Citocininas + CK

+ auxin + auxin and CK

A descoberta da citocinina

Citocininas foram descobertas através de esforços para identificar compostos que aumentavam o crescimento de células vegetais em cultura.

Na década de 50, o grupo de pesquisa de Folke Skoog identificou uma citocinina sintética, a cinetina.

Amasino, R. (2005) 1955: Kinetin Arrives. The 50th Anniversary of a newplant hormone. Plant Physiol. 138: 1177 – 1184.

Controle Com cinetina

Citocininas e auxinas controlam a organogênese em cultura de tecidos

+ Citocinina

+ auxina + auxina e Citocinina

Discos foliares de fumo foram colocados em frascos estéreis de cultura contendo meio de cultura com diferentes combinações hormonais.

Tempo

Images courtesy of Richard Amasino.

Eles também observaram que auxinas e citocininas atuam antagonicamente, e que o balanço entre hormônios é crítico para seus efeitos.

METABOLISMO PRIMÁRIO DE CARBONO

Fotossíntese

Piruvato

Acetil-CoA

Eritrose 4 fosfatoFosfoenolpiruvato 3 fosfoglicerato

Via do ácido shikimico

Aminoácidos aromáticos

Ciclo do ácido tricarboxílico

Aminoácidos alifáticos

Via do ácido malônico

Produtos secundários contendo nitrogênio

Compostos fenólicos

Via do ácido mevalônico

Terpenos

Via Metileritritol

fosfato

Isopentenil transferase (IPT)

Isopentenil trifosfato (iPTP) e isopentenil difosfato (iPDP)

Isopentenil monofosfato (iPMP)

Dimetilalil difosfato (DMAPP)

Isopenteniladenosina Isopenteniladenina

Isopenteniladenosina Isopenteniladenina

Isopentenil trifosfato (iPTP) e isopentenil difosfato (iPDP)

Isopentenil monofosfato (iPMP)

Zeatina ribosídeo trifosfato (ZTP)e zeatina ribosídeo difosfato (ZDP)

Zeatina ribosídeo monofosfato (ZMP)

Ribotídeos Trans-Zeatina ribosídeo

Ribosídeo

Conjugação da Zeatina

Zeatina O-glucosil transferase

Glicose

Arabidopsis response regulator

Citocininas ativam ciclinas durante a divisão celular

DNA

O patógeno de planta Agrobacterium tumefaciens induz tumores baseados em hormônios

SEM courtesy of Martha Hawes, University of Arizona; grown gall by C-M

Agrobacterium tumefaciens na superfície de um tecido vegetal.

Agrobacterium tumefaciens é um patógeno natural de plantas. Ele causa a doença da galha da coroa e o qual cresce como um tumor pela indução de auxinas e citocininas na célula vegetal.

Agrobacterium tumefaciens

1907. Descrição da galha da coroa.

1930 . Caracteriza-se o agente: Agrobacterium

1970. Idenficação de um mega-plasmídeo em linhagens virulentas (Plasmídeo Ti).

1977. Descoberta que apenas alguns genes do plasmídeo Ti (T-DNA) eram incorporados no genoma da planta e induziam tumores.

1977. Identificação das regiões repetidas (25 pb) e os genes de indução de tumores do T-DNA.

1979-1983. Troca dos genes indutores de tumores do T-DNA por genes marcadores e o desenvolvimento das primeiras plantas transgênicas através do uso de agrobacterium.

1. O tumor iniciado quando a bactéria entra na lesão e se fixa as célula.

3. Células transformadas proliferam para formar o tumor da galha da coroa.4. O tecido do tumor pode ser limpo de bactéria

incubando a 42° C. O tumor livre da bactéria pode ser cultivado indefinidamente na ausência de hormônios.

2. A bactéria virulenta carrega um plasmídeo Ti em adição para seu próprio DNA cromossomal. Os T-DNA dos plasmídeos entram na célula e se integra dentro do DNA cromossomal da célula.

T-DNA inclui genes para biossíntese de auxinas e citocininas

PlasmídeoTi

Tumor normalT-DNA normal

Síntese de Auxina Síntese de

citocinina

T-DNA inclui genes para biossíntese de auxinas e citocininas

PlasmídeoTi

Tumor normal

produção de auxina and citocinina

Gene tmr mutado

Gene tms mutado

Tumor formando raízes

Tumor formando brotos

produção de auxina

produção de citocininas

T-DNA normal

Esses estudos demonstraram que o gene tmr da Agrobacterium codifica uma enzima da biossíntese de citocinina

Transformação genética por Agrobacterium tumefaciens

O gene tmr codifica para a isopentenil-transferase, uma enzima chave na síntese de citocininas

iPRMP isopenteniladenine (iP) riboídeo

fosfato

Isopentenil-transferase (IPT)

DMAPP – dimetilalil-difosfato

O gene IPT de bactéria usa exclusivamente AMP como substrato enquanto que o gene IPT de plantas prefere ADP ou ATP.

AMP

Haberer, G. and Kieber, J.J. (2002) Cytokinins. New insights into a classic phytohormone. Plant Physiol. 128: 354-362.

O gene IPT de bactéria foi usado para isolar genes IPT de plantas

Arabidopsis e arroz codificam 7 e 8 IPTs respectivamente.

Takei, K., Sakakibara, H., and Sugiyama, T. (2001) Identification of genes encoding adenylate isopentenyltransferase, a cytokinin biosynthesis enzyme, in Arabidopsis thaliana. J. Biol. Chem. 276: 26405-26410.

