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Vorlesung SoSe 2016

“Zellbiologie und Physiologie der Pflanzen”

Prof. Dr. I Finkemeier

Prof. Dr. A. von Schaewen

Prof. Dr. J. Kudla

02.05.2016 „Und sie bewegen sich doch…“

Pflanzliche Bewegungen

Tropismen – Wachstumsbewegungen

Nastien – osmotische Bewegungen

Taxien – freie Ortsbewegungen (begeißelte Einzeller)

Stoffgradient

Alge

positiv

negativ

Reaktion: chemotaktisch

Entwicklung von frei beweglichen und festsitzenden Vielzellern…

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Exkurs: Die Endosymbionten-Theorie

Welche Faktoren favorisieren Endosymbiosen?

The hydrogen hypothesis for the first eukaryoteMartin W, Müller M (1998) Nature, 392: 37-41.

A model for the origin of mitochondria and hydrogenosomes that directly accounts for their common ancestry. It differs from classical formulations of the endosymbiont hypothesis primarily in the premises that first, the host of mitochondrial symbiosis was not a fermenting heterotroph but rather an

autotrophic Archaebacterium that strictly depended upon molecular hydrogen (H2) for survival

(as many contemporary autotrophs do) and that, second, the symbiont was the common ancestor of mitochondria and hydrogenosomes and was a facultatively anaerobic α-proteobacterium that gratuitously supplied molecular hydrogen to the host as a waste product of its (own) metabolism.

A hypothetical symbiosis between these two cells is sketched involving gene transfer from symbiont to host that derives a single, bipartite, heterotrophic cell that possesses an archaebacterial genetic apparatus, a eubacterial glycolytic pathway, and a facultatively anaerobic, symbiotically-derived organelle in its cytosol.

Further reading (Reviews)Tracing the Thread of Plastid Diversity through the Tapestry of LifeC. F. Delwiche, The American Naturalist 1999

Mergers and acquisitions: Malaria and the great chloroplast heistG. I. McFadden, Genome Biology 2000

One, two, three: Nature´s toolbox for building plastidsB. Stoebe, U.-G. Maier, Protoplasma 2002

H2

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Metabolische Abhängigkeit

als treibende Kraft

Maximize surface area (to improve H2 uptake)

Need to feed the partner (before complete enclosure)

Independence (of geological H2 source)

Anaerobic co-existence (as requirement)

Gene transfer

H2

H2

(Mitochondrium)

Vorteil: Kann alle heute existierenden Formen erklären (aber NICHT schlüssig die Herkunft von Peroxisomen!)

α-Proteo- withArchae-bacterium

⇒ Eukaryotic cell

TropismenPflanzliche Tropismen sind echte Wachstumsbewegungen.

Sie beruhen auf Zellstreckung (in bestimmten Zonen), die durch das Phytohormon Auxin vermittelt wird.

Dabei wird die Richtung durch den auslösenden Reiz bestimmt (⇒ gerichtete Bewegung).

Tropismen können u.a. ausgelöst werden durch:

• Licht (Phototropismus)

• Schwerkraft (Gravitrotropismus)

• Taktile Reize (Thigmotropismus) z.B. Rankenbewegung

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Basipetaler Auxin-Transport

Experiment zum Nachweis des gerichteten Auxin-Transports

polare Anordnung der Auxin-Carrier (bedingt durch Cytoskelett/Zell-wand-Kontakte)

Vorlesung 2016

Abb. aus Taiz/Zeiger, Physiologie der Pflanzen, Spektrum-Verlag

Die Richtung des IAA-Transports in Parenchym-Strängen wird durch die polare Anordnung von Influx- und Efflux-Carriern bestimmt. Sie kann durch richtende Signale verändert werden (z.B. Blaulicht, Gravitation, oder taktile Reize).

= IAA

Polarer Auxin-Transport

Phototropismus und Auxin-Querverschiebung

Bei dem durch Blaulicht-induzierten Phototropismus von Koleoptilen (hier Mais) kommt es zur Auxin-Querverschiebung in den Streckungszonen des Sprosses.

MERKE: Die basipetal transportierte Auxin-Menge ist nicht verändert (vgl. Experiment auf der rechten Seite). Eine Querverschiebung von Auxin in die Licht-abgewandte Seite löst Zellstreckung auf der Schattenseite aus (sub-optimale Auxin-Konzentrationen im Spross), so dass die Koleoptile zum Licht hinwächst.

