Giberelinas

As giberelinas foram identificadas como compostos de fungos que promovem o alongamento do caule

Photo source: Nigel Cattlin, Visuals Unlimited, Inc.

Giberelina (GA3)

Plantas infectadassão hiperalongadas

DoençaBakanae(Gibberella fujikuroi)

Plantasnão afetadas

Doença de Bakanae produz “plantas bobas”, as plantas infectadas se alongam muito rapidamente, e são incapazes de se sustentar; elas são também macho estéreis, inviáveis.

Descoberta em 1926 no Japão

As giberelinas foram identificadas como reguladores endógenos do crescimento vegetal

Lester, D.R., Ross, J.J., Davies, P.J., and Reid, J.B. (1997) Mendel's stem length gene (Le) encodes a gibberellin 3[beta]-hydroxylase. Plant Cell 9: 1435-1443; Wheat mage courtesy of Mary Burrows, Montana State University, Bugwood.org; Clementine photo by Azcolvin429.

Dsenvolvimento de muitos frutos sem semente necessita aplicação de GA.

Ervilhas anãs de Mendel’ são

deficientes na síntese de GA.

Ervilha normal

Giberelina promove alongamento do caule e produção de sementes. Em algumas plantas elas promovem florescimento e desenvolviento de fruto.

Algumas plantas são tratadas com inibidores da síntese de GA para manter um estatura baixa e prevenir tombamento e acamamento .

Síntese de GA e homeostase

Phinney, B.O. (1956). Growth response of single-gene dwarf mutants in maize to gibberellic acid. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 42: 185-189.

A via de biossíntese de GA em plantas foi determinada em parte pela análise de plantas anãs deficientes em GA. Normal Normal

+ GAAnã-1 Anã-1

+ GA

In 1956, B.O. Phinney encontrou que algumas plantas de milho anãs poderiam ser recuperadas pela aplicação de GA.

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

Via do ácido mevalônico

Via Metileritritol

fosfato

CPS – ent copalil difosfato sintase KS – ent-caureno sintase

GA promove o crescimento através da expansão e divisão celular

Expansão celular

Divisão celular

Expansão celular

GA induz a expresão de proteínas regulatórias do ciclo celular chamadas ciclinas.

GA promove alongamento celular através do afrouxamento da parede celular

Ao contrário das auxinas, GA não possui transporte polar

Adapted from Kato, J. (1958) Non polar transport of gibberllin through pea stem and a method for its determination. Science 128: 1008-1009.

A mesma quantidade de GA move da parte superior contendo o bloco doador para o bloco abaixo independentemente da polaridade do segmento do caule. Ao contrário, auxinas se movem do ápice do caule para a base.

Orientação normal

Orientação invertida

GAs são transmitidos por enxertia; elas podem mover por longas distâncias

Proebsting, W.M., et al. (1992). Gibberellin concentration and transport in genetic lines of pea : Effects of grafting. Plant Physiol. 100: 1354-1360; Katsumi, M., et al. (1983). Evidence for the translocation of gibberellin A3 and gibberellin-like substances in grafts between normal, dwarf1 and dwarf5 seedlings of Zea mays L. Plant Cell Physiol. 24: 379-388 Copyright 1983 Japanese Society of Plant Physiologists, with permission.

Em ervilha, um broto do mutante na é resgatado pela enxertia no sistema radicular Na.

d1- d1

WT - d1

Plântulas de milho são enxertadas alado a lado

Em milho, GA ou GA-precursor move da planta

normal para o mutante d1 e promove crescimento.

nana

naNa

Lang, A. (1957). The effect of gibberellin upon flower formation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 43: 709-717.

GA pode superar a o comprimento de dia necessário para promover o florescimento

Controle

Em algumas espécies de plantas que necessitam dias longos para o florescimento, GA pode induzir floração mesmo em dias curtos.

Samolus parviflorus cresce em dias curtos com ou sem tratamento com giberelina.

Giberelina

Mutantes com perda da função das enzimas CPS ou KS são ananizantes

Sakamoto, T., et al. (2004). An overview of gibberellin metabolism enzyme genes and their related mutants in rice. Plant Physiol. 134: 1642-1653.

GGPP

Wt

oscps-1 osks-1

oscps-1 osks-1

CPS

CPP

KS

ent-kaurene Tipo selvagem e

mutante anã de arroz

Essas enzimas são codificadas por um ou poucos genes, assim mutantes tem níveis de GA severamente reduzidos.

