Molekularne Podstawy Mrozoodpornosci New

Fizjologia stresów – Fizjologia stresów – zimotrwałość i zimotrwałość i

mrozoodporność cz. IImrozoodporność cz. II

Molekularne podstawy Molekularne podstawy hartowania roślin w strategii hartowania roślin w strategii

indukowanej tolerancjiindukowanej tolerancji

Genom aktywowanym podczas Genom aktywowanym podczas hartowania na mróz możemy hartowania na mróz możemy przypisać zasadniczo 4 grupy przypisać zasadniczo 4 grupy funkcji, przy czym rola funkcji, przy czym rola konkretnego genu nie musi konkretnego genu nie musi ograniczać się do jednej funkcji. ograniczać się do jednej funkcji.

1. Transdukcja sygnału 1. Transdukcja sygnału wywołanego działaniem niskiej wywołanego działaniem niskiej temperaturytemperatury• Geny kodujące: kinazy białkowe w Geny kodujące: kinazy białkowe w

tym zależne od wapnia (CDPK), tym zależne od wapnia (CDPK), aneksyny (białka wiążące fosfolipidy aneksyny (białka wiążące fosfolipidy i wapń w błonach), fosfataza i wapń w błonach), fosfataza białkowa 2Abiałkowa 2A

• Geny czynników transkrypcyjnych Geny czynników transkrypcyjnych ((ice1ice1, , cbfcbf))

• Geny receptorów czynników Geny receptorów czynników środowiskowych (środowiskowych (PhyBPhyB))

2. Dostosowanie roślin do 2. Dostosowanie roślin do funkcjonowania w chłodzie:funkcjonowania w chłodzie:

– błony komórkowe: gen kodujący błony komórkowe: gen kodujący acylotransferaza glicerolo-3-fosforanu, gen acylotransferaza glicerolo-3-fosforanu, gen kodujący omega-3-desaturazękodujący omega-3-desaturazę

– aparat fotosyntetyczny: ELIPS (early light aparat fotosyntetyczny: ELIPS (early light inductible proteins), psbAII/III (koduje białko inductible proteins), psbAII/III (koduje białko D1), geny Lhcb 1D1), geny Lhcb 1

– mitochondria: białko rozprzęgające CSP 310, mitochondria: białko rozprzęgające CSP 310, CYP83Al (Koduje Cyt P450) CYP83Al (Koduje Cyt P450)

– metabolizm białek: TMC-AP3 kodujący metabolizm białek: TMC-AP3 kodujący selektywne kanały aminokwasowe w selektywne kanały aminokwasowe w chloroplastachchloroplastach

– metabolizm fenylopropanoidów (PAL, syntaza metabolizm fenylopropanoidów (PAL, syntaza chalkonowa)chalkonowa)

3. Bezpośredni wzrost 3. Bezpośredni wzrost mrozoodporności mrozoodporności

– geny kodujące białka AFP (3 rodziny: zbliżone do glukanaz, chitynaz i geny kodujące białka AFP (3 rodziny: zbliżone do glukanaz, chitynaz i taumatyn)[1] ; znaleziona u krzyżowych krioprotektyna należy z kolei taumatyn)[1] ; znaleziona u krzyżowych krioprotektyna należy z kolei do rodziny niespecyficznych białek przenoszących lipidy (WAX9)do rodziny niespecyficznych białek przenoszących lipidy (WAX9)

– białka krioprotekcyje (CRP) mogące chronić silnie hydrofilne enzymy białka krioprotekcyje (CRP) mogące chronić silnie hydrofilne enzymy jak dehydrogenazy: mleczanową, alkoholową i izocytrynianową przed jak dehydrogenazy: mleczanową, alkoholową i izocytrynianową przed odwodnieniem podczas zamarzania (CRP)odwodnieniem podczas zamarzania (CRP)

– geny kodujące hydrofobowe białka stabilizujące błony komórkowe (np. geny kodujące hydrofobowe białka stabilizujące błony komórkowe (np. RCI2, TACR7)RCI2, TACR7)

– geny kodujące dehydryny (LEA D-11, LEA D-7 i zbliżone), np. geny kodujące dehydryny (LEA D-11, LEA D-7 i zbliżone), np. WCOR410, corl5a, BN115WCOR410, corl5a, BN115

– geny kodujące białka uczestniczące w syntezie substancji osmotycznie geny kodujące białka uczestniczące w syntezie substancji osmotycznie czynnych np. syntazę galaktinolową[2], oksydazę cholinową[3]czynnych np. syntazę galaktinolową[2], oksydazę cholinową[3]

[1] grupy białek związanych z patogenezą – PRP: aktywacji ulegają też geny specyficzne [1] grupy białek związanych z patogenezą – PRP: aktywacji ulegają też geny specyficzne dla patogenezy np. PR-1, podczas hartowania pojawiają się w roślinach substancje o dla patogenezy np. PR-1, podczas hartowania pojawiają się w roślinach substancje o działaniu przeciwgrzybuicznym np. feruloylagmatynadziałaniu przeciwgrzybuicznym np. feruloylagmatyna

[2] kontroluję syntezę cukrów szeregu rafinozy i przez to obniża nadmierne osmotikum [2] kontroluję syntezę cukrów szeregu rafinozy i przez to obniża nadmierne osmotikum komórki, które mogłoby przedwczesnie zahamować metabolizm komórki (proszę komórki, które mogłoby przedwczesnie zahamować metabolizm komórki (proszę zwrócić uwagę na złożoność problemu)zwrócić uwagę na złożoność problemu)

[3] syntetyzuje betainę glicyny, gen z powodzeniem użyty został do transformacji[3] syntetyzuje betainę glicyny, gen z powodzeniem użyty został do transformacji roślin roślin

4. Usuwanie skutków 4. Usuwanie skutków uszkodzeń i zaburzeń uszkodzeń i zaburzeń metabolizmu metabolizmu • Np. geny kodujące SOD i ekspansynę Np. geny kodujące SOD i ekspansynę

Możliwość poprawy Możliwość poprawy mrozoodporności przez mrozoodporności przez transformację roślintransformację roślin

• Transformacja organizmów genami cor Transformacja organizmów genami cor w wielu przypadkach dawały w wielu przypadkach dawały zadowalające rezultaty, ale najczęściej zadowalające rezultaty, ale najczęściej w przypadku roślin nieodpornych na w przypadku roślin nieodpornych na mróz, a nawet na chłód.mróz, a nawet na chłód.