Superexpressão de IPT causa reduzida dominância apical, redução no crescimento

radicular e senescência retardada

Medford, J.I., et al. (1989) Alterations of endogenous cytokinins in plants using a chimeric isopentenyl transferase gene Plant Cell1: 403-413.

normal Superexpressão IPT

Elevada concentração de CK promove o crescimento da parte aérea e restringe o crescimento do sistema radicular

Elevada CK promove quebra de dormência de brotações laterais

WT atipt1;3;5;7

WT

WT

atipt1;3;5;7

Mutantes ipt tem crescimento reduzido de brotos e aumento do alongamento de raízes

O mutante com os 4 genes ipt mutados reduce de CK nível para menos que 20% do encontrado em plantas tipo selvagem.

Estes mutantes deficientes em CK apresentam uma dramática redução no meristema apical e crescimentos de brotos e aumento do crescimento do sistema radicular.

atipt1;3;5;7

Miyawaki, K., et al. (2006). Roles of Arabidopsis ATP/ADP isopentenyltransferases and tRNA isopentenyltransferases in cytokinin biosynthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103: 16598-16603.

Plantas superexpressando CKX apresentam aumento no sistema radicular e redução no

crescimento de brotos

Werner, T., Motyka, V., Strnad, M., and Schmülling, T. (2001). Regulation of plant growth by cytokinin. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98: 10487-10492, Copyright 2001 National Academy of Sciences, USA.

Importante !!! Esses efeitos no crescimento são muito similares a aqueles causados por mutações no gene ipt !

Variação natural na expressão de CKX afeta a produção de grãos em arroz

Ashikari, M. et al. (2005) Cytokinin oxidase regulates rice grain production. Science 309: 741 – 745, with permission from AAAS;

As plantas de arroz que acumulam mais CK podem produzir mais grãos por planta através de mudanças na arquitetura das inflorescências.

A variedade de arroz Koshihikari (Ko) apresenta elevada expressão do gene OsCKX2, baixos níveis de CK, e reduzida produção de grãos quando comparada a linhas melhoradas (NIL).

A perda da função de genes log em plantas mutantes falham em manter o meristema apical

LONELY GUY (LOG) mRNA é localizado especificamente no ápice de meristemas. A mutação nos genes log demonstram redução de gemas laterais e floração anormal, presumivelmente causado por reduzidos níveis de CK ativas.

Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd.: Nature. Kurakawa, T., et al. (2007). Direct control of shoot meristem activity by a cytokinin-activating enzyme. Nature 445: 652-655, copyright 2007.

Citocininas atuam como sinal a longa distâncias

From Faiss, M., Zalubìlová, J., Strnad, M., and Schmülling, T. (1997). Conditional transgenic expression of the ipt gene indicates a function for cytokinins in paracrine signaling in whole tobacco plants. Plant J. 12: 401-415.

Tempo

Indução de IPT na gema lateral

Uma indução localizada de IPT promove o crescimento de gemas laterais somente na gema induzida, indicando que as CKs sintetizadas atuam somente em um determinado local.

O fenótipo log também demonstra um requerimento para uma síntese localizada de CKs.

CKs são translocadas através do xilema e floema

FloemaXilema

A seiva do xilema contém tZ e tZ ribosídeo que é sintetizado a alto níveis nas raízes pela enzima CYP735A.

A seiva do floema contém isopenteniladenina e trans-Zeatina

iPRP tZRPCYP735A

Nas raízes

Diferentes CKs são produzidas e transportadas diferencialmente através da planta. Estas diferentes formas podem transmitir diferentes informações.

Controle da senescência foliar por citocininas

From Gan, S., and Amasino, R.M. (1995) Inhibition of leaf senescence by autoregulated production of cytokinin Science 270: 1986-1988. Reprinted with permission from AAAS.

Plantas que expressam o gene IPT (isopentenil transferase) sob controle de um promotor induzido pela seca apresentam um retardamento significativo na senescência.

SAG:IPT Controle

SAG:IPT Controle

Citocininas contribuem para a absorção de nutrientes e alocação

NO3-

SO42-

PO43-

CO2

Sink

Sink

Sink

Source

Elevados níveis de nitrato ou fosfato aumentam a taxa de síntese de CK, que diminui a taxa de crescimento do sistema radicular. Por sua vez, aumento nos teores de citocininas reprimem a absorção de nutrientes. Pois inibem o desenvolvimento do sistema radicular

Elevados níveis de citocininas aumentam a expressão de enzimas fotossintéticas e reduzem a senescência.

Source

Citocinias proporciona oportunidades para o melhoramento da agricultura

Wild-type Aumento de CK

Sinalização por citocinas é necessária para o desenvolvimento de nódulos simbióticos. Um mutante com ganho de função produz nódulos esponteamente.

Expressão do gene IPT induzida pela seca confere tolerância a seca.

Tirichine, L., et al. (2007). A gain-of-function mutation in a cytokinin receptor triggers spontaneous root nodule organogenesis. Science 315: 104-107; Murray, J.D., et al. (2007). A cytokinin perception mutant colonized by Rhizobium in the absence of nodule organogenesis. Science 315: 101-104; Rivero, R. M. et al. (2007) Delayed leaf senescence induces extreme drought tolerance in a flowering plant. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104: 19631-19636 Copyright National Academy of Sciences.

Ação das citocininas - sumário

Citocininas tem diversas funções – desde do controle da diferenciação vascular e função do meristema para controlar alocação de nutrientes e senescência foliar.

A correlação entre genes específicos com funções específicas em resposta a citocinas estão em fase inicial de investigação mas há ainda muitas questões a serem respondidas.

Citocininas promover muitas oportunidades inexpolaradas para o aumento da produção agrícola através do aumento da tolerância ao estresse e a produção de sementes.