koordinace růstu a vývoje rostliny s hladinou cukru
Post on 16-Mar-2016
65 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Koordinace růstu a vývoje rostliny s hladinou cukru
vyžaduje mechanismus vnímání dostupnosti C
Systémy účastnící se cukerné signalizace: hexózová signalizace ---- hexokinázahexokináza ---- glukózová signalizace nezávislá na hexokináze glukózová signalizace nezávislá na hexokináze ---- fruktózová signalizace fruktózová signalizace sacharózová signalizacesacharózová signalizace SnRK1SnRK1 trehalóza-6-Ptrehalóza-6-P invertáza …. invertáza ….
Koordinace růstu
úrovni transkripce, stability RNA, translace, stability proteinů i posttranslační regulaci
klíčení a časný vývoj semenáčků, další vegetativní vývoj, reproduktivní vývoj, senescenci a reakce na změny prostředí a stres
změny v dostupnosti C
Jaké procesy sacharidová signalizace ovlivňuje ??
Na jaké úrovni ???
Cukerná signalizace
změny v hladině signálního metabolitu
spuštění signální dráhy odezva
vazba na senzor
Koordinace růstu a vývoje rostliny s hladinou cukru
vyžaduje vyžaduje mechanismus vnímání dostupnosti Cmechanismus vnímání dostupnosti C
Koordinace růstu
úrovni transkripce, stability RNA, translace, stability proteinů i posttranslační regulaci
klíčení a časný vývoj semenáčků, další vegetativní vývoj, reproduktivní vývoj, senescenci a reakce na změny prostředí a stres
změny v dostupnosti C
Jaké procesy sacharidová signalizace ovlivňuje ??
Na jaké úrovni ???
Cukerná signalizace
--- změny v hladině signálního metabolitu
--- spuštění signální dráhy --- odezva
--- vazba na senzor
Systémy účastnící se cukerné signalizace: hexózová signalizace ---- hexokináza ---- glukózová signalizace nezávislá na hexokináze glukózová signalizace nezávislá na hexokináze ---- fruktózová signalizace fruktózová signalizace sacharózová signalizacesacharózová signalizace SnRK1 trehalóza-6-P invertázainvertáza
1
Cukerná signalizace
Glukózová signalizace -- signalizační dráhy indukovatelné glukózou:
AtHXK- hexokináza
dráha vyžadující fosforylaci, ale nevyužívající hexokinázu jako senzor ???
dráha nevyžadující fosforylaci cukrů (senzor spřažený s G-proteinem )
Hexózové systémy signalizace
Fruktózová signalizace -- signalizační dráha indukovatelná fruktózou
Hexokináza (HXK)bifunkční enzym fosforylace hexóz cukerná signalizace
Mutantní AtHXK1 (bodová mutace) 0 kinázová aktivita, zachovaný signalizační potenciál
Invertázami
SuSy (sacharózasyntázou) UDPGfruktóza
glukózafruktóza
HX-PHXKHXK
F- PFKFK
Signál Signál
INV / HK X SuSy / FK
Změna : štěpení invertázou
štěpení SuSy, spojena s vývojovými změnami
Cukerná signalizace -HXK
Štěpení sacharózy:
Hexokináza (HXK) – lokalizace v buňce Hexokináza (HXK) – lokalizace v buňce
Claeyssen & Rivoal, 2007
Cukerná signalizace -HXK
HXK signalizace - esenciální pro represi fotosyntetických genů
Isoformy se liší biochemickými vlastnostmi:
Arabidopsis : 3 HXK geny, 3 HXK-like – pletivo-specifické exprese, stresově-specifické exprese
Monitoruje Monitoruje toktok kontrolním kontrolním bodem metabolizmubodem metabolizmu
• ADP inhibicí
• G-6-P inhibicí, různá úroveň u různých isoforem • T-6-P inhibice nezjištěna !