• Białka przeciwzamarzaniowe (AFP) Białka przeciwzamarzaniowe (AFP) produkowane przemysłowymi produkowane przemysłowymi metodami biotechnologicznymi są metodami biotechnologicznymi są wykorzystywane komercyjnie, np. do wykorzystywane komercyjnie, np. do ochrony cytrusów przed mrozemochrony cytrusów przed mrozem

Możliwość poprawy Możliwość poprawy mrozoodporności przez mrozoodporności przez transformację roślintransformację roślin• Nadekspresja SOD u lucerny poprawiła Nadekspresja SOD u lucerny poprawiła

zimotrwałośćzimotrwałość• Białko hic6 (LEA) u drożdżyBiałko hic6 (LEA) u drożdży• Transformacja Transformacja A.thaliana A.thaliana z pomocą genu z pomocą genu

cbf/drebcbf/dreb – wzrost ekspresji genów cor i – wzrost ekspresji genów cor i mrozoodpornościmrozoodporności

• Transformacja genami Transformacja genami DREB1A (cbf3) DREB1A (cbf3) z z konstytutywnym promotorem ogranicza jedynie konstytutywnym promotorem ogranicza jedynie wzrost a nie wymóg chłodu do hartowania – są wzrost a nie wymóg chłodu do hartowania – są inne drogi ekspresji, o czym późniejinne drogi ekspresji, o czym później

• Promotor genuPromotor genu wcs120 – wcs120 – potencjalnie potencjalnie najlepszy, selektywny dla chłodu i ulega najlepszy, selektywny dla chłodu i ulega ekspresji u wszystkich roślinekspresji u wszystkich roślin

Zastosowania Zastosowania biotechnologicznebiotechnologiczne• Bakterie nukleacyjne (na powierzchni ściany Bakterie nukleacyjne (na powierzchni ściany

komórkowej mają białka strukturalnie komórkowej mają białka strukturalnie przypominające we fragmentach kryształ lodu przez przypominające we fragmentach kryształ lodu przez co stanowią doskonałe jądra krystalizacji), np. co stanowią doskonałe jądra krystalizacji), np. Pseudomonas syringae, Xanthomonas campestrisPseudomonas syringae, Xanthomonas campestris..

• P. syringaeP. syringae – pozbawiony genów odpowiedzialnych – pozbawiony genów odpowiedzialnych za nukleacę jako preparat FROSTBAN umożliwia za nukleacę jako preparat FROSTBAN umożliwia przeżycie przez kwiaty truskawki w polu nawet -7°C.przeżycie przez kwiaty truskawki w polu nawet -7°C.

• Dodatki aktywnych bakterii do liofilizacji lub Dodatki aktywnych bakterii do liofilizacji lub produkcji śniegu w armatkach wodnych (normalny produkcji śniegu w armatkach wodnych (normalny śnieg), SNOMAXśnieg), SNOMAX

Transformacje genów kodujących Transformacje genów kodujących czynniki transkrypcyjnymi i ich czynniki transkrypcyjnymi i ich wpływ na mrozoodporność (EJB-wpływ na mrozoodporność (EJB-2009) 2009)

Percepcja bodźca Percepcja bodźca temperaturowego podczas temperaturowego podczas hartowania na mróz:hartowania na mróz:

• Zmiany płynności membran (Murata i Los s 1997)Zmiany płynności membran (Murata i Los s 1997)• Związana z wapniemZwiązana z wapniem

– kanały wapniowe (Monroy i Dhindsa 1995)kanały wapniowe (Monroy i Dhindsa 1995)– aneksyny (Breton i wsp. 2000)aneksyny (Breton i wsp. 2000)– nieznany receptor (białko), które fosforyluje aneksyny, nieznany receptor (białko), które fosforyluje aneksyny,

przekształcające się w kanały wapnioweprzekształcające się w kanały wapniowe• Zmiany w stanie redoks aparatu Zmiany w stanie redoks aparatu

fotosyntetycznego (Gray 1997; Rapacz 1998; fotosyntetycznego (Gray 1997; Rapacz 1998; Huner, Öquist, Sarhan 1998)Huner, Öquist, Sarhan 1998)

• Zmiany w stosunkach wodnych komórekZmiany w stosunkach wodnych komórek• Współdziałanie powyższych mechanizmów, np. Współdziałanie powyższych mechanizmów, np.

zmiany płynności membran wpływają na zmiany płynności membran wpływają na przepuszczalnośc błon dla wapnia (Orvar i wsp. przepuszczalnośc błon dla wapnia (Orvar i wsp. 2001), przy czym pośredniczy w tym 2001), przy czym pośredniczy w tym reorganizacja cytoszkieletu.reorganizacja cytoszkieletu.

Szlaki sygnałowe uruchamiane Szlaki sygnałowe uruchamiane podczas hartowania na mrózpodczas hartowania na mróz• W szlaku sygnałowym na pewno uczestniczą jony W szlaku sygnałowym na pewno uczestniczą jony

wapnia – aktywowane są kanały otwierane przez zmiany wapnia – aktywowane są kanały otwierane przez zmiany pot. membranowego (mechanosensed) stąd pot. membranowego (mechanosensed) stąd obserwowano, że do ekspresji niektórych genów obserwowano, że do ekspresji niektórych genów niezbędne są przymrozki, regulowane przez cADPR niezbędne są przymrozki, regulowane przez cADPR oraz regulowane przez IPoraz regulowane przez IP33..

