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1
von der Zygote
Entwicklungsphysiologieder Pflanzen
Morphogenesedurch Wachstum und Differenzierung
Entwicklungsprogrammegesteuert von innerenund äußeren Faktoren(wie Hormone, Strahlung)
zum
vollständig ausdifferenzierten Organismus
Äußerer Faktor Lichtbei Wachstum im Dunkeln (gegenüber im Licht)
resultiert eine veränderte Morphologie
Skotomorphogenese(Entwicklung im Dunkeln)
Photomorphogenese
(im Licht)
ErdeKnolle Knolle
gestreckte Sprossachse
und nicht entwickelte,
bleiche Blätter
gestauchte Sprossachse
undvoll entwickelte,
grüne Blätter
„Vergeilung“
2
Molekulare Grundlagen der Licht-Perzeption:Phytochrom
(Chromoprotein)
a) Phytochrom Chromophor
b) Phytochrom Apoprotein
c) Absorptionsspektren der Pr- und Pfr-Formen
d) Phytrochrom Aktivitäten
Wachstum & Entwicklung
(verschiedene Antworten)
Pigment-Bildung,Schattenvermeidung, Photoperiodik, etc.
Chromophor
Pr Pfr
Samenkeimung
Pr-Form
Pfr-Form
cis/trans-
Isomerisierung
der
Doppelbindung
Das Phytochrom-Systemals Beispiel eines
molekularen Schaltmechanismus in Pflanzen (Lichtperzeption)
Pfr730
langsame Rückbildung
im Dunkeln
Abbau
dunkelrotes
Licht
Pr660
weisses
oderhellrotes
Licht
Cytosol
Entwicklungs-programme
NukleusChromatin
Kernpore
3
Kern
Genaktivierung via PhytochromEin gutes Beispiel für eine Interaktion von parallel laufenden Signalwegen
Pfr-Form
G-Proteine
Anthocyan-Biosynthese
Chloroplasten-entwicklung
Ca2+
CaM
aktiviert Klasse I-
Gene
cGMP
aktivieren Klasse II-
Gene
konvergierende
Signalwege
Cytosol
Nucleus
Licht und Stress
PlasmolyseRhoeo discolor
Epidermis
Pflanzen, die Trockenstress aus-gesetzt sind (hier Arabidopsis), zeigen
Verfärbungen ihrer Blätter aufgrund Anthocyan-Produktion (dunkelrote
Schirm-Pigmente) ⇒ Schutz des
Photosynthese-Apparates
Figure 11
photobiology.info
Bild: MPG.de
PAR =
photosynthetically
acitve
radiation
4
Faktor Entwicklung
Botenstoffe binden an Membran-Rezeptoren,
die das Signal im Cytosol weiterleiten
(z.B. Arabisopsis Ethylen-Rezeptor ETR1)
Ligand-Rezeptor-Komplex
Ethylen
H2C=CH2
IntrazelluläreAntworten
Promotor Gen
Signal-Kaskaden
Leiten äußere Reize intrazellulär weiter
(und integrieren endogen verschiedene Signale
über eine Anpassung der Gen-Expression)
Signal 1 Signal 2 Signal 3
MAPKKK
MAPKK
MAPK
TF1
TF1
MAPKKK
MAPKK
MAPK
MAPKTF2
Ca2+/CaM-
abhängige Protein-Kinase
TF3
TF2
TF3
TF3
„aussen“
„innen“
RNA-Pol
Signal 4
ROS
Redox switch
(S-S → 2-SH)
TF4
TF4-TF4 Multimere(Reservoir im Cytosol)
5
Fakten der Gen-Expression
Zentrales Dogma der Molekularbiologie:
DNA RNA Protein
RNA-Pol II
Start der Transkription
Zellkern
verschiedene Transkriptionsfaktoren
binden im 5‘-Bereich von Promotoren
Mediator-KomplexHiston-
DNA-
Komplexe
Reverse Transkription
Regulationsebenen der Gen-Expression
ZellkernChromatin
Zugänglichkeit der Gene
primäres Transkript
mRNA im Zellkern
mRNA im Cytoplasma
Polypeptidkette
funktionelles Protein
(in)aktives Protein
Signal-Kaskade
Entspiralisierung der DNA,De-/Methylierung, Gen-Rearrangement
Transkription (mRNA-Kopie)
mRNA-Prozessierung
mRNA-Export
mRNA Zugänglichkeit, Translation, (Abbau, Modifikation)
co-/post-translationaler Transport,Faltung, Aktivierung, Modifikation
Transport, Abbau
Verändert nachach: Campbell „Biologie“ (Spektrum-Lehrbuch, 1997)
AAAAAAA
E + S -> [ES] -> P + E
AAAAAAA
NH2
Cycloheximid (CHX) Block
Cytosol
6
Phytohormon-Klassen
Endogene SignalmoleküleHormone steuern Wachstum & Entwicklung
(d.h. Zellteilung und Zellstreckung, die zeitlich und räumlich geordnet ablaufen müssen)
Zellteilung Zellstreckung
AuxineBrassinosteroideCytokinine wirken i.d.R. fördernd
Gibberelline
Abscisinsäure wirken i.d.R. hemmend
Ethylen (C2H4 = Gas)Jasmonsäure (flüchtig als Methylester)Salicylsäure (dito)
MERKE: Hormone wirken in äußerst geringen Konzentrationen!