CPS – ent copalil difosfato sintase KS – ent-kaurene sintase

Geranilgeranil difosfato

Ent copalil difosfato

De forma similar, perda da função dos genes KO ou KAO gera plantas anãs

Davidson, S.E., Elliott, R.C., Helliwell, C.A., Poole, A.T., and Reid, J.B. (2003). The pea gene NA encodes ent-kaurenoic acid oxidase. Plant Physiol. 131: 335-344. Davidson, S.E., Smith, J.J., Helliwell, C.A., Poole, A.T., and Reid, J.B. (2004). The pea gene LH encodes ent-kaurene oxidase. Plant Physiol. 134: 1123-1134.

O gene de ervilha LH codifca a enzima ent-caureno oxidase (KO)

ent-caureno

Ácido ent-caureno

GA12

KO

KAO

Em ervilha o gene NA codifica para a enzima ácido ent-caureno oxidade (KAO)

As últimas enzimas da via são codificadas por vários genes com diferente padrão de expressão

Imaage courtesy of M. Matsuoka. Sasaki, A., Ashikari, M., Ueguchi-Tanaka, M., Itoh, H., Nishimura, A., Swapan, D., Ishiyama, K., Saito, T., Kobayashi, M., Khush, G. S., Kitano, H. and Matsuoka, M. (2002) A mutant gibberellin-synthesis gene in rice. Nature 416, (6882) 701-702.

GA12 GA53

GA 20-oxidase

GA 13-hidroxilase

GA9 GA20

GA4 GA1 Gas

ativas

A variedade semi-anã 1 é mutada em uma GA 20 oxidase que é expressa em brotações mas não em tecidos reprodutivos, direcionando ao um aumento na produção de grãos (revolução verde).

GA 3-oxidase

GAs podem ser desativadas por várias enzimas

HO

HO

GA2ox

HO

CH3

HO

HOGA4

Entrenó alongado superior

(EUI)

GA Metil-Transferase

(GAMT)

ELONGATED UPPERMOST INTERNODE codifica uma enzima para desativação de GA

Perda da função em mutantes causa alongamento e linhas com super-expressão produzem plantas anãs.

Zhu, Y., et al. (2006). ELONGATED UPPERMOST INTERNODE encodes a cytochrome P450 monooxygenase that epoxidizes gibberellins in a novel deactivation reaction in rice. Plant Cell 18: 442-456.

GA2oxidase controla o movimento de GA no meristema apical

Sakamoto, T., Kobayashi, M., Itoh, H., Tagiri, A., Kayano, T., Tanaka, H., Iwahori, S., and Matsuoka, M. (2001). Expression of a gibberellin 2-oxidase gene around the shoot apex is related to phase transition in rice. Plant Physiol. 125: 1508-1516.

Antes da transição para floração, OsGA2ox1 é expresso apenas abaixo do meristema apical, seletivamente excluindo GA1 e GA4.

GA4 GA5

Tem sido demosntrado em Lolium (azevem) que GA5 (que resistente a desativação por GA2ox) pode se mover dentro do meristema mesmo na presença de GA2ox .

OsGA2ox1 mRNA

GA4 entra no meristema após a expressão de GA2ox ser cessada

GA4 GA5

Após indução floral, a expressão de GA2ox é cessada, permitindo que GA4 mova para dentro do meristema e promova alongamento das brotações.

Em Lolium, níveis de GA5 aumentam rapidamente nos brotos após uma simples indução por um dia longo, enquanto que os níveis GA4 e GA1 aumentam depois.

King, R.W., Moritz, T., Evans, L.T., Junttila, O., and Herlt, A.J. (2001). Long-day induction of flowering in Lolium temulentum involves sequential increases in specific gibberellins at the shoot apex. Plant Physiol. 127: 624-632.

Days after induction

Nanismo é conferido pela superexpressão da enzima que desativa GA, GA 2-oxidase

Schomburg, F.M., Bizzell, C.M., Lee, D.J., Zeevaart, J.A.D., and Amasino, R.M. (2003). Overexpression of a novel class of gibberellin 2-oxidases decreases gibberellin levels and creates dwarf plants. Plant Cell 15: 151-163.

Forma inativa

WT

WT

Arabidopsis

Fumo

GA2ox GA2ox

GA2ox GA2ox

Arabidopsis

WT GA2ox GA2ox

GA12 GA53

GA 20-oxidase

GA 13-hidroxilase

GA 2-oxidase

GA9 GA20

GA4 GA1

GA 3-oxidase

GA 2-oxidase

GA 2-oxidase

Forma inativa

Forma inativa

Forma inativa

As diferentes GA2 oxidases podem preferencialmente atuar em GAs ativas ou em seus precursores, com diferentes resultados no desenvolvimento.

Superexpressão de uma GA- metiltransferase causa nanismo

Varbanova, M., et al. (2007). Methylation of gibberellins by Arabidopsis GAMT1 and GAMT2. Plant Cell 19: 32-45.

