínek nebo po nedostatečně silném indukčním stimulu větvení větvení větvící vzrostný vrchol Chenopodium quinoa(snímek z rastrovacího elektronového mikroskopu,Bertero et al. 1996) větvící vzrostný vrchol Chenopodium quinoa(snímek ze stereomikroskopu)

10. okvětní lístek pestík tyčinka tyčinka pestík okvětní lístek • Přechod rostliny ke kvetení • dalším stupněm je vytvoření květu • nejdříve se na apexu vytvoří primordia květních orgánů začátek diferenciace květu Počáteční stadium květní diferenciace. vlevo: podélný řez apexem Chenopodium rubrum (foto F. Seidlová), vpravo: Amaranthus caudatus (snímek ze stereomikroskopu) začátek diferenciace květu

11. pestík okvětní lístek pestík okvětní lístek tyčinka tyčinka • Přechod rostliny ke kvetení • nakonec se vytvoří funkční orgány květu poupě/květ poupě/květ poupě Chenopodium rubrum, v pestíku ještě nejsou vytvořeny čnělky (snímek z rastrovacího elektronového mikroskopu, foto F. Seidlová) poupě Chenopodium album (snímek ze stereomikroskopu)

12. Metody výzkumu fotoperiodické květní indukce - modelové rostliny • „klasické“: s co nejsilnější odpovědí na délku dne, ideálně kvalitativně fotoperiodické, které lze indukovat jedním nebo několika dny s vhodnou fotoperiodou a které poté vykvetou iv neindukčních podmínkách - rostliny výhodné pro fyziologické a biochemické experimenty • krátkodenní: např. Chenopodium rubrum, Pharbitis nil, Xanthium strumarium, Nicotiana tabacum cv. Maryland Mammoth - některé druhy lze pěstovat na stálém světle a kvetení indukovat jedinou tmou vhodné délky • dlouhodenní: např. Sinapis alba, Hyoscyamus niger, Nicotiana silvestris • „moderní“: druhy s přijatelně silnou fotoperiodickou reakcí (může být i jen kvantitativní) a hlavně vhodné pro využití molekulárněbiologických metod • nyní hlavně Arabidopsis thaliana (dlouhodenní), rýže (krátkodenní - některé kultivary) • se zdokonalováním molekulárněbiologických technik začínají být zkoumány molekulární základy fotoperiodizmu i u dříve využívaných „klasických“ modelů

13. Metody výzkumu fotoperiodické květní indukce - hodnocení kvetení • kvetení jako odpověď rostliny na fotoperiodu je pro vyhodnocení experimentu nezbytné vždy nějakým způsobem kvantifikovat • kvantitativní parametr nutno vybírat případ od případu s ohledem na účel pokusu, typ fotoperiodické reakce rostliny (kvalitativní vs. kvantitativní), charakter zakládání květů (architekturu květenství) apod. • často používané parametry: • u kvalitativních rostlin je kvetení obvykle hodnoceno za určitou dobu po vystavení experimentálnímu faktoru (fotoperioda, chemická látka aj.): procento kvetoucích rostlin (makroskopicky nebo po rozboru pod stereomikroskopem), počet květů, počet nodů s květy, dosažený stupeň květní diferenciace, rychlost diferenciace nebo růstu apexu • parametry používané převážně u kvantitativních rostlin: počet dnů do objevení poupat, do začátku vybíhání květonosného stonku z listové růžice (Arabidopsis), do rozkvětu; pořadí prvního nodu s květenstvím, počet listů vytvořených do rozkvětu