• Afinitou k substrátu (přednostně glukóze)
???Význam existence isoforem s ???Význam existence isoforem s různými vlastnostmi a rozdílnou různými vlastnostmi a rozdílnou
lokalizací ???lokalizací ???Lokalizace v jádře ! aklimace fotosyntézy ! – interakce HXK-1 s AHA-B1, a RPT5B (podjednotky vakuolární ATPázy a proteasomového komplexu)
Hexokináza (HXK) – lokalizace v buňce Hexokináza (HXK) – lokalizace v buňce
Claeyssen & Rivoal, 2007
Cukerná signalizace -HXK
HXK signalizace - esenciální pro represi fotosyntetických genů
Isoformy se liší biochemickými vlastnostmi:
Arabidopsis : 6 HXK genů – pletivo-specifické exprese, stresově-specifické exprese
Monitoruje Monitoruje toktok kontrolním kontrolním bodem metabolizmubodem metabolizmu
• ADP inhibicí
• G-6-P inhibicí, různá úroveň u různých isoforem • T-6-P inhibice nezjištěna !
• Afinitou k substrátu (přednostně glukóze)
???Význam existence isoforem s ???Význam existence isoforem s různými vlastnostmi a rozdílnou různými vlastnostmi a rozdílnou
lokalizací ???lokalizací ???Lokalizace v jádře ! aklimace fotosyntézy ! – interakce s AHA-B1, a RPT5B (podjednotky vakuolární ATPázy a proteasomového komplexu)
m RNA
Glukóza
PRPT5B
HXK_1
AHA _B1
Fotosyntetické geny
Hexokináza (HXK) – lokalizace v buňce Hexokináza (HXK) – lokalizace v buňce
Claeyssen & Rivoal, 2007
Cukerná signalizace -HXK
HXK signalizace - esenciální pro represi fotosyntetických genů
Isoformy se liší biochemickými vlastnostmi:
Arabidopsis : 6 HXK genů – pletivo-specifické exprese, stresově-specifické exprese
Monitoruje Monitoruje toktok kontrolním kontrolním bodem metabolizmubodem metabolizmu
• ADP inhibicí
• G-6-P inhibicí, různá úroveň u různých isoforem • T-6-P inhibice nezjištěna !
• Afinitou k substrátu (přednostně glukóze)
???Význam existence isoforem s ???Význam existence isoforem s různými vlastnostmi a rozdílnou různými vlastnostmi a rozdílnou
lokalizací ???lokalizací ???Lokalizace v jádře ! aklimace fotosyntézy ! – interakce s AHA-B1, a RPT5B (podjednotky vakuolární ATPázy a proteasomového komplexu)
m RNA
Glukóza
PRPT5B
HXK
AHA -B1
Interakce HXK signalizace se signalizačními drahami fytohormonů
Podle Rolland et al., 2006
Cukerná signalizace
HXK
Glukózaetylén
ABA
cytokininauxin
ABI3ABI4ABI5ABF2ABF3ABF4
Klíčení / časný vývoj semenáčků
EIN3
ABA1ABA2ABA3AA03
HXK1- independentní
Stresová reakce
EIN2
Fruktózová signalizace
Regulační funkce nezávislá na katalytická funkci
Cho et al., 2011
Fruktóza
Glukóza
HXK1
FBF
ABA2
ABI3,4,5ERF1
ABA2 - syntéza ABAABI - ABA signalizaceERF1 - signalizace etylenu (ethylene response factor)
cytosolTrióza-PPi
Fruktóza 1,6 bis-P
Sacharóza 6-P
Sacharóza
Glukóza 1-P
UDP-Glukóza
Fruktóza 6-P
Glukóza 6-P
FFK- fosfofruktokináza
FBF- fruktózabisfosfátfosfatázaFFF- PPi- dependentní fosfofruktokináza
Fruktózová signalizace nezávislá na HXK1 Interakce s ABA a etylénovou signalizací (Li et al., 2011)
• Sacharóza reguluje procesy, které nejsou ovlivňovány hexózovými signalizacemi
• Vnímání se děje na plazmatické membráně ? pomocí transportérů ?? Jiným mechanismem ???
