Pflanzenphysiologie 5: Entwicklungsphysiologie · 4 Phytochrom wandelt Lichtsignale in...

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Pflanzenphysiologie 5: Entwicklungsphysiologie

Phytochrom

Phototropin/Cryptochrom

Tropismen und Nastien

Biologie I: Pflanzenphysiologie WS 2009/2010

Rüdiger HellHeidelberger Institut für Pflanzenwissenschaften

Copyright Hinweis:Das Copyright der in dieser Vorlesung genannten Lehrbücher oder reproduzierten Bilder wird anerkannt.Die Reproduktion dient reinen Lehrzwecken.

Auxine

Gibberelline

Cytokinine

Abscisinsäure

Ethylen

Photomorphogenese Phytohormone

Licht steuert die Entwicklung der Pflanzen

P. Westhoff, Univ. Düsseldorf

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Photorezeptoren der Pflanzen

P. Westhoff, Univ. Düsseldorf

Rotlichtrezeptoren (Phytochrome) steuern vorallem Entwicklungsvorgänge derPhotomorphogenese und adulter PflanzenBlaulichtrezeptoren: Cryptochrom wirkt inPhotomorphogenese junger Pflanzen;Phototropin vermittelt effiziente Lichtnutzungund Phototropismen in jungen und alten Pflan.

Klassische Phytochromwirkungen:De-Etiolierung und Blühinduktion

Nultsch 16.13; Strasburger 2-208

Rotlicht, aber nicht Blaulicht, verhindert die Etiolierung von KeimlingenBereits kurze Rotlichtpulse genügen, um das Entwicklungsprogramm Blühenauszulösen (ähnliches gilt für die Keimung)

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Phytochrom empfängt Licht durch einChromophor

Taiz 20.3; Schopfer 21.19

Pr (inaktiv)Pfr (aktiv)

Rotlicht bewirkt die reversibleIsomerisierung zwischenTetrapyrrolringen C und D

Das Apoprotein folgt dersterischen Umwandlung desChromophors

Die reversible Umwandlung von Phytochrombewirkt wichtige physiologische Prozesse

Buchanan 18.23, 948

Aufgrund überlappenderAbsorptionspektren liegt immerein Gleichgewicht von Pr und Pfr

vor

Pfr ist die aktive Form(Aktivierung und Repression)

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Phytochrom wandelt Lichtsignale inGenexpression um

Taiz 20.7, 20.19

Gene der Rubisco und Lichtsammelkomplexe werden aktiviertPhytochromgene und Chlorophyllsynthesegene werden inaktiviert

Phytochrom ändert nach Bestrahlung denPhosphorylierungszustand

Nover/Weiler 17.6

Die Konformationsänderung aktiviert die Kinasedomäne des PhytochromsDas nukleäre Lokalisierungssignal wird zugänglichIm Kern modifizieren Phosphatasen das Phytochrom, das dadurch fürunterschiedliche Transkriptionsfaktoren zugänglich wird und eine abgestufteLichtanwort moduliert

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Phytochrom wird lichtabhängig in den Kerntransportiert

Westhoff, Uni Düsseldorf; Quail (2002) Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 3: 85-93; Monte et al. (2004) PNAS 101: 16091

ImDunkeln

Nach einemRotlichtpuls

Ein Teil der Phytochromproteine werden bei Aktivierung in den KerntransportiertDie Interaktion mit trans-Faktoren zur Aktivierung von light responsiveelements auf Promotoren lichtregulierter Gene wird z.T. durch denTranskriptionsfaktor PIF3 vermitteltRegulierte Gene sind z.B. Rubisoc SSU, LHCII

Plastiden

Nucleus

Plastiden

Nucleus

PIF3

Phytochrom-GFP-Fusion


Phytochrom



Auxine

Gibberelline

Cytokinine

Abscisinsäure

Ethylen


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Blaulichtrezeptoren:Strukturen von Phototropin und Cryptochrom

Phototropine (NPH1)

Cryptochrome (CRY1)