Auxine – fördern das Streckungswachstum
Indol-3-Essigsäure (IAA)
NH
CH2 — COOH
IAA ein „natürliches “ Auxin
2,4-Di-chloro-phenoxy-Essigsäure (2,4-D = Herbizid)
O — CH2 — COOH
ClCl
2,4-D ein „künstliches“ Auxin
Zellstreckung
7
Modell des polaren
Auxin-Transports(Spross →Wurzel) in Parenchym-Strängen
der Rinde
Zellwand
Cytosol
pH = 5
pH = 7
IAAH
IAA– + H+
IAAH
IAA– + H+
bei IAA-Stau
⇒ Auxin-Antworten
Influx-“Carrier“(der AUX-Klasse)
in apikaler PM
Efflux-“Carrier“(der PIN-Klasse)
in basaler PM
basipetalerAuxin-Strom:
V = 2-15 mm/h
basipetalerAuxin-Strom:
V = 2-15 mm/h
IAA-Synthese im Spross (Apikalmeristem)
IAAH IAA– + H+
ATP-abhängige Beladung (viaP-Proteine)
IAAH
IAA– + H+
Regulation:a) Hemmung z.B. durch
Flavonoide (Quercetin oder Kaempferol)
b) Endozytose z.B. Um-
verteilung der Carrier(Signal-vermittelt)
Einfluss auf die IAA-Wirkung
Biosynthese (auch aus Trp)
Kompartimentierung(Vakuole?)
Konjugation(z.B. mit Inositol, als
Speicher, oder mit
Aspartat ⇒ Abbau)
Transport(bidirektional im Phloem,
polar in Meristemen und Parenchymsträngen)
Biodegradation(Oxidation, Abbau)
“steady state“IAA-Konzentration
Auxin und die Säure-Wachstumstheorie
Zell-wand
Kern
IAA
Cytosol
LockerungWachstum
ATP
H+ H+
H+
Signalkaskade
„schnelle“ (bis 20 min)IAA-Antworten
„langsame“ (mehrere Std.) IAA-Antworten
Genaktivierung
Neusynthese
ER
Golgi
IAA
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Indol-Essigsäure (IAA)Wird im Cytosol und in Plastiden gebildet und kann aus Konjugaten oder der aromatischen Aminosäure
Tryptophan (Trp) freigesetzt werden
NH
CH2 — CH — COOH
NH2
NH
CH2 — CH2 — NH2
CO2
½ O2
NH3
NH
CH2 — CH — COOH
O
CO2
NH
CH2 — C — H
O
½ O2
Indol-3-Acetaldehyd
IAA
Tryptamin Indol-3-Pyruvat
Trp
NH3
½ O2Decarboxylierung
Transaminierung
Oxidation
IAA inversch.Konz.
Biotest: Koleoptilen-Streckung
Auxin kann die Spross-Spitze ersetzen
IAA-Optimumskurve
Kontrolle(in H2O, ohne
exogenes IAA)
Wachstums-förderung
10–7 10–6
(µM)10–5 10–4 10–3
(mM)
IAA-Konzentration
10–8 10–2 M
Re
lati
ves
Wac
hst
um
(m
m)
Stängelsegmente Maximum
Optimum
5 mm
Hemmung(via Ethylen-
Produktion)
IAA
9
Versuch 1 - Auxin-Biotest
Material & Werkzeuge
Schneideapparate mit Rasierklingen
15 Koleoptil-Segmente in je 10 ml Lösung ÜN im Dunkeln bei Raumtemperatur inkubieren (Wandschrank)
Etiolierte Koleoptilen
Inkubationin versch.