• Wapń uwalniany jest z wakuoli (mutant Wapń uwalniany jest z wakuoli (mutant Arabidopsis Arabidopsis pozbawiony tonoplastowego transportera jonów wapnia pozbawiony tonoplastowego transportera jonów wapnia nie wykazuje ekspresji głównej rodziny czynników nie wykazuje ekspresji głównej rodziny czynników transkrypcyjnych uczestniczących w hartowaniu transkrypcyjnych uczestniczących w hartowaniu (CBF/DREB)).(CBF/DREB)).

• W percepcji zmian jonów wapnia uczestniczą kinazyW percepcji zmian jonów wapnia uczestniczą kinazy• Stwierdza się też wzrost aktywności kaskad MAPK Stwierdza się też wzrost aktywności kaskad MAPK

szczególnie jeśli zmiany w profilu wapniowym szczególnie jeśli zmiany w profilu wapniowym wywoływane są przez reaktywne formy tlenuwywoływane są przez reaktywne formy tlenu

Podstawowa droga transdukcji i Podstawowa droga transdukcji i regulacji ekspresji genów podczas regulacji ekspresji genów podczas

hartowania na mrózhartowania na mróz

• Kluczową rolę odgrywają w niej czynniki transkrypcyjne Kluczową rolę odgrywają w niej czynniki transkrypcyjne CBF (C-repeat binding factor). Łączą się one do sekwencji CBF (C-repeat binding factor). Łączą się one do sekwencji C-repeat czyli CCGAC.C-repeat czyli CCGAC.

Struktura promotora genu Struktura promotora genu cor15acor15a – – jednego z genów indukowanych jednego z genów indukowanych przez czynniki transkrypcyjne CBFprzez czynniki transkrypcyjne CBF

Indukowane pzez temperatury hartujące zmiany w profilu wapniowym są niezbędne dla hartowania na mróz. Aktywują one białko ICE1, które indukuje czynniki transkrypcyjne (TF) CBF i inne. Czynniki CBF regulują wzajemnie poziom swojej ekspresji w celu optymalizacji poziomu ich ekspresji. Represory transkrypcji (regulowane przez etylen białka o strukturze palca cynkowego: AFZ2, ZAT12, STZ) są pozytywnie regulowane przez CBFy a negatywnie przez białko LOS2. Te transrypcyjne represory hamują ekspresję genów CBF i genów przez nie regulowanych.

• HOS2, high expression of osmotically responsive genes 2;

• FRY1, FIERY1, 1-fosfataza inozytolo polifosforanów;

• HOS1, high expression of osmotically responsive genes 1, ligaza ubikwitynowa typu E3 o strukturze RING finger;

• ICE1, inducer of CBF expression 1, białko o strukturze podstawowej helisa-pętla-helisa (bHLH) typu MYC (myelocytomatosis)

• CBF, C-repeat-binding factor, czynnik transkrypcyjny typu AP2; CBF1, 2, 3 to inaczej odpowiednio DREB1b, c i a

• LOS2, low expression of osmotically responsive genes 2, bi-funkcyjna enolaza wykazująca aktywność represora transkrypcji;

• AZF2, STZ, i ZAT12 – transkrypcyjne represory o strukturze palca cynkowego typu cysteina-2 i histydyna-2

• EP2, element cis oryginalnie zidentyfikowany w promotorze genu syntazy 3-fosforanu kwasu 5-enolopirogronoszikimowego;

• CRT, C-repeat elements; • DRE, dehydration-responsive elements;• MYCRS, MYC-type bHLH transcription factor

recognition sequences;Strzałki blokowe - aktywacja; strzałki liniowe –

indukcja ekspresji; końcówka linii zakończona słupkiem - represja.

Struktura promotorów genów Struktura promotorów genów CBFCBF

ICE1 bezpośrednio lub pośrednio (przez CBF) wpływa ICE1 bezpośrednio lub pośrednio (przez CBF) wpływa na ekspresję wielu czynników transkrypcyjnych. na ekspresję wielu czynników transkrypcyjnych.

Regulacja postranskrypcyjna w modelu cbfRegulacja postranskrypcyjna w modelu cbfDla przypomnienia – postawowymi poziomami regulacji posttrankrypcyjnej są: sklejanie pre-mRNA, eksport mRNA do cytoplazmy, stabilność mRNA, translacja, modyfikacje potranslacyjne i proteoliza.

W procesie hartowania na mróz stwierdzono, że jedno z białek uczestniczących w eksporcie RNA – helikaza RNA typu DEADbox (LOS4), aktywuje ekspresję białek CBF. U mutanta los4-1 indukcja CBF3 jest blokowana, a CBF1 i 2 opóźniana, przez co mutant nie może się hartować i jest nawet chłodowrażliwy (przy dłuższym chłodzeniu). LOS4 może potencjalnie zarówno rozwijać strukturę drugorzędową tworzącą się w regionie niekodowanym mRNA jak i wpływać ba stabilność transkryptu genów CBF lub ich regulatorów. W obrębie genu LOS4 zaobserwowano też mutację podwyższającą mrozoodporność (los4-2). Mutant ten wykazuje podwyższony poziom gromadzenia CBF2, jest bardziej chłodo- i mrozoodporny. Produkt białkowy zmutowanego genu CRYOPHYTE/LOS4 obecny jest w soku jądrowym i blokuje eksport mRNA w cieple. Mutacja los4-1 blokuje go zarówno w chłodzie jak i w cieple. U mutanta Arabidopsis sfr6 (sensitive to freezing 6) nie obserwuje się blokowania indukcji białek czynników transkrypcyjnych CBF1, CBF2, CBF3, i DREB2, lecz indukcja genów przez nie regulowanych jest o wiele niższa. Mutacja ta albo zmienia aktywność wiązania czynników do celowego DNA, albo zmienia ich aktywność po przyłączeniu, albo wpływa na posttranskrypcyjną regulację genów COR. Najbardziej prawdopodobna jest pierwsza ewentualność, gdyż w przypadku HvCBF2 chłód stymuluje nie jego transkrypcję lecz aktywność wiązania do DNA. W tego typu regulacji uczestniczyć może białko SFR6.W genetycznej kontroli procesu hartowania na mróz rolę odgrywać mogą też regulatorowe cząsteczki RNA (microRNA - miRNA i short interfering RNAs – siRNA) (Sunkar and Zhu, Plant Cell 16: 2001–2019, 2004).Warto też wspomnieć o regulacji aktywności czynnika ICE1. Jego negatywnym regulatorem posttranskrypcyjnym (upstream) jest HOS1 - ligaza ubikwitynowa E3 znakująca to białko do proteolizy. Stąd mutant hos1 wykazuje superindukcję genów CBF w chłodzie.