14. Metody výzkumu fotoperiodické květní indukce - experimentální světelné režimy světlo (L - light) tma (D - dark) 8 h světla + 16 h tmy, LD 8:16 (příklad krátkého dne - short day, SD) 16 h světla + 8 h tmy, LD 16:8 (příklad dlouhého dne - long day, LD) obecný zápis fotoperiodického režimu: LD x:y, x = počet hodin světla, y = počet hodin tmy režimy vhodné pro porovnání vlivu krátkého dne a dlouhého dne s přibližně stejným denním množstvímsvětla využitelného pro fotosyntézu: krátký den prodloužení krátkého dne světlem s nízkou intenzitou krátký den 2x delší fotoperioda s poloviční intenzitou světla krátký den krátký den, noc přerušena pulzem světla (night-break)

15. Fyziologické mechanizmy fotoperiodické květní indukce • zásadní jsou 3 okruhy problémů: • způsob detekce světla (jak rostliny rozliší světlo od tmy) • způsob měření času (jak rostliny určují délku dne nebo spíše noci) • místo vnímání fotoperiodického signálu (jaký orgán slouží k příjmu informace o délce dne)

16. Fotoperiodická květní indukce - detekce světla • fotoreceptor identifikován pomocí akčních spekter: dlouhá noc byla přerušována krátkým pulzem světla (< 25 min), což inhibuje kvetení krátkodenních druhů a stimuluje kvetení dlouhodenních. Byla zjišťována účinnost různých vlnových délek světla. akční spektra pro ovlivnění kvetení krátkodenních (Glycine, Xanthium) a dlouhodenních (Hordeum, Hyoscyamus) rostlin přerušením tmy (z Vince-Prue 1975)

17. Fotoperiodická květní indukce - detekce světla • maximální citlivost na přerušení tmy v oblasti červeného světla ukazuje na účast fytochromu • efekt je navíc reverzibilní dlouhovlnným červeným světlem (far-red), což je typické pro reakce zprostředkované fytochromem • obecný závěr: fytochrom je nejdůležitějším receptorem světla pro fotoperiodické reakce, ovšem u některých druhů jsou významné i receptory modrého světla (kryptochromy) - např. u Arabidopsis vliv přerušení tmy sekvencemi červeného a dlouhovlnného červeného světla na kvetení dvou krátkodenních rostlin (z Vince-Prue 1975)

18. Fotoperiodická květní indukce - měření času • pro fotoperiodické reakce je nutná schopnost měřit délku dne, případně noci • rostliny obvykle měří délku noci • modelový příklad: kvalitativně krátkodenní druh, kvete pokud noc překročí kritickou délku • v experimentu pěstujeme rostliny na fotoperiodických režimech s fixní délkou dne a různými délkami noci v jednotlivých variantách; typický výsledek zobrazen v grafu dole

19. přesýpací hodiny cirkadiánní rytmus • Fotoperiodická květní indukce - měření času • pro měření délky noci v organizmech lze uvažovat o dvou mechanizmech: • přesýpací hodiny: jednorázové odměření časového intervalu, po jehož překročení nastane příslušná fotoperiodická reakce • cirkadiánní rytmus: měření času nějakým způsobem zajišťuje cirkadiánní oscilátor • mezi těmito možnostmi mohou rozhodnout např. světelné režimy s cykly delšími než 24 hodin

20. Fotoperiodická květní indukce - účast cirkadiánní rytmicity v měření času • pokusy s proměnlivou délkou cyklu (cycle length experiments) prokázaly, že měření délky noci je zprostřed-kováno cirkadiánním oscilátorem • u některých druhů rostlin nebyly výsledky přesvědčivé; účast cirkadiánních rytmů ve fotoperiodizmu lze ale prokázati jinými způsoby (viz dále) kvetení sóji v režimechs různou délkou tmy(z Hamner a Takimoto 1964)

21. Fotoperiodická květní indukce - účast cirkadiánní rytmicity v měření času • speciální modifikaci pokusus proměnlivou délkou cyklu lze použít u krátkodenních rostlin indukovatelných jedinou tmou • rostliny se pěstují na stálém světle a jsou vystaveny pouze jedné tmě různé délky • i v tomto experimentálním uspořádání byly nalezeny cirka-diánní rytmy v závislosti kvetení na délce tmy Závislost kvetení Chenopodium rubrum, ekotyp 374 na délce jediné tmy (Cumming et al. 1965)