Sacharózová signalizaceSacharózová signalizace
• Regulace translace
Co je specifi
ckým senzorem sa
charózy ???
Wind et al., 2010
Regulace translace sacharózou
Hummel et al., 2009
Exprese bZIP11 indukovatelná sacharidy včetně sacharózy
Regulace exprese bZIP TF dostupností sacharidů (prokázáno u 10 bZIP TF)
SC bZIP11
Sacharóza
AKIN10/11
bZIP11
Regulace translace sacharózou
Hummel et al., 2009
T-6-P
Exprese bZIP11 indukovatelná sacharidy včetně sacharózy
Aktivace genů
Inhibice růstu, modulace metabolizmu sacharidů,
aminokyselin, translokace C
SC bZIP11
Sacharóza Sacharóza
SC bZIP11AKIN10/11
bZIP11
Aktivace genů
Inhibice růstu, modulace metabolizmu sacharidů,
aminokyselin, translokace C
Aktivace genů
Růst, modulace metabolizmu sacharidů,
aminokyselin
AKIN10/11
Regulace translace sacharózouRegulace translace sacharózou
bZIP11
Hummel et al., 2009
overexprese bZIP11 inhibice růstu připomínající reakci na nízký obsah cukrů Ma et al., 2011
Exprese bZIP11 indukovatelná sacharidy včetně sacharózy
T-6-P
translokace C
Další bZIP TF reprimovatelné sacharidyX represe i na úrovni transkripce, neznámý mechanismus, jen u bZIP1 účast hexokinázy Matioli et al., 2011
Transkripční regulace : SuSy, -amyláza, ADPGáza, SPS, a aktivace celé řady dalších genů účastnících se degradace buněčných stěn, aminokyselin, proteinů a lipidů.Řízení řady genů kódujících transkripční faktory a faktory remodelace chromatinuPosttranskripční regulace : HMG-CoA reduktáza, SPS, NR, T-6-P syntáza, ADPGáza, heat shock proteiny
Arabidopsis –heterotrimer, subjednotky :- katalytická, , -regulační - pravděpodobně stejná struktura u jiných rostlin
SnRK 1 (SNF-related protein kinase )
Homolog kvasinkového SNF1 – zodpovědného za aktivaci metabolické odpovědi při nepřítomnosti glukózy
Cukerná signalizace –SnRK1
Rostliny obsahují SnRK2 a SnRK3 genové subrodiny – málo prostudované, pravděp. aktivní při osmotickém stresu
SnRK3SnRK2SNF1SnRK1
AMPK- živočišná
Overexprese AKIN 10 u Arabidopsis oddálení senescence při stresu nedostatku C, oddálené kvetení, změna architektury květenství
Aktivita SnRK1 je inhibována cukry; G-G-6-P6-P
Senzor nízké hladiny cukrů
Cukerná signalizace –SnRK1
Vnímání dostupnosti C a energie - aktivace katabolismu, potlačení aktivace katabolismu, potlačení anabolismuanabolismu
G-6-PG-6-P
tma
Regulace metabolizmuRegulace metabolizmu
Abiotický stres
Stres napadení patogenem, herbivorem
VývoVývojj
Fertilita
Organogeneze Senescenc
e
Podle Polge & Thomase, 2006
Stresová Stresová reakcereakce
SuSy
amyláza
geny degradace stěn, AK, proteinů, lipidů
T-6-P syntáza HMC-CoA reduktáza
NR SPS
SnRK1