Blaulicht-Rezeptoren (NPH/Phot)

[8,1] [15,4]

[25,8]

Einseitige BestrahlungDunkel

[25,8]Auxin Konz.

[11,5] [11,3]

relative Auxin Konz.

mit Septum(keine Querverschiebung)

Spitze frei(Auxin-Querverschiebung)

(phosphorylierte Proteine)

PPPPPPPP

PP

NPH = non-phototropic hypocotyl(nach Arabidopsis-Mutante benannt )

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Bakterielle Photolyasen

Arabidopsis CRY

Arabidopsis Nph1/Phot2

Vorlesung 2016

Zur Erinnerung:

Blaulicht-Rezeptoren = Cryptochrome (CRY, NPH, Phot)

Struktur: Proteine mit je 2 Chromophoren

Pterin/Flavin FAD MTHFFAD

Redox-Partner?

e-ET

FMN FMN Kinase

bis zu 8x

ATP

Ser-PCys-S

Signal-Domänen

ET = Elektronentransport

C14 Fettsäure (Myristoylgruppe) C16 Fettsäure (Palmitoylgruppe)

N-Myristoylierung (an Glycin in Pos. 2, nach Prozessieren des ersten Met) vermittelt schwache, reversible Interaktionen mit Membranen (und anderen Proteinen). Über Myristoylierung lässt sich der Transport und die Lokalisation von Proteinen steuern. Bei Pflanzen spielt Myristoylierung eine wichtige Rolle bei der Signal-Transduktion (als Reaktion auf äußere Stimuli & Sress).

Phytochrom kann die phototrope Reaktionsfähigkeit erhöhen, ohne selbst phototrop wirksam zu sein!

Der wachsende Spross reagiert i. d. R. positiv, die Wurzel (wenn überhaupt) negativ phototrop.

Daneben gibt es den Dia-Phototropismus, d.h. Blätter orientieren sich quer zum Licht - bei extremer Strahlung u.U. sogar senkrecht (in Lichtachse).

Wirkungsspektrum für die phototrope Reaktion des Lucerne-Hypokotyls (UV-A und Blaulicht)

blauUV-B

Phototropismusdurch Blaulicht vermittelteWachstumsänderung von Organ-Flanken in Streckungszonen von Spross und Wurzel (positiv/negativ).

Phy

UV-A

Hypocotyl

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1. Aktivierung von H+-ATPasen � Ansäuerung der Zellwand

2. Aktivierung von Expansin � Lockerung der Zellwand

3. Neusynthese von Zellwandmaterial

Auxin-induzierte Zellstreckung

Phototropismus

„auxin responsive

element“ (ARE)

Auxin aktiviert Signalkaskaden

„frühe“ (innerhalb Minuten) und „späte“

(im Stundenbereich) Antworten.

Die Promotorbereiche Auxin-induzierter Gene enthalten sogen. “auxin responsive elements“ (ARE) und sind reprimiert (ARF via AUX/IAA).

Extrazellulär bindet Auxin (an ABP1) wodurch nach Andocken an TMK-Rezeptoren in der PM sehr schnell messbare Reaktionen erfolgen (z.B. Aktivierung von H+-ATPasen in der PM).

Bei intrazellulärer Akkumulation bindet Auxin an TIR1, ein Auxin-Bindeprotein des cytosolischenE3/SCF (F-box)-Komplexes. Dies führt zur Ubiquitinierung von Aux/IAA-Repressoren(induzierter Abbau) und Transkription Auxin-induzierter Gene wie MHA2 (eine H+-ATPase) und ZMK1 (ein K+-Kanal an der PM).

Weitere Auxin-induzierte Gene kodieren für Proteine, die zur Manifestation der Auxin-Antwort beitragen (z.B. Enzyme, die zur Neusynthese von Zellwandmaterial benötigt werden).

Vorlesung 2016 Abb. verändert nach Taiz/Zeiger, Physiologie der Pflanzen, Spektrum-Verlag

Aux/IAA

ARF ARF

Aux/IAA

ARF ARF (auxin response factor)

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Auxin-abhängige Prozesse an der PM und in der Zelle

Abb. verändert nach Christian et al. (2006).

„How does Auxin enhance cell elongation? Roles of Auxin-binding proteins and potassium channels in growth control“. Plant Biol. 8: 346-352.