Aus: Westhoff, Univ. Düsseldorf ; Lin (2002) Plant Cell ; Nover/Weiler 17.8

Kovalent gebundenes FAD empfängt Licht und fungiert als ChromophorSignalweitergabe von NPH1 durch Phosphorylierung und Protein-Interaktion

LOV Domäne: Light, oxygen, voltageFlavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) dient als Chromophor,ist kovalent an LOV Domäne gebundenIm Dunkeln ist Phototropin nicht-phosphoryliert und inaktivLichtwahrnehmung in LOV Domäne bewirkt Auflösungeiner -HelixAutophosphorylierung wird aktiviert sowie Signalweitergabean unbekannte Substrate

Phototropin Funktionen und Chromophor-Konversion

Christie (2007) Annu Rev Plant Biol 58:21-45

Phototropin-Gene Phot1 und Phot2 haben überlappende und spezifischeWirkungenBlaulicht bewirkt kovalente Verbindung von FMN Chromophor mit Cystein derLOV Domäne

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Rot- und Blaulicht interagieren bei derKontrolle der Photomorphogenese

Buchanan 18.5, 933

DET (De-etioliert) und COP (constitutive photomorphogenic) Proteinereprimieren die PhotomorphogeneseSignale von Rot- und Blaulicht inaktivieren die Repression durch DET undCOP

Licht

Dunkel

Licht

Dunkel


Phytochrom



Auxine

Gibberelline

Cytokinine

Abscisinsäure

Ethylen


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Phototropismen sind Wirkungen desBlaulichts

Lüttge 27-12

Die Sensorik blauen Lichts führt zu WachstumsbewegungenDie Wachtumsreaktion hängt von der Organfunktion ab

Tropismen: Reiz-gerichteteWachstumsbewegungen

Nastien: Reiz-ungerichtete,oft schnellere Bewegungen

Negativer Geotropismus (Gravitropismus) desSprosses

Lüttge 27-4, 27-6

Pflanzen perzipieren Schwerkraft und reagieren mit WachstumsbewegungenTropismen können sich überlagern: Photo- und Geotropismus

Klinostat

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Positiver Geotropismus der Wurzel

Lüttge 26-22, Nover/Weiler 17-25

Das sensorische System besteht aus StatocystenAmyloplasten (Stärke) wirken als Statolithen und drücken auf ER MembrankissenSignalweiterleitung ist unbekannt

Charakterisierung einer Hydrotropismus-defizienten Mutante

Kobayashi et al. (2007) PNAS 104:4724

Col (Arabidopsis Wildtyp);miz (=mizzu-kussei, mizu=Wasser;kussei=Tropismus

A. Selektion von Mutanten nachKrümmung der Wurzel in Richtunghöhere Luftfeuchte

B. Zeitkurve der Krümmung (n=60)

C. Zeitkurve des Längenwachstums

D,E. Photos der Wurzelkrümmung

F-K. Kein Phänotyp beigleichseitiger Wasserversorgung

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Nastien = Reiz-ungerichtete Bewegungen

Thigmonastie: Zaunrübe(Bryonia dioica)

Thigmonastie: Sonnentau (Drosera rotundifolia);Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula)

Seismonastie: Mimosa pudica


Phytochrom



Auxine

Gibberelline

Cytokinine

Abscisinsäure

Ethylen


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Definition der Entwicklung (Formwechsel)

Wachstum: irreversible Volumenzunahme

Differenzierung: qualitative Veränderung der Formoder Funktion

Entwicklung basiert auf der Summe von Wachstumund DifferenzierungBeide Prozesse sind meist nicht eindeutig trennbar

Nultsch 16.3, 499

Keimung einer Bohne,Zeitdifferenz 22 h

Zelluläre Differenzierung basiert aufSignalen

Nultsch 16.9

Spaltöffnungen differenzieren sich in regelmäßigen Abständen in derEpidermisNach Epidermiswachstum werden neue Initialen angelegt, wenn dieMaximalabstände überschritten werden

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Auxin ist das wichtigste Pflanzehormon

