BÍ8240 GENETIKA ROSTLIN Prezentace 07 Rezistence rostlin k abiotickým faktorům ARE TATA 1 1 -130 -110 -100 aktivní promotor transkripcii prostred navázáni doc. RNDr. Jana Řepková, CSc. repkova@sci.muni.cz íl J TATA 1 1 Abiotické faktory 1. Nízké teploty ( chladuvzdornost, mrazuvzdornost, zimovzdornost) 2. Vysoké teploty 3. Sucho (suchovzdornost) 4. Osmoticky aktivní látky 5. Oxidatívni stres 6. Ozón 7. Pokles pH 8. Vysoká koncentrace solí, těžkých kovů, toxických látek 9. Nedostatek kyslíku 10. Mechanické poranění Abiotické faktory rezistence ► Studium genetické podstaty stresových reakcí a jejich molekulárních mechanizmů Altered cellular metabolism Aktivace genů Specifické stresové bílkoviny Změny v metabolismu Reakce rostlin na stres obecně ► Konstitutivní obranné mechanismy rezistence 0 Dočasná aklimatizace í> Indukce exprese specifických genů (řádově stovky) Změny v metabolizmu a přestavby buněk poškozených stresem - proteiny, enzymy (nukleázy, proteázy) - oprava poškozených makromolekul - eliminace poškozených buněk - ochrana stávajících struktur Modelové druhy 0 Tabák, huseníček, vojtěška, rýže Suchovzdornost Obranné mechanizmy rostlin 0 Krátký životní cyklus í> Zamezení odpařování listy, zvýšení příjmu kořeny * Tolerance k suchu - tučnolisté, pouštní rostliny - např. Craterostigma plantagineum - CAM (crassulacean acid metabolism) Přenos signálu v buňce v podmínkách sucha Stress tolerance Water deficit Stomata and leaves Cellular dehydration ABA responsive genes _ Plasma membrán* Ca2*? PTP? MAPKs? ranscription factor Fosfatázy a Mitogen aktivní proteinkinázy ZEP, NCED, SDR1, AAO I Geny pro klíčové enzymy Biosyntetické dráhy ABA Stress tolerance and responses Vliv kyseliny abscisové na vodní režim í> 10x až 50x vyšší hladina ABA při vodním deficitu 0 Uzavírání průduchů 1. Exprese genů, které reagují na přítomnost ABA - ABA - regulační faktor - exprese genů responzivních k ABA - promotorova sekvence ABA responzivního elementu - ABRE (abscisic acid responsive element) PyACGTGGC DNA-binding domain Vliv kyseliny abscisové na vodní režim Exprese genů, které reagují na vodní deficit promotorova sekvence responzivního elementu vodního deficitu - DRE (dehydration responsive element) 9 bp TACCGACAT CBFl Coding region DNA-binding domain Ztráta vody a osmotický stres Osmoprotektanta 1. Aminokyseliny - prolin - glycin betain - GABA 2. Polysacharidy - manitol - trehalóza - sorbitol - fruktany vv = +0.5 MPa -2.0 MPa v, = -1.5 MPa OMPa -1.2 MPa Ww = -1.2 MPa Soil pw --1.2 MPa Osmotic adjustment No osmotic adjustment Nahrazují vázané molekuly vody v makromolekulách a na povrchu membrán Geny determinující rezistenci k suchu Ochranná funkce * Geny LEA (late embryogenesis abundant) - skupina proteinů s ochrannou funkcí při dehydrataci t Geny dehydriny lokusy Dhn - skupina proteinů o nízké molekulové hmotnosti - zabraňují ztrátám vody, zachovávají funkčnost membrán í> Hordeum vulgare * Zea mays Odolnost k nízkým teplotám 0 Chladuvzdornost 0 Mrazuvzdornost t Zimovzdornost Chlad O Fyziologické a biochemické procesy - změny v aktivitě enzymů - změny vlastností membrán - poškození pletiv Cell wall Plasma Ice formation membrane in cell wall Negativní vliv na reprodukční mechanizmy Disruption of Meiosis Tapeta! Hypertrophy Stunted Development of Pollen Grains Anther Protein Degradation Pollen Sterltty Pollen Tube Deformation Alteration in Source Sink Relation Reduced Kernel Filling Rate GRAIN FILLING MALE GAMETOPHYTE DEVELOPMENT REPRODUCTIVE PHASE EXPOSED TO CHILLING STRESS Delayed towering FLOWERING \ Unfilled/Aborted 'f Seeds Distorted Flowers FEMALE GAMETOPHYTE DEVELOPMENT Reduction in Hie Size of Style and Ovary Disruption of Meiosis Reduced Stigma Receptivity ... ^ C ,l osi. Deposition in Style Damage to Embryo Sac Components Fertilization Arrest Vliv na fytohormony COLD STRESS EFFECTS ON PHYTOHORMONES ____1_ _____________ AUXINS i GSBBERELLINSJ ^ CYTOKINES Jj ABSCISSSC jN ACID ETHYLENE j| ^-----!' 