PMdocking

TMK1-4

ABP1 -KDEL

IAA

„frühe“ Auxin-Antworten (min)

„späte“ Auxin-Antworten (h)

IAA

K+ K+

Zmk1 Zmk1

AuxRE

ARF

TIR1

AuxRE

ARF

Aux/IAA

DNA

Aux/IAA -Ubi

K+-Kanal (ZMK1)H+-ATPase (MHA2)

Aux/IAA

Cytosol

Apoplast

(+)

Transport zur PM

Translation am ER

(Export aus Nukleus)

Transkription

Abfall pHout

(Expansine ↑) WandlockerungZell-Elongation

H+

ATPase

IAA

TIR = auxin transport inhibitor resistant

CBP1CBP1

GPI

?!

K+

Zmk1

Proteo-lyse in

Protea-somen

Ubiquitin markiert Proteine für den Abbau

Ubiquitin-markierte Proteine werden in Proteasomen degradiert (im Cytosol)

Energie-abhängige Markierungmit Ubiquitin (ATP→AMP + 2 Pi und Thio-ester-Bindung von E1 (E2)

Assoziation mit E3 (ubi-quitinieren-der Protein-Komplex)

Thioester-Transfer

MG-132

Vorlesung 2016

Abb. aus Buchanan et al. „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“, American Society of Plant Physiologists

Phot3/Nph3

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ANALOG: PIF4-vermittelte Schattenvermeidung

Stamm & Kumar (2010)The phytohormone signal network regulating elongation growth during shade avoidance. J. Exp. Bot. 61: 2889-2903.

Fig. 2. In white light (high R:FR), PIF4-mediated transcriptional activation is inhibited. Part of the PIF4 protein pool is sequestered in inactive complexes with DELLA proteins, whereas another part is bound by the FR absorbing active PhyB (Pfr B), which leads to the degradation of PIF4 via the ubiquitin–proteasome pathway. In FR light-enriched environments, e.g. due to canopy shade, Pfr B is converted to its R-absorbing inactive form (Pr B), which abolishes its ability to bind PIF4. Thus, PIF4 can accumulate, allowing transcription of shade-induced genes. In addition, gibberellic acid (GA) levels increase in response to shade, which leads to the degradation of DELLA proteins, releasing an additional pool of PIF4 protein. In prolonged shade, HFR1 accumulates and forms heterodimers with PIF4 that do not bind to DNA any more, thus preventing an exaggerated response.

hellrotes Licht überwiegt ⇒Pfr-Form von PhyBim Zellkern

dunkelrotes Licht überwiegt⇒Pr-Form von PhyB

bleibt im Cytosol

Maiswurzeln werden auf die Seite gelegt. Nach 90 min ist eine Krümmung in Richtung des Erdmittelpunktes zu sehen. Diese Bewegung heißt aber nicht Geo-, sondern Gravitropismus.

Modifizierte Plastiden (Statolithen) in speziellen Zellen (Statocyten) der Wurzelhaube lagern sich am basalen Ende der Zellen ab. Dies führt zu einer Umleitung des Auxin-Stroms in der Wurzelspitze und damit zu ungleichem Streckungswachstum der Wurzelflanken.

Gravitropismus und Statolithen-Hypothese

Vorlesung 2016

Abb. aus Campbell, „Biologie“, Spektrum-Verlag

Im Spross wird die Schwerkraft ebenfalls perzipiert! (z.B. in spez. Stärke-Scheiden der Rinde)

g

t = 0 min

t = 90 min

Mais-Wurzel

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Modellvorstellung zur Auxin-Umverteilung in der Wurzelspitze bei der gravitropen Reaktion

In der Wurzel wirkt eine Erhöhung der Auxin-Konzentration supra-optimal, d.h. hemmend auf die Zellstreckung, und zwar in der dem Erdmittelpunkt zugewandten Flanke (wahrscheinlich durch Ethylen-Bildung).

Statolithen-Hypothese:

Schwerkraftwahrnehmung erfolgt u.a. durch einseitige Belastung des Cytoskeletts und wird durch Stärke-haltige Amyloplasten (und andere Organellen, wie das ER) vermittelt, die am Aktin-Cytoskelett verankert sind.