22. Fotoperiodická květní indukce - účast cirkadiánní rytmicity v měření času • dalším typem experimentů jsou pokusy s přerušením tmy (night break experiments) • během dlouhé tmy se v růz-ných časech aplikuje pulz světla • výsledkem je obvykle cirkadiánní rytmus v citlivosti na přerušení tmy kvetení sóji v LD 8:64 se 4-hodinovým přerušením tmy v různou dobu(z Hamner a Takimoto 1964)

23. Fotoperiodická květní indukce - účast cirkadiánní rytmicity v měření času • Testoval se i vliv skeletových fotoperiod. Stejně jako u Drosophila, i u některých rostlin lze simulovat kompletní fotoperiodu pomocí skeletové fotoperiody, přičemž kratší interval mezi dvěma pulzy je interpretován jako „den“. Květní odpověď na skeletové fotoperiody je v souladu s touto typickou vlastností cirkadiánního oscilátoru. vliv skeletových fotoperiod na kvetení krátkodenního okřehku Lemna perpusilla(z Vince-Prue 1975)

24. Fotoperiodická květní indukce - účast cirkadiánní rytmicity v měření času • význam cirkadiánních rytmů pro fotoperiodické reakce dokládají rovněž mutanty (hlavně u Arabidopsis) s narušenou rytmicitou, neboť mají obvykle také defektní fotoperiodickou regulaci kvetení • např. elf3-1 (mutant arytmický na stálém světle) má výrazně sníženou citlivost k délce dne Zagottaet al. 1996

25. Mechanizmus měření času cirkadiánním oscilátorem • byly navrženy dva obecné modely • Externí koincidence: za regulaci fotoperiodických reakcí je zodpovědný jeden cirkadiánní rytmus. Ten je synchronizován světelným režimem. Světlo zároveň přímo ovlivňuje fotoperiodické reakce (inhibuje krátkodenní a stimuluje dlouhodenní), když je mu rostlina vystavena ve fotosenzitivní fázi rytmu - k tomu dochází pouze za určité délky dne. • Interní koincidence: za regulaci fotoperiodických reakcí jsou zodpovědné dva rytmy. Každýz nich je synchronizován se světelným režimem jinak (např. má jiný tvar křivky fázové odpovědi), takže rozdíl fází těchto dvou rytmů je závislý na délce dne. Fotoperiodická reakce nastává pouze v omezeném rozsahu fázových rozdílů mezi rytmy.

26. Mechanizmus měření času cirkadiánním oscilátorem • fyziologické a molekulární poznatky nyní silně podporují modelexterní koincidence ve fotoperiodické indukci kvetení rostlin Samach a Coupland 2000

27. Fotoperiodická květní indukce - místo vnímání fotoperiodického signálu • indukční fotoperiodě musí být vystaveny listy; expozice samotného apexu je neúčinná • délka dne je tedy vnímánav listech(optimální stáří listu pro fotoperiodickou senzitivitu je druhově specifické) • 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)

28. Fotoperiodická květní indukce - místo vnímání fotoperiodického signálu • délka dne je vnímána v listech, ale květní morfogeneze probíhá na vzrostném vrcholu stonku! • z listů do vrcholu se proto musí šířit indukční stimul, nazvaný florigen(podrobnosti o jeho možné podstatě v příští přednášce) • vzhledem k tomuto časovému a prostorovému oddělení se fotoperiodická indukce kvetení obvykle dělí na vlastní indukci (procesy měření délky dne v listech a export květního stimuluz nich) a evokaci (procesy následně probíhající ve vzrostném vrcholu) Vliv odstranění děloh různou dobu po skončení fotoperio-dické indukce na kvetení Chenopodium rubrum. Pokus dokazuje postupný transport „florigenu“ z děloh do apexu (King 1972)