NW 16.6

Indol-3-Essigsäure wird hauptsächlich aus TryptophansynthetisiertMehrere Substanzen haben AuxinwirkungHauptbildungsorte sind Meristeme, Blätter und EmbryonenVom Bildungsort erfolgt meist gerichteter Transport basipetal

Auxin hat verschiedene Wirkungenauf das Wachstum

Callis (2005) Nature 435:436

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Auxin vermittelt multiple Wirkungen und etabliertPolarität in der Sproßachse

Schopfer 20.9, Nover/Weiler Box16-3a

Die Polarität der Sproßachse bleibt hinsichtlich Seitentrieben und Seitenwurzelnerhalten. Die Signale werden über Zellen des Basts vermittelt

Zellulärer Transport von IAA

Nultsch 16.4

IAA wird gerichtetTransportiertpH 5 im Apoplasten führtzur teilweisenProtonierung der IAA, diedadurch neutral und füreinen Influx-Carrierzugänglich wirdpH 7 im Cytoplasmadeprotoniert die IAAvollständigEin 2H+-Efflux-Carriertransportiert IAA in denApoplastenDie Transportrichtung istgenerell basipetal

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Gerichteter Zell-Zell-Transport von Auxin

Palme et al. (2005) Nature 433: 39; Physiologia Plantarum (2005) 123: 130

Die Auxin Efflux-Carrier der PINProteinfamilie ausArabidopsis thalianavermitteln gerichtetenAustransport vonAuxin

Immunolokalisierungvon PIN1 zeigtTransportrichtungenin benachbartenZelltypen derWurzelspitze

Teilu

ngsz

oneDiff

eren

zier

ungs

-zo

neS

treck

ungs

zone

Col=columellaQc=quiescent centerLrc=lateral root capE=epidermisC=cortexEn=endodermisV=vascular bundle


Phytochrom



Auxine

Gibberelline

Cytokinine

Abscisinsäure

Ethylen


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Gibberellin (GA) Strukturen sind unterschiedlichaktiv

Buchanan 17.18, 17.9

GAs bilden eine sehr komplexeStrukturfamilie mit > 90 ineinanderüberführbaren aktiven und inaktivenMitgliedern (wichtig: GA1, GA3, GA20)

Die Wirksamkeit ist unterschiedlich.Konjugation als Glucoside ist möglich

Erstmals nachgewiesen aus dem PilzGibberella fujikuroi ( Krankheit derverrückten Keimlinge )

Bildungsorte sind meist junge,wachsende Gewebe (Meristeme,Embryonen, reifende Früchte)

GA Blühinduktion und Streckung

Taiz/Zeiger 17.12, 473

Kohl wächst als Rosette unterKurztagsbedingungen und benötigteine Langtagsphase zur Blühinduktion

GA Behandlung ersetzt dieLangtagsphase

GA wandelt normale Blattrosettendurch Streckungswachstum um

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Die Kurzstrohweizen der Grünen Revolution

Peng et al. (1999) Nature 400: 256-261

Phänotypen der Kurzstrohweizen

Wildtyp-Weizen

KurzstrohweizenRht-B-1b Rht-D-1d

Die Halmlänge der Getreide ist einwesentlicher Faktor derStandfestigkeit (=Ertrag!)

Endogene GA Gehalte derInternodien bestimmen dasStreckungswachstum

Genotypen mit lokal verringerterGA Konzentration bilden kürzere,tragfähigere Sprosse


Phytochrom



Biologie I: Pflanzenphysiologie WS 2009/2010

Rüdiger HellHeidelberger Institut für Pflanzenwissenschaften

Copyright Hinweis:Das Copyright der in dieser Vorlesung genannten Lehrbücher oder reproduzierten Bilder wird anerkannt.Die Reproduktion dient reinen Lehrzwecken.