Schwerkraftwahrnehmung kann daher auch in Zellen ohne spezielle Statolithen erfolgen! Wahrscheinlich öffnen Ca2+-Kanäle in der Plasmamembran über Zugkräfte am Cytoskelett (vermittelt durch Masse-reiche Organellen). Dadurch erhöht sich die intrazelluläre Ca2+-Konzentration auf der apikalen Seite (Ca2+ signaling: „PM central control“-Modell).

Vorlesung 2016

Abb. aus Taiz/Zeiger, Physiologie der Pflanzen, Spektrum-Verlag

Schwerkraftwahrnehmungführt zu einer Verschiebung der Auxin-Konzentration im Gewebe ⇒ gravitropeReaktion, via Stimulation oder Hemmung der Zell-Streckung - je nach Lage des Auxin-Optimums im jeweiligen Gewebe. MERKE: In Spross und Wurzel verschieden!

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Vorlesung 2016

Abb. aus Buchanan et al. „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“, American Society of Plant Physiologists

Cytoskelett-gesteuerter Calzium-Kanal

„Transdukon“

oder„Signalosom“

Ein Proteinkomplex an der PM ist mit dem Cytoskelett (Aktin) verankert und dient so der Signalperzeption und -weiterleitung

Voraussetzung: Aktin-Filament

Verankerung!

Ziehen bzw. Erschlaffen

Nastien – Bewegungsrichtung ist anatomisch vorgegeben

Pflanzenbewegungen, bei denen die Richtung des auslösenden Reizes keinen Einfluss auf die Bewegungsrichtung hat: „Alles-oder-Nichts“-Reaktionen bei Überschreiten eines Schwellen-werts), sind vollständig reversibel und werden durch schnelle Turgor-Änderungen ausgelöst:

- Turgor-Erhöhung durch aktive K+-Aufnahme (K+-Pumpen!) - Erschlaffung durch Öffnen von K+-Kanälen.

Beispiele:

• Spaltöffnungsbewegung

• seismonastische Blattbewegung (von Mimosen bei Berührung, Erschütterung)

• circadiane (Tages-rhythmische) „Schlafbewegung“ von Blättern

Vorlesung 2016 Abb. aus Campbell, Biologie, Spektrum-Verlag

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Spaltöffnungsbewegungen als nastische Zellbewegungen

Die Öffnung von Stomata erfolgt durch osmotische Druckerhöhung (d. h. aktive K+-Aufnahme über Kaliumpumpen (aktiv), z.B. bei niedrigem pCO2 in den Atemhöhlen des Blattes).

Schließen (Erschlaffen) durch Öffnen von Kaliumkanälen, z. B. bei Wasserstress der Wurzel (nach ABA-Ausschüttung).

Die Teilchenkonzentration in den Nebenzellen steigt an (⇒ Osmose)

Wasser strömt passiv nach, so dass der Turgordruck in den Schließzellen sinkt (Öffnen). Verteilung von K+ (= rote Punkte) beim Schließen der Stomata

Zelle turgeszent, Stoma geöffnet Zelle erschlafft, Stoma geschlossen

Vorlesung 2016

Abb. aus Buchanan et al. „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“, Am. Society of Plant Physiologists.

Turgorerhöhung

Turgor-Erniedrigung

Schnelle Turgor-Bewegungen werden durch „osmotische Motoren“ ausgelöst, (Ca2+-induziertes Öffnen von Ionenkanälen ⇒ „Erschlaffen“).

Beispiele: • Schließen der Stomata• seismonastische Bewegung der Mimose

Die Reizweiterleitung erfolgt durch „Aktionspotentiale“ (entlang der PM)zu osmotisch aktiven Gelenkzellen.

Turgor-Erhöhung

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Vorlesung 2016

Abb. aus Buchanan et al. „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“, Am. Society of Plant Physiologists.

Aktin

Aktivierung von Spannungs-kontrollierten Ca2+-Kanälen

Blaulicht, Berührung,

etc.

Zug-regulierter Ca2+-Kanal

Spannungs-regulierter (V)

Ca2+-Kanal

Extrazelluläre Wahrnehmung führt zu

intrazellulären Verrechnungen

Mechanoperzeption

Cellulose-Mikrofibrillen haben über (Rosettenkomplexe) und transmembraneRezeptoren Kontakt zu kortikalen Mikrotubuli auf der Membran-Innenseite.

⇒ Verformung der Zellwand löst eine Reaktion des Cytoskeletts aus!