Jeśli chodzi o efekty działania na ekspresję genów docelowych najważniejszą Jeśli chodzi o efekty działania na ekspresję genów docelowych najważniejszą rolę zdają się odgrywać: rolę zdają się odgrywać: CBF2CBF2 ( (pozytywny regulatorpozytywny regulator hartowania), u hartowania), u A. thalianaA. thaliana,, pod jego kontrolą znajduje się 85 genów indukowanych i 8 hamowanych przez pod jego kontrolą znajduje się 85 genów indukowanych i 8 hamowanych przez chłód i chłód i ZAT12ZAT12 ( (regulatorregulator negatywnynegatywny)), kontroluje 9 aktywowanych i 15 , kontroluje 9 aktywowanych i 15 hamowanych w chłodzie). Nie jest to w sumie dużo bo w tym samym hamowanych w chłodzie). Nie jest to w sumie dużo bo w tym samym eksperymencie pod wpływem działania chłodu obserwowano indukcję bądź eksperymencie pod wpływem działania chłodu obserwowano indukcję bądź hamowanie aż 514 genów, ale spośród 25 genów najsilniej indukowanych hamowanie aż 514 genów, ale spośród 25 genów najsilniej indukowanych przez chłód, 19 jest indukowanych przez CBF2, a dwa kolejne znajdują się pod przez chłód, 19 jest indukowanych przez CBF2, a dwa kolejne znajdują się pod kontrolą pozytywną CBF2 i negatywną ZAT12. ZAT12 hamuje kontrolą pozytywną CBF2 i negatywną ZAT12. ZAT12 hamuje prawdopodobnie indukcję ekspresji genów prawdopodobnie indukcję ekspresji genów CBFCBF obserwowaną po kilku obserwowaną po kilku godzinach hartowania. Mutant 35S::godzinach hartowania. Mutant 35S::ZAT12 ZAT12 nie różni się odpornością na mróz nie różni się odpornością na mróz po zahartowaniu, ale wykazuje wyższą odporność w stanie niehartowanym. po zahartowaniu, ale wykazuje wyższą odporność w stanie niehartowanym.

Typowe profile ekspresji Typowe profile ekspresji genów należących do genów należących do regulonu regulonu CBF CBF po po przeniesieniu do chłoduprzeniesieniu do chłodu

W jaki sposób odbierany jest podczas W jaki sposób odbierany jest podczas hartowania sygnał o obniżającej się hartowania sygnał o obniżającej się temperaturze?temperaturze?

• Specyficzne termoreceptory (podobnie jak Specyficzne termoreceptory (podobnie jak u sinicy u sinicy SynechocistisSynechocistis) ale na ten temat ) ale na ten temat nic nie wiadomo, analogów i homologów nic nie wiadomo, analogów i homologów His33 u roślin wyższych nie maHis33 u roślin wyższych nie ma

• Zmiany w parametrach gospodarki wodnej Zmiany w parametrach gospodarki wodnej komórek (komórek ( zmiany w poziomie ABA) zmiany w poziomie ABA)

• Zmiany równowagi redoks PSIIZmiany równowagi redoks PSII

Ekspresja genów cor – związek Ekspresja genów cor – związek ze zmianami parametrów ze zmianami parametrów gospodarki wodnej komórekgospodarki wodnej komórek

Zmiany w stosunkach wodnych Zmiany w stosunkach wodnych komórekkomórek

• W wielu wypadkach efekty podobne do W wielu wypadkach efekty podobne do hartowania na mróz wywołać można hartowania na mróz wywołać można działaniem stresów zmieniających stosunki działaniem stresów zmieniających stosunki wodne w komórkach czy podaniem ABA. Jest wodne w komórkach czy podaniem ABA. Jest to logiczne, ponieważ mróz wywołuje stres to logiczne, ponieważ mróz wywołuje stres wodny na który rośliny muszą być wodny na który rośliny muszą być przygotowane.przygotowane.

• Molekularny związek hartowania na mróz i z Molekularny związek hartowania na mróz i z pomocą sygnału stresu wodnego nie jest pomocą sygnału stresu wodnego nie jest jednak ścisłyjednak ścisły

Zmiany ekspresji genów pod Zmiany ekspresji genów pod wpływem chłodu, suszy i NaClwpływem chłodu, suszy i NaCl

INDUKCJA HAMOWANIE

Drogi regulacji ekspresji genów przez niską Drogi regulacji ekspresji genów przez niską temperaturę, ABA i stresy osmotyczne (w temperaturę, ABA i stresy osmotyczne (w tym suszę)tym suszę)

w owalach – czynniki transkrypcyjne, w prostokątach – cis-elementy na DNA pod nimi przykładowe geny w promotorach których są one obecne. - modyfikacja funkcjonalna czynnika pod wpływem stresu, np. fosforylacja

Sekwencje Sekwencje cis w cis w promotoracpromotorachh

Udział PSII w regulacji ekspresji Udział PSII w regulacji ekspresji genów corgenów cor

Hipotetyczna rola PSII w odbiorze Hipotetyczna rola PSII w odbiorze bodźca temperaturowego i regulacji bodźca temperaturowego i regulacji

ekspresji genów corekspresji genów corNiska temperatura

Spadek potencjału wody (deficyt wody)