1. Stunted plant Growth If. Failure of Inflorescence development III. Delay or inhibition of flowering by failure of floral meristem and floral organs. IV. Fruit drop Inhibition of cell division Sink Efficiency of endosperm decreases Nutrient Flow to endosperm decreases Stunted development of Embryo and Endosperm I. Inhibition of phloem loading II. Reduction In capacity of endosperm to synthesize starch ill. Reduced nutrient flow to tapetum, causing pollen sterility During long exposure ABA leaeM com* to normal j-, ptwitl it jtu accll rulion It. III. V Decreased flow of photo-assimilates from source to sink Incomplete filling of kernels and seed abortion Stunted development of fruit III. Stem elongation Inhibited Immature ripening of fruits so nonviable seeds are produced Senescence Is promoted J V J Přenos signálu v buňce v podmínkách chladu SNOWBO)- ICEBOX Responzivní element k chladu — * Geny regulované chladem i ABA * Proteiny chrání buněčné struktury od dehydratace DRE/CRT ABRE COR/KIN/LTt/RD T Freezing Tolerance Geny determinující rezistenci k chladu (a suchu) * Aktivace genů pro transkripční faktory CBF, DREB1 * Cílové geny: - geny COR (cold regulated) geny druhově specifické ■ Arabidopsis thaliana COR 15a, COR47, COR78, ■ Hordeum vulgare HVA1 ■ Medicago sativa CORa, CAS 15a ■ Brassica napus, B. rapa, B. oleracea ■ Triticum aestivum - geny LEA - dehydriny Odolnost k zasolení 0 Zvýšení osmotického potenciálu = osmotický stres t Ztráty vody, zvýšení koncentrace živin í> Uplatnění mechanizmů jako při dehydrataci 0 Oxidatívni stres ♦ Překrývání se stresových faktorů Přenos signálu v buňce v podmínkách zvýšené koncentrace solí High N# SOS1 HKT1 & NCS Studium rezistence k suchu - chladu zasolení u Arabidopsis thaliana t Mutageneze - aba2, abil, eral, fryl, hos1, losi, los2, los5, sadí, sos 1 až sos4 - prístupy prime i reverzní genetiky t Identifikováno: - 299 genů aktivovaných suchem - 54 genů aktivovaných chladem - 245 genů aktivovaných ABA - 40 genů pro transkripční faktory Odolnost k vysokým teplotám * Růst vyšších rostlin v rozpětí teplot 0 až 60 °C * Pěstování rostlin v rozpětí teplot 10 až 40 °C - pšenice 26 °C - bavlník 45 °C - kukuřice 38 °C * Vysoké teploty zpomalují růst, nepříznivě ovlivňují určité látky. * Syntéza specifických proteinů tepelného šoku -ochrana nukleových kyselin a organel Fyziologické dopady vysokých teplot * Změna vodního režimu * Akumulace osmolytů (glycin betain, prolin, GABA) 0 Fotosyntéza í> Transport asimilátů * Změny buněčné membrány ► Hormonální změny * Tvorba sekundárním metabolitů (fenolické látky, karotenoidy, izoprenoidy) Molekulární mechanizmy obrany Stresové proteiny ► HSP C>SOD ► Pir proteiny - podobné osmotinu ► LEA ► dehydriny HSP Syntéza specifických proteinů tepelného šoku -ochrana nukleových kyselin a organel 5 tříd proteinů hsp - hsp110 - hsp90 (80 až 95 kDa) - hsp70 (63 až 78 kDa) - hsp60 (53 až 62 kDa) - hsp nízkomolekulární (14 až 30 kDa) - hsp20 převažují u rostlin hsp60, hsp70, hsp90: - stabilizace konformace proteinů - transport přes membrány HSF C> Vysoký konzervativní charakter ♦ Aktivace genů transktipčním faktorem HSF (heat shock factor) í> Vazba na specifické motivy promotorů (nGAAn) Aktivace exprese genu v podmínkách vysokých teplot ' 1 V>ATHSF1 -A HSE- Coding region- 50 N DNA-binding domaii Trimerization domains (leucine zippers) Arabidopsis thaliana heat shock factor Cyklus tvorby HS faktoru a aktivace exprese genů In the unstressed cell, HSF is maintained in a monomeric, non-DNA-binding form through its interactions with HSP70. Upon heat shock or other forms of stress, HSF assembles into a trimer. HSF trimers bind to the heat shock element in heat shock gene promoters. Transcriptional activation of the heat shock genes leads to increased levels of HSP70. Bound HSF becomes phosphorylated. HSF (D HSP70 q <5> nGAAnnTTCnnGAAn HSF/HSP70 dissociates from the DNA and is converted to