Vorlesung 2016

Abb. aus Buchanan et al. „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“, Am. Society of Plant Physiologists.

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Touch- or wind-induced reactions

Figure 2. Mechanical stimulation induces ion fluxes in plants.

(a) Mechanical stimulation, provided by directing a stream of air

onto the aerial parts of a plant expressing the Ca2+-dependent

luminescent protein aequorin, revealed that mechanical signals lead

to rapid and transient increases in cytosolic Ca2+. Cold shock (0°C)

was used as a control stimulus also known to elicit large scale

increases in cytosolic Ca2+ in plants.

(b) Repeated mechanical stimulation leads to attenuation of

subsequent Ca2+ responses, suggesting either downregulation of the

mechanosensor upon repeated stimulation, or exhaustion of the store

of Ca2+ being released to increase cytosolic ion levels. The recovery

after a period of no stimulation could represent refilling of the

discharged Ca2+ stores or resensitization of the mechanoreceptor

system.

(c) Model of possible plasma membrane signaling events upon

mechanical stimulation drawn from events seen during turgor-driven

root-hair and pollen-tube elongation. Membrane tension leads to

opening of a Ca2+-permeable channel. A cytosolic Ca2+ increase

then activates a proton transporter leading to cytosolic acidification

and cell-wall alkalinization. Simultaneously, at least in root hairs,

the NADPH oxidase RBOH C is activated through its Ca2+-binding

EF hand motifs leading to ROS production in the cell wall. Wall

ROS might then leak back to the cytoplasm. Cytosolic ROS, pH

decrease and Ca2+ increase are all known to elicit signaling events.

Similarly, elevated wall pH and ROS are known to rigidify the wall

matrix (pectin). ⇒ opposite of auxin, antagonist = ethylene!

Thus, this Ca2+-dependent system can directly modulate growth,

through altering wall properties, and can elicit the cytoplasmic

signaling cascades known to be linked to mechanical response.

Refraktärzeit

Review: Monshausen & Gilroy (2009) „Feeling green: Mechanosensing in Plants“, Trends in Cell Biology 19: 228-235.

Figure 4. Action of possible mechano-

responsive elements.

Plant mechanosensors probably fall into

two broad classes: those activated by

tension in the membrane, as exemplified

by the MSL family of Cl- permeable

channels, and those monitoring wall status

and/or sheer between the wall and the

plasma membrane. SAC represents the

stretch-activated Ca2+-permeable conduc-

tance identified through electrophysiology

but yet to be cloned. AtHK1 operates in an

osmosensing pathway that potentially

functions through a phospho-relay cascade

that uses the antagonistic response

regulators ARR3/4 and ARR8/9.

The Receptor-like Kinases (RLKs) such as

wall-associated kinases (WAK), Theseus

(THE1, senses inhibition of Cellulose

biosynthesis) and the lectin domain-

containing RLK provide models for how a

wall sensor might operate. They are likely

to elicit protein kinase-dependent signals

that could relay mechanical information

directly to mechano-responsive gene

expression for example, or interact with

the Ca2+-dependent signaling cascade that,

to date, remains the best characterized

mechanically induced signal transduction

event in plants.

Review: Monshausen & Gilroy (2009) „Feeling green: Mechanosensing in Plants“, Trends in Cell Biology 19: 228-235.

Mechanoperzeption (aktuelles Modell)

Wand-StatusMembran Zug

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Berührung und andere mechanische Reize können Änderungen des Streckungswachstums auslösen

Beispiele:

• Rankenbewegung

• Kurzwüchsigkeit

Wuchshemmung durch Ethylen-

Freisetzung nach Berührung

Neben reinem Wachstum werden auch andere Entwicklungsprozesse durch mechanische Reize ausgelöst (z.B. Holz-bildung im Stängel durch Druck- oder Wind-belastung).

Auch Berührungsreize werden durch Calzium-Signale übertragen (z.B. Öffnen Spannungs-regulierter Ca2+-Kanäle nach mechanischer Verformung).

Also – Pflanzen besser nicht streicheln !

Zusammenfassung

Bewegungen bei Pflanzen

Tropismen Reaktionen zum Reiz hin (gerichtete Wachstumsbewegungen)

Nastien „Alles-oder-Nichts“-Reaktionen (ungerichtete Turgorbewegungen)

Taxien Orientierung entlang eines Stoffgradienten (bei frei schwimmenden Organismen)