Wzrost ABA

CZYNNIK TRANSKRYPCYJNY ?CBF

Cis ELEMENT DRE/CRT

DREB 2 MYC/MYB bZIP

MYCR/MYBR ABRE

ICE

PSII

światło

transd

ukcja

• Mechanizm odbioru bodźca redoks Mechanizm odbioru bodźca redoks (nie tylko podczas prehartowania i (nie tylko podczas prehartowania i hartowania):hartowania):– Zmiany w puli plastochinonu (Zmiany w puli plastochinonu (APx2, APx2,

PetE1, CabPetE1, Cab))– Reaktywne formy tlenuReaktywne formy tlenu– Peroksyredoksyny (PrxQ, częściowo Peroksyredoksyny (PrxQ, częściowo

związana z PSII)związana z PSII)– PSI – NADP+: reguluje gen PSI – NADP+: reguluje gen 2CPA 2CPA ABA ABA

inhibuje aktywność promotora inhibuje aktywność promotora 2CPA2CPA

Geny cor regulowane stanem Geny cor regulowane stanem redoks PSII:redoks PSII:

• RodzinaRodzina wcs120wcs120 (pszenica) (pszenica) DehydrynyDehydrynyU pszenicy zmapowane na U pszenicy zmapowane na

homologicznej grupiehomologicznej grupie 6, 6, CChromosom 5A regulhromosom 5A reguluje ich ekspresjęuje ich ekspresję. . Odmiany mrozoodporne charakteryzują Odmiany mrozoodporne charakteryzują

się wysoką i ciągłą ekspresją tych się wysoką i ciągłą ekspresją tych genów w chłodzie, w odróżnieniu do genów w chłodzie, w odróżnieniu do odmian wrażliwychodmian wrażliwych. .

Geny cor regulowane stanem Geny cor regulowane stanem redoks PSII:redoks PSII:• RodzinaRodzina wcswcs1919 - pszenica (- pszenica (Wcor14, Wcor14,

Wcor15Wcor15))Kodowane w jądrze, produkt białkowy Kodowane w jądrze, produkt białkowy

transportowany do chloroplastów transportowany do chloroplastów Zmapowane na grupie homologicznej 2Zmapowane na grupie homologicznej 2 Ekspresja regulowana przez chromosom 5AEkspresja regulowana przez chromosom 5AFunkcja nie jest jasna, ale mogą one Funkcja nie jest jasna, ale mogą one

odgrywać rolę w regulowaniu (a przez to odgrywać rolę w regulowaniu (a przez to odbiorze) bodźca redox w chloroplastach odbiorze) bodźca redox w chloroplastach oraz aklimacji aparatu fotosyntetycznego oraz aklimacji aparatu fotosyntetycznego do niskiej temperatury. Ich ekspresja jest do niskiej temperatury. Ich ekspresja jest niezbędna do osiągnięcia maksymalnego niezbędna do osiągnięcia maksymalnego poziomu mrozoodporności. poziomu mrozoodporności.

Geny regulowane poprzez Geny regulowane poprzez zmiany stanu redoks PSII:zmiany stanu redoks PSII:• A.thaliana cor15aA.thaliana cor15a, , jęczmieńjęczmień cor14bcor14b

- - OrtologiOrtologi wcs19 wcs19

- - Ekspresja regulowana przez zmiany w Ekspresja regulowana przez zmiany w puli plastochinonu w chloroplaściepuli plastochinonu w chloroplaście

- Ekspresja Ekspresja Cor14b Cor14b jest związana ze jest związana ze stopniem mrozoodporności u stopniem mrozoodporności u genotypów jęczmieniagenotypów jęczmienia

- Cor14b Cor14b zlokalizowany na zlokalizowany na homologicznej grupiehomologicznej grupie 5 5

Rola genów Rola genów CBF CBF w zależnej od w zależnej od PSII percepcji temperatury PSII percepcji temperatury podczas hartowania na mrózpodczas hartowania na mróz• Promotor Promotor Wcor15 Wcor15 zawiera przynajmniejzawiera przynajmniej 3 3

motywy podobne do motywów rdzeniowychmotywy podobne do motywów rdzeniowych CRT/DRE CRT/DRE (C/DRE) (C/DRE) (CCGAC), (CCGAC), takie motywy są takie motywy są też obecne w promotorachteż obecne w promotorach wsc120wsc120,, cor14b cor14b i i cor15acor15a

Rola genów Rola genów CBF CBF w zależnej od w zależnej od PSII percepcji temperatury PSII percepcji temperatury podczas hartowania na mrózpodczas hartowania na mróz

• Czynniki transkrypcyjne wiążące się do Czynniki transkrypcyjne wiążące się do CRT/DRE (cbCRT/DRE (cbff) ) są szeroko rozpowszechnione są szeroko rozpowszechnione u różnych gatunków roślinu różnych gatunków roślin. .

• Geny Geny CBF CBF u u Arabidopsis Arabidopsis stanowią małą stanowią małą rodzinęrodzinę multigenową skłądającą się z 6 multigenową skłądającą się z 6 paralogówparalogów, , najważniejsze są:najważniejsze są: CBF1/DREB1B, CBF1/DREB1B, CBF2/DREB1C CBF2/DREB1C ii CBF3/DREB1A CBF3/DREB1A. .

• Mają one różną lokalizację chromosomową, a Mają one różną lokalizację chromosomową, a ich ekspresja jest często organo-specyficzna. ich ekspresja jest często organo-specyficzna. Mogą one mieć również zróżnicowaną Mogą one mieć również zróżnicowaną aktywność funkcjonalną.aktywność funkcjonalną.