WT

WT

Fumo

Petunia

GAMT1GAMT1

Modulação de GA em tecido específico otimiza o crescimento e produção

Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: Nature Biotechnology. Hedden, P. (2003) Constructing dwarf rice. Nature Biotech.  21: 873 - 874 , copyright 2003.

Aumento do catabolismo de GA somente em internós produz plantas anãs de arroz com alta produtividade.

Aumento do catabolismo de GA em toda a planta usando um promotor constitutivo afeta a produção de sementes.

ACTPRO::GA2OX

GA3OXPRO::GA2OX

Liberando GAs da forma conjugada, β-glucosidade: ativa GA e induz crescimento

Mutantes de arroz e cevada slender1 tem uma resposta constitutiva a GA

Fu, X., Richards, D.E., Ait-ali, T., Hynes, L.W., Ougham, H., Peng, J., and Harberd, N.P. (2002). Gibberellin-mediated proteasome-dependent degradation of the barley DELLA protein SLN1 repressor. Plant Cell 14: 3191-3200. ; Ikeda, A., et al. (2001). slender Rice, a constitutive gibberellin response mutant, is caused by a null mutation of the SLR1 gene, an ortholog of the height-regulating gene GAI/RGA/RHT/D8. Plant Cell 13: 999-1010.

WT sln1-1

0

50

100

150

200

250

[GA3] (pg/g)

WT sln1

O acúmulo de GA em plantas sln é muito menor que em WT, indicando que esta é uma mutação na sinalização e não um mutante de superexpressão de GA.

Cevada

Rice

WT WT+ GA

slr1

Arroz

GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1 (GID1) codifica um receptor de GA

Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE. Ueguchi-Tanaka, M., et al. (2005) GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1 encodes a soluble receptor for gibberellin. Nature 437: 693-698, copyright 2005.

WT gid1-1

Improvável mutação na biossíntese, o mutante de arroz g gid1 não é recuperado por GA – ele é insensível a giberelina.

Superexpressão do gene GID1 gera plantas hipersensíveis a GA

Essas observações são consistentes pois GID1 é um receptor de GA.

Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: NATURE. Ueguchi-Tanaka, M., et al. (2005) GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1 encodes a soluble receptor for gibberellin. Nature 437: 693-698, copyright 2005.

Arabidopsis tem três genes codificando para GID1

Griffiths, J. et al. (2006) Genetic characterization and functional analysis of the GID1 gibberellin receptors in Arabidopsis. Plant Cell18: 3399–3414.

WT gid1a-1 gid1b-1 gid1c-1 gid1a-1gid1b-1gid1c-1Mutantes simples

Mutante triplo

Como em arroz, a planta mutantGID é insensível a GA.

A expressão do gene GID1 é negativamente controlada por GA

Griffiths, J. et al. (2006) Genetic characterization and functional analysis of the GID1 gibberellin receptors in Arabidopsis. Plant Cell18: 3399–3414.

GAGA3ox1 Resposta

GA reprime a expressão dos genes envolvidos em sua própria síntese (e.g GA3ox) e resposta (e.g. GID1a,b,c); estes genes são importantes no controle “feedback”.

GID1

Biossíntese de GA e desativação ocorrem sob forte controle

Thomas, S.G., Phillips, A.L., and Hedden, P. (1999). Molecular cloning and functional expression of gibberellin 2- oxidases, multifunctional enzymes involved in gibberellin deactivation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96: 4698-4703 Copyright 1999 National Academy of Sciences, USA.

Auxin

GAs ativos reprimem a síntese de GA e induzem a desativação de GA.

Auxina eleva a síntese de GA.

Temperatura e luz regulam

A3ox

A maioria dos genes são expressos de forma célula específica

Paclobutrazol inibe a síntese de GA

Adapted from Rieu, I., et al. (2008). Genetic analysis reveals that C19-GA 2-Oxidation is a major gibberellin inactivation pathway in Arabidopsis. Plant Cell 20: 2420-2436.

0 M PAC 1 M PAC 5 M PAC 25 M PAC

Plantas de Arabidopsis tratadas com diferentes concentrações de paclobutrazol (PAC).

Paclobutrazol é frequentemente aplicado (spray) em plantas para interferir na síntese de GA e prevenir o crescimento de ramos (e.g. em árvores frutíferas).

Formação de frutos partenocárpicos

Auxinas e gibrelinas

Auxina Giberelina

GA e a altura das plantas: Vantagens x desvantagem

Giberelinas - Resumo

• Mutantes na síntese de GAs são anões, e podem ou não ser afetados no desenvolvimento reprodutivo

•Os níveis de GAs ativos são controlados pela regulação da síntese e da desativação

•GA move dentro de tecidos mas os mecanismos de transporte ainda não são conhecidos

• O Controle no acúmulo de GAs ativos através de estratégias químicas e genéticas contribuiu grandemente para a produtividade agrícola