Auxine

Gibberelline

Cytokinine

Abscisinsäure

Ethylen


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Cytokinine sind Adenin-Derivate mit einer Isopentenyl-Seitenkette

Buchanan 17.31, 874

Wirkung entdeckt in Kokosnussmilch bei ZellkulturversuchenDas erste isolierte Cytokinin war Kinetin, das beim Autoklavieren von DNAentsteht. 1963 wurde das erste native Cytokinin, Zeatin, chemischidentifiziertWirkungen: Stimulation der Zellteilung; Förderung des Austreibens vonSeitenknospen, Verzögerung der Seneszenz, Induktion der Stomata-ÖffnungEng verbunden mit Auxinwirkungen

Das Auxin/Cytokinin-Verhältnis bestimmt dieDifferenzierung von Zellkulturen

Strasburger 2-181; Buchanan 17.31, 875

IAA und Cytokinin allein haben geringe WirkungDas molare Verhältnis bestimmt die DifferenzierungsrichtungPflanzliche Zellen können beliebige Entwicklungsrichtungen nehmen( Totipotenz )Aus einzelnen Zellen können ganze Pflanzen regeneriert werden

IBA (0.5 µg ml-1) IBA (0.5 µg ml-1)Zeatin (2 µg ml-1)

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Phytochrom



Auxine

Gibberelline

Cytokinine

Abscisinsäure

Ethylen


Abscisinsäure (ABA) hat überwiegendreprimierende Wirkungen

Strasburger

Einige Wirkungen:Förderung des Frucht- undBlattfallsHemmung der SamenkeimungWasserstreß und Schluß derStomata

Das Strukturgerüst bildenTerpene, die Synthese kann ausverschiedenen Substanzen (C15oder C40 Körper) erfolgen

Nur eine aktive ABA Verbindungist bekannt

Oxidative Abbauwege regulierendas Gleichgewicht

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ABA unterdrückt die Keimung unreifer Samen

Buchanan 17.22, 866

Die Mais-Mutante vp1 (viviparus) trägt ABAinsensitive Körner (ohne Anthocyan)

Embryos keimen ohne Samenruhe bereits auf derMutterpflanze

Keimlinge können ausgepflanzt werden undüberleben

ABA bewirkt das Schließen der Stomata

Buchanan 17.23, 866

ABA hat antagonistische Wirkung zu Cytokinin in Spaltöffnungsapparat(A) Behandlung von Epidermis von Commelina communis mit CO2-freiem Puffer(B) Gleiche Lösung plus 10 µM ABA löst Schließen in 10-30 min aus

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Phytochrom



Auxine

Gibberelline

Cytokinine

Abscisinsäure

Ethylen


Ethylen ist entscheidend für die Fruchtreife

Begasung unreifer Früchte mit Ethylenbzw. seine Entfernung wird beimObsthandel und Transport eingesetzt

Expression von Antisense-RNA gegenACC-Oxidase ( TOM13) verhindertEthylenproduktion und Überreifung

Wildtyp Tomate TOM13 Tomaten mit5% Rest-Ethylen

Einige Wirkungen:Förderung der FruchtreifeFörderung des Blatt- und FruchtfallsSignalübertragung beiPathogenbefallEthlyen wird aus Methioninsynthetisiert

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Zusammenfassung

Pflanzen orientieren sich in ihrer Umwelt und reagieren mitWachstumsbewegungen u.a. auf Lichteinfall und SchwerkraftPhotomorphogenese und Phototropismen sind unterschiedliche ProzesseProteine mit chromophoren Liganden fungieren als LichtsensorenSignaltransduktionsketten und Transkriptionsfaktoren geben dieInformationen zur DNA weiterTropismen und Nastien bezeichnen Bewegungsformen von Pflanzen

Es gibt 5 klassische Pflanzenhormone und 4 weitere hormonähnliche SubstanzenAuxin, Gibberellin, Cytokinin, Abscisinsäure und Ethylen sind die wichtigsten undsind am besten untersuchtDie Hormone interagieren in ihrer Wirkung und funktionieren durch Transport undKonzentrationswechselDie Anwendung der Hormone in der Pflanzenzellkultur ist wichtig für dieBiotechnologie

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