Rola genów Rola genów CBF CBF w zależnej od w zależnej od PSII percepcji temperatury PSII percepcji temperatury podczas hartowania na mrózpodczas hartowania na mróz

• OrtologOrtolog Cbf3 Cbf3 znaleziony został u znaleziony został u jęczmienia, jest zlokalizowany na jęczmienia, jest zlokalizowany na chromosomie 3H i ulega ekspresji chromosomie 3H i ulega ekspresji specyficznej dla niskiej temperaturyspecyficznej dla niskiej temperatury. .

• HvCBF2 HvCBF2 podlega u jęczmienia ekspresji podlega u jęczmienia ekspresji niezależnie od działania chłodu, lecz niezależnie od działania chłodu, lecz aktywność wiązania białka aktywność wiązania białka HvCBF2 HvCBF2 do do motywu rośnie wraz ze spadkiem motywu rośnie wraz ze spadkiem temperatury i osiąga maksimum w temperatury i osiąga maksimum w 0°C. 0°C. Łączy się preferencyjnie z motywem Łączy się preferencyjnie z motywem GTCGAC. GTCGAC.

Rola genów Rola genów CBF CBF w zależnej od w zależnej od PSII percepcji temperatury PSII percepcji temperatury podczas hartowania na mrózpodczas hartowania na mróz• Czynniki transkrypcyjne Czynniki transkrypcyjne Cbf Cbf mogą być mogą być

zaangażowane w regulację ekspresji genów zaangażowane w regulację ekspresji genów corcor wywoływaną przez zmiany stanu redoks wywoływaną przez zmiany stanu redoks PSIIPSII

• Do chwili obecnej są one jedynymi Do chwili obecnej są one jedynymi czynnikami transkrypcyjnymi (poza czynnikami transkrypcyjnymi (poza regulującym ich aktywność ICE) regulującym ich aktywność ICE) pojawiającymi się specyficznie w wyniku pojawiającymi się specyficznie w wyniku działania niskiej temperatury (nie w działania niskiej temperatury (nie w wypadku działania ABA, czy stresu wypadku działania ABA, czy stresu osmotycznegoosmotycznego))

Dlaczego PSII może być tak Dlaczego PSII może być tak ważne w nabywaniu ważne w nabywaniu mrozoodporności (nie tylko mrozoodporności (nie tylko ekspresja genów)ekspresja genów)

Dostosowanie aparatu Dostosowanie aparatu fotosyntetycznego do fotosyntetycznego do

funkcjonowania w okresie funkcjonowania w okresie jesienno-zimowymjesienno-zimowym

Znaczenie i mechanizmy Znaczenie i mechanizmy

• stres świetlny zimąstres świetlny zimą

W okresie jesiennym i zimowym rośliny mają do czynienia W okresie jesiennym i zimowym rośliny mają do czynienia ze zbyt dużą ilością światła w stosunku do możliwości jego ze zbyt dużą ilością światła w stosunku do możliwości jego wykorzystania w procesie fotosyntezy. Wywołuje to wykorzystania w procesie fotosyntezy. Wywołuje to zjawisko fotoinhibicji fotosyntezy, ze względu na zjawisko fotoinhibicji fotosyntezy, ze względu na generowanie reaktywnych form tlenu destrukcyjne nie tylko generowanie reaktywnych form tlenu destrukcyjne nie tylko dla aparatu fotosyntetycznego, ale i całych komórek. dla aparatu fotosyntetycznego, ale i całych komórek. W związku z powyższym stres świetlny może znacząco W związku z powyższym stres świetlny może znacząco przyczyniać się do słabego zimowania, szczególnie przy przyczyniać się do słabego zimowania, szczególnie przy braku okrywy śniegowej.braku okrywy śniegowej.

• stres świetlny zimąstres świetlny zimą

Ponieważ aparat fotosyntetyczny funkcjonuje jako jeden z Ponieważ aparat fotosyntetyczny funkcjonuje jako jeden z potencjalnych receptorów zmian temperatury w okresie potencjalnych receptorów zmian temperatury w okresie jesiennym, zaburzenia w jego funkcjonowaniu mogą jesiennym, zaburzenia w jego funkcjonowaniu mogą niekorzystnie wpłynąć na regulację procesu hartowania na niekorzystnie wpłynąć na regulację procesu hartowania na mróz.mróz.U niektórych gatunków (zboża ozime, rzepak) fotosynteza U niektórych gatunków (zboża ozime, rzepak) fotosynteza stanowi bezpośrednie źródło energii niezbędnej dla stanowi bezpośrednie źródło energii niezbędnej dla prawidłowego zahartowania i znaczne obniżenie jej prawidłowego zahartowania i znaczne obniżenie jej intensywności może wpłynąć na obniżenie stopnia intensywności może wpłynąć na obniżenie stopnia zahartowania.zahartowania.

PSIIPSII PQ

LHCPSII

zapotrzebowaniena energię

dostęp energii

Metabolizmfotosyntety-

czny i zużywanie 3-

PGAld

PSIIPSII PQ

LHCPSII


dostęp energii

Metabolizmfotosyntety

-czny i zużywanie 3-PGAld

PSIIPSII PQ

LHCPSII


dostęp energii



Typowe objawy fotouszkodzeń Typowe objawy fotouszkodzeń liściliści

Strategie obronyStrategie obronyprzed indukowaną chłodem przed indukowaną chłodem fotoinhibicją fotosyntezyfotoinhibicją fotosyntezy

Całkowite unikanieCałkowite unikanie

Fotoinhibicji Fotoinhibicji indukowanej indukowanej niską niską temperaturątemperaturąmożna można uniknąćuniknąćpoprzez poprzez zrzucenie zrzucenie liściliści

1) Mechanizm 1) Mechanizm niefotochemiczny niefotochemiczny - zmniejszenie - zmniejszenie ilości energii po ilości energii po donorowej stronie donorowej stronie PSII:PSII: ??