posttranslační regulace
transkripční regulace
cukry
Cukerná signalizace T-6-P
Trehalóza
trehalóza
Původní představa: většina rostlin ne, role převzala sacharózaSoučasná představa: Všechny rostliny obsahují trehalózu hladiny µg/g f.w. tedy ne osmoprotektant
Arabidopsis thaliana
Trehaláza 1 gen)
TPS 11 genů (2 skupiny)
TPP 10 genů (2 skupiny)
Paul et al., 2008
UDPG + G-6-P T-6-P trehalóza glukózaTP-syntázaTP-syntáza TP-fosfatázaTP-fosfatáza trehalázatrehaláza
SPP 4 geny
SPS 4 geny (3 skupiny)
Invertáza 17 genů (4 skupiny)
SuSy 6 genů
Cukerná signalizace T-6-P
TrehalózaTrehalóza
trehalóza
Původní představa: většina rostlin ne, role převzala sacharózaSoučasná představa: Všechny rostliny obsahují trehalózu hladiny µg/g f.w. tedy ne osmoprotektant
Arabidopsis thaliana
Trehaláza 1 gen)
TPS 11 genů (2 skupiny)
TPP 10 genů (2 skupiny)
Paul et al., 2008
UDPG + G-6-P T-6-P trehalóza glukózaTP-syntázaTP-syntáza TP-fosfatázaTP-fosfatáza trehalázatrehaláza
SPP 4 geny
SPS 4 geny (3 skupiny)
Invertáza 17 genů (4 skupiny)
SuSy 6 genů
Interakce s hexokinázovou signalizací, se syntézou ABA a signalizační dráhou ABA
AtTPS1 exprese v Arabidopsis vykazují Glc a ABA insenzitivní fenotyp během klíčení
Avonce et al., 2004
Arabidopsis, růst na médiu s trehalózou škrob, ATP, inhibice růstu kořenůVliv na syntézu škrobu : ADPGázy i degradaci : glukan-voda-dikináza, -amyláza, ale !!! jen ve zdrojových listech a ne v kořenech Ramon et al., 2007Tabák zvýšená aktivita TPS ---zvýšená fotosyntetická kapacita na jednotku listové
plochy; Pellny et al., 2004
Cukerná signalizace T-6-P
Hanson et al., 2006
syntézy trehalózy neschopnost zrání
embryí
WT TPS linie Rýže
Garg et al., 2002
syntézy trehalózy odolnost k nedostatku vody
syntézy TPP změny stavby květenství
Satoh-Nagasawa et al., 2006 Wingler et al., 2012
Př.
hladiny T-6-P změny v nástupu senescence
Jenže ! Pouze TPS 1 – prokazatelná aktivita (skupina I)
(DNA x protein analýzy TPSs skupiny II synonymní substituce )
TPS 1- konstitutivní exprese, N- koncové rozšíření je autoinhibiční
TPS skupiny II regulovány světlem, cukry, hladověním, denním rytmem, cytokininy.. , Fosforylace SnRK1 a Ca2+ dependentními kinázami, TPS 5-7 po fosforylaci vazba s 14-3-3
Ostatní ?? Jiná funkce ? Regulační subjednotky TPS1 ??
Různé TSP geny jsou indukovány různými signály: např. : TPS5 .. indukce sacharózou TPS8.. indukce tmou, cytokininem TPS11.. represe hypoxií TPS1 … indukce ABA ve svěracích buňkách
….totéž pro TPP např. : TPP3, TPP9,TPP10.. indukce hypoxií TPP 3.. nitrátem TPP ( tři geny) .. ABA ………………
Differential expression profiles of Arabidopsis TPP genes.