[IAA]5 mm
Gras-Koleoptilen
1 Woche im Dunkeln
Aus der 10 mM IAA-Stammlösung seriell 1:10-Verdünnungen herstellen!
10-2 IAA (= 10 mM Stamm-Lösung)
Null = Wasser-
KontrolleVerdünnungsreihe
Optimum
4,642857143
0
1
2
3
4
5
6
-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2
Wiederholung
IAA-Reihe
Referenz
1 µM 0,1 mM 1 mM0,1 µM 10 mM (IAA-Verdünnung)10 nM
Ne
tto
Län
gen
wac
hst
um
(m
m ±
SE)
exogene IAA
endogenes Auxin (Null-Kontrolle)
Hafer Koleoptil-Segmente (n = 10-15)
∆ = 3.4 mm
Netto-Wachstum verzeichnen!
5 mm ⇒
10 µM
Auswertung
Kurvenabfall statistisch absichern!
Schneideapparat mit Rasierklingen
10
Gibberelline fördern das Längenwachstum
aktive Gibberellinsäure
GA3
Isopren-Derivate = Diterpene (C19-C20)
OHHO
COOH
CH2
O
C=O
CH3
Entdeckt als sekretierter Wirkstoff des Pilzes Gibberella Fujikuroi,(krankhaftes Streckungswachstum infizierter Reis-Keimlinge)
Erbse
GA fördert die
Internodien-Streckung
Reis (nach 3 Tagen)
Kontrolle 0,1 ng 1 ng GA3
Kontrolle 5 µg GA3
Synthese in Blättern und Wurzeln, sichtbar gemacht durch GA1-
Promotor::GUS-Fusion (Blaufärbung!)
GA-SyntheseArabidopsis thal.
(transgene Linie)
Fig. 9. Model showing how H2O2, NO, ABA, and GA regulate seed dormancy and germination. Seed imbibition leads to increases in H2O2 and nitric oxide (NO). H2O2 up-regulates ABA catabolism through NO, and also GA biosynthesis. A high concentration of ABA also inhibits GA biosynthesis, but a balance of these two hormones jointly controls the dormancy and germination of Arabidopsis seeds.
From: Yinggao et al.(2010) H2O2 mediates the regulation of ABA catabolism and GA bio-
synthesis in Arabidopsis seed dormancy and germination. J. Exp. Bot. 61: 2979-2990.
Signalgeschehenbeim Brechen der Keimruhe = Dormancy
(Arabidopsis-Samen)
Plant growth
GA3ABA
11
H2O
H2O
Aleuron-schicht
Samenschale
Scutellum
Stärke-haltiges
Endosperm
Embryo
Versuch 2 - Stärke-Mobilisierung bei der Keimung von Getreidekörnern
GAα-Amylasen
Embryo-haltige Kornhälften Embryo-freie Kornhälften
Nach Inkubation auf folgenden Test-Lösungen (wird gestellt):
Ansatz: 1) Wasser 2) Wasser3) GA34) GA3 + Chx
Wurzel
Spross-meristem
Zucker
MERKE: Cycloheximid (CHX) inhibiert die Proteinbiosynthese!
Roh-Extrakte (RE) 10 min zentrifugieren
Überstände (ÜS) und Kontrollen in die ausgestanzten Löcher von zwei Stärkeagar-Platten pipettieren
(randvoll, d.h. max. 150 - 200 µl)
Am nächsten Tag den Stärkeagar mit JJK-Lösung (1:4 verdünnt) anfärben
⇒ semi-quantitativer Nachweis der verschiedenen Amylase-Aktivitäten
Inkubierte Kornhälften (-20°C, auftauen lassen) mit Seesand zerreiben und mit 6 ml Wasser versetzen(2 x 3 ml)
wässrigen Brei durch Mull filtrieren & auswringen
bei 30°C ÜN inkubtieren
H2O
üs
β-Amylase
α-Amylase
H2O7
6
35
2
4
1Kontrollen
Färbung des Stärkeagars
12
Färbung von StärkekörnernStärke besteht aus unverzweigter Amylose und verzweigtem Amylopektin
Stärke
Stärke kommt nur in Plastiden vor !