Mechanizmy aklimacjiMechanizmy aklimacji

1a. Rozpraszanie energii na antenach – 1a. Rozpraszanie energii na antenach – cykl ksantofilowycykl ksantofilowy

PSIIPSII PQ

LHCPSII


dostęp energii



Ciepło

PSIIPSII PQ


dostęp energii



LHCPSII

Ciepło

1b. Często towarzyszy temu 1b. Często towarzyszy temu rozprzężenie transferu energii rozprzężenie transferu energii pomiędzy antenami i centrami pomiędzy antenami i centrami reakcji oraz rozpraszanie energii w reakcji oraz rozpraszanie energii w PSIIPSII

PSIIPSII PQ

LHCPSII


dostęp energii



Ciepło

PSIIPSII PQ


dostęp energii



LHCPSII

Ciepło

1. Mechanizm niefotochemiczny:1. Mechanizm niefotochemiczny:

a)a) rozpraszanie energii na antenach – rozpraszanie energii na antenach – cykl ksantofilowycykl ksantofilowy

b)b) rozsprzęganie transferu energii rozsprzęganie transferu energii pomiędzy antenami i centrami pomiędzy antenami i centrami reakcji, rozpraszanie w PSIIreakcji, rozpraszanie w PSII

1. Mechanizm 1. Mechanizm niefotochemicznyniefotochemiczny

Krótki dzień

Gromadzenie karotenoidów przed zimą Gromadzenie karotenoidów przed zimą łatwo zauważyć, ale zwykle nie zwraca się łatwo zauważyć, ale zwykle nie zwraca się na to uwagina to uwagi

ZimZimąą

WiosnWiosnąą

Sposoby ochrony aparatu Sposoby ochrony aparatu fotosyntetycznego przed fotosyntetycznego przed indukowaną chłodem indukowaną chłodem fotoinhibicjąfotoinhibicją

2) Ograniczenie 2) Ograniczenie wielkość anten – wielkość anten – zmniejszenie zmniejszenie ilości energii po ilości energii po donorowej donorowej stronie PSIIstronie PSII ??

PSIIPSII PQ

LHCPSII


dostęp energii



PSIIPSII PQ

LHCPSII


dostęp energii



2. Ograniczenie wielkości anten2. Ograniczenie wielkości anten


dostęp energii

Sposoby ochrony aparatu Sposoby ochrony aparatu fotosyntetycznego przed fotosyntetycznego przed indukowaną chłodem indukowaną chłodem fotoinhibicjąfotoinhibicją

3) Tolerancja 3) Tolerancja uszkodzeń uszkodzeń poprzez poprzez zwiększenie zwiększenie wydajności wydajności procesów procesów naprawczych naprawczych PSIIPSII

??

PSIIPSII PQ

LHCPSII


dostęp energii



PSIIPSII PQ

LHCPSII


dostęp energii



3. Wzrost aktywności procesów 3. Wzrost aktywności procesów naprawczych PSIInaprawczych PSII

Spadek temperatury odbierany poprzez zmianę płynności błon i kinazę His33.Kinaza ta nie tylko włącza aklimację aparatu fotosyntetycznego ale uruchamia ekspresję innych genów wpływających na wzrost odporności sinic na mróz.

Sposoby ochrony aparatu Sposoby ochrony aparatu fotosyntetycznego przed fotosyntetycznego przed indukowaną chłodem indukowaną chłodem fotoinhibicjąfotoinhibicją4) Zwiększenie 4) Zwiększenie zużycia energii zużycia energii po akceptorowej po akceptorowej stronie PSII stronie PSII (mechanizm (mechanizm fotochemiczny):fotochemiczny): ??


czny i zużywanie

3PGAld

PSIIPSII PQ

LHCPSII


dostęp energii

Metabolizmfotosyntetyczny i

zużywanie 3PGAld

zapotrzebowanie na energię

PSIIPSII PQ


czny i zużywanie

3PGAld

dostęp energii

zapotrzebowanie na energię

LHCPSII

4. Mechanizm fotochemiczny4. Mechanizm fotochemiczny


dostęp energii

Dodatkowe mechanizmy Dodatkowe mechanizmy ochronne u roślinochronne u roślin• ukrycie się pod okrywą ukrycie się pod okrywą

śniegową (niektóre śniegową (niektóre rośliny)rośliny)

• gromadzenie białek gromadzenie białek ELIPsELIPs

• ograniczenie nadmiaru ograniczenie nadmiaru światła przez światła przez akumulację akumulację antocyjanówantocyjanów

• mechanizmy związane z mechanizmy związane z PSI (cykliczny transport PSI (cykliczny transport elektronów)elektronów)

• wzrost intensywności wzrost intensywności fotooddychaniafotooddychania

Sposoby zapobiegania stresowi Sposoby zapobiegania stresowi świetlnemu w czasie zimy świetlnemu w czasie zimy (mechanizmy dominujące)(mechanizmy dominujące)1.1. Ograniczanie dostępu energii świetlnej i Ograniczanie dostępu energii świetlnej i

rozpraszanie jej w postaci ciepła (drzewa rozpraszanie jej w postaci ciepła (drzewa i krzewy wieczniezielone)i krzewy wieczniezielone)

2.2. Redukcja wielkości anten (zmniejszenie Redukcja wielkości anten (zmniejszenie ilości chlorofilu) – zieleniceilości chlorofilu) – zielenice

3.3. Aktywacja systemów naprawczych Aktywacja systemów naprawczych (sinice)(sinice)

4.4. Wzrost aktywności fazy ciemnej Wzrost aktywności fazy ciemnej fotosyntezy oraz metabolizmu fotosyntezy oraz metabolizmu komórkowego (rośliny zielne, w tym komórkowego (rośliny zielne, w tym wieloletnie)wieloletnie)

Schemat ten nie jest do końca Schemat ten nie jest do końca prawdziwyprawdziwy

• U roślin zielnych mechanizm aklimacji U roślin zielnych mechanizm aklimacji zależy od tego, czy rośliny te gromadzą zależy od tego, czy rośliny te gromadzą jesienią duże ilości asymilatów jesienią duże ilości asymilatów (wieloletnie-mechanizm (wieloletnie-mechanizm niefotochemiczny) czy też nie mają na niefotochemiczny) czy też nie mają na to szans (ozime-mechanizm to szans (ozime-mechanizm fotochemiczny). Zależy to też od fotochemiczny). Zależy to też od przebiegu pogody, ekspozycji siedliska przebiegu pogody, ekspozycji siedliska i.t.p. i.t.p.