non-DNA-binding monomers. mRNA for HSP70 HSF/HSP70 complex forms to the DNA. Mechanizmy tolerance rostlin k vysokým teplotám Oxidatívni stres t Antioxidanty - odstraňují reaktivní formy kyslíku (ROS) * Enzymy - superoxiddismutáza (SOD), peroxidáza, monoaskorbátreduktáza, glutathionreduktáza, kataláza t Látky neenzymatické - vitamín E, kys. askorbová, karotenoidy, flavonoidy, polyaminy, cukry t Sekundárni metabolity Izoprenoidy - sekundární metabolity rostlin Environmental stress 3 + VIP ROS RNS \' 3 : / +VIP ' > T Hormones i (SA, JA, ET) ^ 1 Oxidative ' damage ^ Signal ^ transduction PCD-associated & gene expression Defense-associated gene expression Tissue necrosis HR Accelerated senescence Biosyntetická dráha izoprenoidů v chloroplastech a cytoplazmě Pyruvate I Acetyl-CoA i HMG-CoA HMGR | MVA \ DMAPP<-^ IPP i 2y F,PP5> ne * Squalene Sesqu iter p e nes (C15) ty Triterpenes (C30) Sterols Homoterpenes (C1,, C30) Polyprenols Chloroplast > Isoprene (C5) > Monoterpenes (C10) (prenyl chain) Diterpenes (C20) Phytyl chains \2x Chlorophylls Tocopherols Phylloquinones Phytoalexins Gtbberellins Taxol +5 IPP Tet rate rpe nes (C40) Carotenoids Abscísic acid Chemická struktura izoprenoidů s antioxidačními vlastnostmi Tocopherols n Tocotrienols R Carotenoids Vioíoxaníhin Hemíterpenes [ Monoterpenes Isoprene{ a-pjnene p-Pinene Myrcene JI Limonene Sabinene (F)-[i-Ocimene (Z)-fi-Ocimene Sesquiterpenes u-Humulene (E)-p-Farnesene (EFE)-a-Farnesene (E)-p-Caryophyllerie 5-Cadinene Nedostatek kyslíku t Změny v regulaci proteosyntézy t Známo 20 typů proteinů syntetizovaných v pletivech kořenů při zaplavení půdy: - alkoholdehydrogenáza, - glukózafosfátizomeráza, - pyruvátdekarboxyláza, - aldoláza Promotor genu Adh1 kukuřice » Regulace transkripce genu jako odpověď na nedostatek kyslíku v prostředí Element ARE (anaerobic response element) Neindukovaný promotor Adh1 Fingerprint -180 -130 -110 -100 začátek transkripce ARE ^^^^B TATA -180 -130 -110 -100 Transkripčné aktivní promotor transkripční aktivace prostřednictvím navázání faktorů začátek transkripce / f i-> 3 -J I TATA I ľ I I I -180 -130 -110 -100 A A ▲ Nadbytek ozónu, presvetlení 0 Krátkodobé působení - nekrózy 0 Chronické působení - fyziologické změny j - redukce růstu 0 Škodlivé účinky: - Poškození membrán - Lipidů - Proteinů - DNA 03 cannot O penetrate cuticle o, Open stoma Closed stoma \ Further i _____^ 03 entry (5)-QJ -Reduced photosynthesis (HO', 02'-, H202) Small amount enters cells due to membrane damage. Plasma memb lipid peroxidation Successful antioxidant defense [ 1 Solutes leak across damaged membranes. Ca2+/ Unsuccessful antioxidant defense Death Toxické ionty v půdě, vodě, ve vzduchu 0 Narušení minerální rovnováhy * Ovlivnění buněčného metabolismu a kapacity růstu * Polutanty vzduchu - kysličníky dusíku a síry, amoniak, ozon * Reakce s buněčnou vodou za vzniku kyseliny siřičité, dusité, dusičné. * Překyselení pletiv Těžké kovy * Železo, mangan, zinek, měď, molybden a kobalt jsou esenciální 0 Hliník, kadmium, rtuť jsou nepotřebné * Eliminace: vazba kationtů na pektiny buněčných stěn kořenů * Nitrobuněčné chelatovací systémy - fytochelatiny (Glu-Cys)n-Gly - vazba těžkých kovů prostř. SH-skupiny Poranění * Rychlá indukce fytohormonů etylénu, ABA, kyseliny jasmonové ► Obranné mechanismy rostliny: - zesílení buněčných stěn ukládáním kalózy - syntéza ligninu a glykoproteinů - syntéza fytoalexinů - tvorba inhibitorů proteáz, chitináz, glukanáz * Arabidopsis geny TOUCH Výukovou pomůcku zpracovalo Servisní středisko pro e-learning na MU http ://is. m u n i. cz/stech/ GZ. 1.07/2.2.00/28.0041 Centrjm interaktivních a multimediálních studijních oper pro inovaci výuky a efektivní učení =*ULIt11111. 1 MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, OPVrfíbríní ^^É*^ TOnd V CR EVROPSKA UNIE ULADEZE A TElOVYC1 IWV pni knnkuKncivJínjmaa *4wa INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ evropský I V I | £_J f IMI j