In Chloroplasten diurnaler Auf- und Abbau (Tag/Nacht) an nicht-reduzierenden Enden (transitorische Stärke); Langzeitspeicher in Amyloplasten (z.B. in Wurzeln und Knollen)
Amylopektin
verzweigtes Netzwerk
a1→6-Verzweigung
reduzierendes
Ende
Amylose
nicht-
reduzierendes
Ende (frei)
reduzierendesEnde
poly-Glucan-Spirale
reduzierendes
Ende (innen)
a1→4-Bindung
a1→4-Bindung
Verändert nach: Buchanan, Gruissem, Jones: „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“. (ASPP 2000).
Grenzdextrin
α-Amylase (=Endo-Enzym)
JJK-Färbung = hellviolett
JJK-Färbung = dunkelviolett
β-Amylase (=Exo-Enzym)
Produkt = Maltose (Disaccharid)
Bewegungsphysiologie
Taxien = Reiz-gerichtet, Ortsbewegungen nur bei frei
beweglichen Organismen (z.B. Grünalgen).
Nastien = ungerichtet, „Alles-oder-Nichts“-Antworten, d.h.
reversible Turgor-Bewegungen von Organen mit spezieller
Anatomie (z.B. Schließzellen und Fiederblätter).
Tropismen = Reiz-gerichtete, irreversible
Wachstumsbewegungen von spez. Streckungszonen (in Spross, Wurzel oder Blättern).
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Spaltöffnungen führen echte
Bewegungen aus(über sogen. Gelenke)
CO2 H2O
H2O
K+
A–
ψ↓
CO2
Zunahme des
Turgordrucks
⇒ Öffnen
Abnahme desTurgordrucks⇒ Schließen
[ABA]↑
K+
A–
Beispiel für eine NastieBeispiel für eine Nastie
PhototropismusSprosse wachsen positiv,
Wurzeln negativ phototrop.
GravitropismusSprosse wachsen negativ,
Wurzeln positiv gravitrop.
einen Tag später
unmittelbar nach dem Querlegen
Licht
Licht
Beispiele für TropismenBeispiele für Tropismen
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Phototropismus ist eine „Blaulicht“-vermittelte
Auxin-Antwort (Wirkungsspektrum von 340 – 520 nm)
Tropismen resultieren aus ungleichem Wachstum von
Organflanken (Auxin-Asymmetrie), ausgelöst
durch Reiz-spezifische Signalkaskaden
IAA
einseitige Belichtung wird durch Flavo (gelb) -
Proteine registriert (Cry, Nph & Phot)
Koleoptilen-Krümmungstestder Reaktion (im Dunkeln)
IAAIAA
α
α
IAA
Die Reiz-Perzeption erfolgt wahrscheinlich durch das Cytoskelett
Gravitropismus – Lageveränderungen werden durch schwere
Zellbestandteile registriert (z.B. Statolithenstärke)
Nach: Nultsch „Allgemeine Botanik“ (Induzierte Bewegungen), Thieme Verlag, 2001.
Nach: Taiz/Zeiger „Plant Physiology“, Benjamin Cummings Publishing Comp., 1991.
IAA
Ca2+
IAA
Stre
cku
ngs
zon
eW
urz
elh
au
be
Kern
g
schwereAmyloplasten
Ke
rn
ERobere Actin-Filamente
auf Zug!
Lage-änderung
Wachstums-hemmung
IAA
Ca2+
IAA
Statocyte
Cortex
Leitbündelzylinder
15
Krümmungs-Winkel
Gerade nach versch. Zeiten
(t = min)
Versuch 3 - Reaktion von Haferkoleoptilen (Avena) auf einen gravitropen Reiz
auf Nadelnmontieren
Kinetik der Krümmung (Winkel gegen die Zeit auftragen)
Video-Dokumentation der Krümmung(im abgedunkelten Raum)
Gerade t = 0 min(Anfangsbild)
Zeit [t = min]
Krü
mm
un
g (°
= G
rad
)
0 30 60 90 (110)
80
60
40
20
90°
1. Alle Kurven einzeln (in verschiedenen Farben)
2. Graph der Mittelwertefür n ≥ 3, Werte mit Standard-
Abweichung (± SD, standard
deviation) oder Standard-Fehler (± SE, standard error;
SD geteilt durch Wurzel n)
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