Genotypy Genotypy Lolium multiflorum Lolium multiflorum i i Festuca Festuca pratensis pratensis charakteryzują się charakteryzują się odrębnymi mechanizmami aklimacji odrębnymi mechanizmami aklimacji aparatu fotosyntetycznego do chłodu. aparatu fotosyntetycznego do chłodu. Lm zwiększało aktywność Lm zwiększało aktywność fotosyntetyczną (mechanizm fotosyntetyczną (mechanizm fotochemiczny) podczas gdy Fp fotochemiczny) podczas gdy Fp zwiększało rozpraszanie energii zwiększało rozpraszanie energii (mechanizm niefotochemiczny).(mechanizm niefotochemiczny).

• U genotypów wyjściowych, oraz większości linii U genotypów wyjściowych, oraz większości linii androgenicznych androgenicznych FestuloliumFestulolium aklimacja aparatu aklimacja aparatu fotosyntetycznego do warunków zimowych polega fotosyntetycznego do warunków zimowych polega głównie na wzroście rozpraszania energii na głównie na wzroście rozpraszania energii na sposób niefotochemiczny (typowy dla kostrzew).sposób niefotochemiczny (typowy dla kostrzew).

• Jednak u części linii podczas hartowania następuje Jednak u części linii podczas hartowania następuje wzrost aktywności fotosyntetycznej (mechanizm wzrost aktywności fotosyntetycznej (mechanizm fotochemiczny, typowy dla życic).fotochemiczny, typowy dla życic).

• Formy androgeniczne wyprowadzone z tego Formy androgeniczne wyprowadzone z tego samego genotypu (a więc bardzo sobie bliskie) samego genotypu (a więc bardzo sobie bliskie) mogą charakteryzować się innym mechanizmem mogą charakteryzować się innym mechanizmem aklimacji.aklimacji.

• Istnieje wyraźna zależność pomiędzy stopniem Istnieje wyraźna zależność pomiędzy stopniem aklimacji aparatu fotosyntetycznego do chłodu a aklimacji aparatu fotosyntetycznego do chłodu a zimotrwałością i mrozoodpornością roślin.zimotrwałością i mrozoodpornością roślin.

Mieszańce Lm×Fp

• U linii androgenicznych U linii androgenicznych FestuloliumFestulolium aklimacja aparatu fotosyntetycznego aklimacja aparatu fotosyntetycznego do warunków zimowych polega do warunków zimowych polega głównie na wzroście rozpraszania głównie na wzroście rozpraszania energii na sposób niefotochemiczny!energii na sposób niefotochemiczny!

• Formy androgeniczne wyprowadzone Formy androgeniczne wyprowadzone z tego samego genotypu (a więc z tego samego genotypu (a więc bardzo bliskie) mogą charakteryzować bardzo bliskie) mogą charakteryzować się innym mechanizmem aklimacjisię innym mechanizmem aklimacji

• Badania różnych form roślin kompleksu Badania różnych form roślin kompleksu Lolium-FestucaLolium-Festuca wykazały, że aklimacja wykazały, że aklimacja aparatu fotosyntetycznego do chłodu jest aparatu fotosyntetycznego do chłodu jest bardzo ważna dla zimotrwałości roślin bardzo ważna dla zimotrwałości roślin (korelacja rzędu 0,6-0,7).(korelacja rzędu 0,6-0,7).

• Mechanizmy aklimacji są inne u Mechanizmy aklimacji są inne u Lolium iLolium i Festuca (Festulolium) Festuca (Festulolium) i w obrębie i w obrębie otrzymanego z mieszańców potomstwa otrzymanego z mieszańców potomstwa androgenicznego oraz linii androgenicznego oraz linii introgresywnychintrogresywnych..

• Opinia, że mechanizm aklimacji aparatu Opinia, że mechanizm aklimacji aparatu fotosyntetycznego do chłodu jest taka sama u fotosyntetycznego do chłodu jest taka sama u wszystkich roślin zielnych powinna zostać wszystkich roślin zielnych powinna zostać zweryfikowana (patrz również Adamms et al. 2002, zweryfikowana (patrz również Adamms et al. 2002, gdzie różne mechanizmy obserwowano u ekotypów gdzie różne mechanizmy obserwowano u ekotypów rosnących w różnych warunkach środowiskowych). rosnących w różnych warunkach środowiskowych).

• Aklimacja aparatu fotosyntetycznego do Aklimacja aparatu fotosyntetycznego do warunków zimowych wpływa istotnie na zdolność warunków zimowych wpływa istotnie na zdolność roślin do przetrwania zimy, ponieważ może być roślin do przetrwania zimy, ponieważ może być ona:ona:– bezpośrednio warunkiem przezimowania (stres bezpośrednio warunkiem przezimowania (stres

świetlny jest czynnikiem zimotrwałości)świetlny jest czynnikiem zimotrwałości)– warunkiem prawidłowego zahartowania (u warunkiem prawidłowego zahartowania (u

roślin nie akumulujących fotoasymilatów przed roślin nie akumulujących fotoasymilatów przed zimą fotosynteza dostarcza bezpośrednio zimą fotosynteza dostarcza bezpośrednio energii niezbędnej dla hartowania na mróz)energii niezbędnej dla hartowania na mróz)

– przejawem działania mechanizmów przejawem działania mechanizmów regulujących przebieg hartowania na mróz regulujących przebieg hartowania na mróz (wpływ na ekspresję genów cor).(wpływ na ekspresję genów cor).

Business

Molekularne Podstawy Mrozoodpornosci New