Vandesteene et al., 2012
Podle Paul, 2007
Glukóza, sacharóza, nitrát, ABA, cytokinin, vývoj ovlivňují expresi a post-translační regulaci enzymů syntézy
trehalózy
T-6-PT-6-P trehalózaUDPGUDPG+
G-6-PG-6-P
SnRKSnRK11
T-6-P syntáza T-6-P fosfatáza
ABI4 exprese
ADPGPáza
škrob
Fotosyntéza
Vývoj embryí
Buněčné dělení
Architektura květenství
AKIN 11 exprese, ale ne !! v dospělých listech, faktor I
Stresová reakce
chloroplast
Tvorba komplexu AtTPS s CDKA;1 ? Interakce s buněčným cyklem ?? Geelen et al., 2007
sacharóza
Utilizace C ??? Účastní se trehalóza regulace získávání C symbiotickou houbou ? Lopez et al., 2007
Komplexní síť interagující s ostatními signálními systémy
Nemá hierarchickou stavbu, každá složka systému monitoruje jinou úroveň metabolizmu
Signály jsou integrovány, a teprve poté je ovlivněn konkrétní růstový nebo vývojový proces
Mnohočetný systém vnímání vytvářející signalizační síť
Sacharidová signalizaceSacharidová signalizace
Nepřímá účast invertáz a transportérů na cukerné signalizaci kontrolou
cytosolické koncentrace cukerných signálních molekul (sacharózy, glukóza, G-6-P,
fruktóza….)
Stěnová invertáza generující signál o hladině sacharózy v apoplastu ????
Myo–inositol
Cukerné alkoholy
Sacharidy rafinózové řady
Regulace dostupnosti N
skladují NO3- ve vakuole
upravují transportní aktivity NO3- dle dostupnosti
upravují architektutu kořene dostupnosti NO3-
upravují asimilaci NO3- podle požadavku rostliny
Krouk et al., 2010
Signální síť zahrnující NO3-, NH4
+, glutamát, glutamin, aspartát, NADH..
jako odpověď na změny vnějších a vnitřních podmínek
Koordinace asimilace N a dostupnosti C a energie
……… a signály z C metabolizmu
C/N
Kapacita asimilace N reaguje na dostupnost C pomocí integrovaných signálů fytohormonů, nitrátů, cukrů, org. kyselin a AK
C/N rovnováhaC/N rovnováhaNR regulace exprese nia genů – nitrát, cukry, Gln, světlo/tmapost-translační modifikace – inhibice fosforylací a vazbou 14-3-3 proteinufosforylace/ defosforylace závislá na G-6-P hladině (SnRK1), světle
PEPC regulace aktivace světlem a NO3-
Modulace světlem – fosforylací/defosforylací -- katalyzováno PEPC protein kinázou změna citlivosti k efektorům ( citlivost k inhibici malátem)Transkripce PEPC protein kinázy řízena metabolickými signály: NO3
- a metabolity C a N metabolismu
chloroplast
Sacharóza Hexóza-P
Trióza-PPEPOAA
mitochondrie
OAA
citrát citrát
2-OG
NH4+
AK
NO2- NO3
-
SPS
NRPNR
PEPCPEPCP
SPSP
2-OG
NO2-
SnRK1
GS/GOGAT
C/N
Porušení rovnováhy v získávání C a N změna alokace ve prospěch nadz. části resp. kořenů
Alokace C do kořenů protože: -N produkce cytokininů transportu cytokininů
Rozdělování asimilátů při N deficienci:
Posílení růstu kořenů Omezení růstu nadzemní části
obsahu cytokininůlist kořen
dělení buněk síly sinku
konc. C ve floému
dělení buněk síly sinku
konc. C ve floému
gradient C směrování toku do kořenů
Harmonizace růstu a vývoje jednotlivých částí rostlinyHarmonizace růstu a vývoje jednotlivých částí rostliny
Udržení stability vnitřního prostředí Udržení stability vnitřního prostředí
Výměna látek mezi částmi rostlinyVýměna látek mezi částmi rostliny
Reakce rostliny na změny vnějšího prostředíReakce rostliny na změny vnějšího prostředí
Velké nároky na koordinaci procesů v Velké nároky na koordinaci procesů v rostliněrostlině
Pravděpodobně mnohem složitější: rostliny s významným podílem metabolizmu manitolu, sorbitolu…, volemitolu…, RFO a oligosacharidů s cyklitoly jako základními komponentami ……
Transport a distribuce asimilátů v Transport a distribuce asimilátů v rostlinách a sacharidová signalizace rostlinách a sacharidová signalizace – podstatná role – podstatná role
Díky za pozornost..
top related