Рост и развитие растений Основные фитогормоны

Гормон – химическое вещество, выделяемое клетками и модифицирующее физиологию клеток и организма.
Гормоны действуют при низких концентрациях и обычно имеют высокую аффинность связывания с мишенью, которой чаще всего выступает специфический рецептор для данного гормона, синтезируемый клеткой. Рецептор активирует специфический сигнал через один или несколько путей сигнальной трансдукции, что ведет к прямому изменению в работе ферментов или к изменению экспрессии генов (а затем ферментов).

Историю открытия и изучения фитогормонов – по учебнику!
В 19 веке, Чарльз Дарвин и его сын Фрэнсис Дарвин провели эксперименты по фототропизму и обнаружили, что проростки загибаются к свету, только если кончик колеоптиля интактен (не поврежден и вообще присутствует).
Они постулировали гипотезу, согласно которой сигналы-регуляторы в растении – это химические вещества, синтезируемые в кончиках растущих тканей и затем распространяющиеся в зону роста растяжением.
Фрэнсис
Чарльз

Результаты
Контроль
Свет
Освещенная
сторона
колеоптиля
Затененная
сторона
колеоптиля

Результаты (конец 19-го века)
Свет
Кончик
удален
Дарвин и Дарвин: фототропический ответ
возникает только когда кончик освещен
Кончик
покрыт
непрони-
цаемым
для света
колпачком
Место изгиба
в зоне роста
покрыто
непрозрачным
материалом
Кончик
покрыт
прони-
цаемым
для света
колпачком

Свет
Кончик отделен
желатиновой
септой, которая
проницаема для
растворов
Кончик отделен
непроницаемой
пластинкой
1913 год, Питер Бойсен-Дженсен продемонстрировал, что ростовой сигнал – это мобильное химической вещество
Boysen-Jensen: фототропический ответ наблюдался в случае, когда кончик был разрезан, но соединеи проницаемой для растворов септой.

В 1920-ых годах,
Фритц Вент (Голалндия) экстрагировал химический посредник фототропизма, назвав его ауксином. Его химическую природу описал Кеннет Тиманн в 20-е годы. Вместе с Вентом написали книгу: Phytohormones, in 1937.
Николай Холодный (Украина) предложил теорию движения ауксина по растению с целю регуляции ростовых процессов (Теория Холодного-Вента).
Отрезанный кончик
поместили на
агаровый блок
Результаты
Ростостимулирующее
вещество
диффундировало
в агар
Агаровый блок с
накопленным веществом
вызывал рост других
проростков в темноте
Контрольный
блок без
ростового
стимулятора
не вызывал
роста
Контроль

Ауксин (греч. auxein - «расти/увеличиваться»)
Любой химический агент, стимулитующий растяжение колеоптилей (классификация по физиологической активности!).
Индолил-3-уксусная кослота (ИУК) – основной ауксин, но есть еще как минимум 3.
Модернизированная теория Холодного-Вента:
Акусиновые транспортеры переносят ауксин из бального конца клетки в апикальную часть соседней клетки.
Кристаллы фенилацетата
хорошо растворимы в воде

Природные (эндогенные) ауксины – точно известно про четыре гормона:
1 – наиболее обильный и важный:
индолил-3-уксусная кислота (ИУК)
(IUPAC: 2-(1H-indol-3-yl)acetic acid)
Индол – гетероцикл + карбоксиметильная группа (ацетил)
Химический синтез ИУК *не в клетке! (биосинтезы гормонов – самим по учебнику! формулы промежуточный продуктов не надо)
гликолевая
кислота
индол
ИУК

Другие три природных (эндогенных) ауксина –
Растения синтезируют ауксины несколькими независмыми путями. Четыре из этих путей начинаются с триптофана, но есть и пятый путь – независимый от триптофана. Промежуточный продукт чаще всего индол-3-пируват, реже индол-3-ацетальдоксим.
Zhao, Yunde (2010) Auxin Biosynthesis and Its Role in Plant Development.
Annual Reviews of Plant Biology 61: 49–64.
4-хлороиндолил-3-уксусная кислота
(всегда есть в семенах бобовых, возможно гормон смерти – им семена убивают порождающее их растение)
2-фенилуксусная кислота
(почти всегда обнаруживается в фруктах)
индолил-3-масляная кислота
(всегда присутствует у Salix)

Teale et al. Nature Reviews Molecular Cell Biology 7, 847–859 (November 2006) | doi:10.1038/nrm2020
Недавний обзор по проблеме транспорта ауксина

Как ауксины стимулируют рост?
- Н+-АТФазы, - экспансины
Ауксин стимулирует протонную АТФазу; выделяемые этим ферментом Н+ ослабляют связи клеточной стенки и стимулируют кислые экзогидролазы.
Протоны также стимулируют ЭКСПАНСИНЫ, представляющие собой неферментативные системы, вероятно, способные ослаблять адгезивные (нековалентыне) взаимодействия между фибриллами целлюлозы и соединительными волокнами гемицеллюлозы.

Волокна
гемицеллюлозы
Целлюлозные
микрофибриллы
клеточная
стенка
закисает.
2
1
ауксин
стимулирует
активность
Н+-АТФазы
Кислые
гидролазы
Экспансин
Экспансины отщепляют
гемицеллюлозу от фибрилл
целлюлозы
3
4
5
Клеточная
стенка
расщепление позволяет
микрофибриллам
Расходиться в стороны.
цитоплазма
Плазматическая
мембрана
H2O
стенка
мембрана
ядро
цитоплазма
вакуоль
Клетка становится
способной
к растяжению
Механизм 1

Уже для вас известный механизм (механизм 2):
1 - H+-ATФаза гиперполяризует мембрану, выкачивая положительно заряженные H+ наружу.
2 – Это активирует открывание гиперполяризационно-активируемых Ca2+-проницаемых каналов
3 - Ca2+ стимулирует актомиозиновые взаимодействия и полярный транспорт везикул с новым клеточным материалом из к-са Гольджи.
4 – Возросший цитоплазматический Ca2+ стимулирует НАДФН-оксидазу – идет генерация АФК. Что дополнительно стимулирует каналы и вход Са2+ в цитоплазму – эффект усиления!

Механизм 2

Цитокинины стимулируют цитокинез(ис) – деление клеток
Зеатин (первый описанный цитокинин из кукурузы)
Контролируют клеточное деление и дифференциацию у растений.
Синтезируются в растущих тканях: кончики корней, эмбрионы, фрукты.
Функционируют совместно с ауксинами в контроле роста.

Цитокинины, ауксин и ряд других факторов взаимодействуют для контроля апикального доминирования.
В апик. домин. терминальная (верхушечная) почка подавляет рост боковых почек (образование боковых побегов).
Цитокинины вызывают образование новых почек и, соответственно, ветвление стеблей и корней, образование соцветий. Это исключительно специфическое действие цитокининов.
Цитокинины замедляют старение некоторых органов растения, ингибируя распад белков, стимулируя биосинтез РНК и белков, мобилизируя питательные вещества из окружающих тканей.
Синтез цитокининов идет в корнях и в семенах. Из корней цитокинины пассивно транспортируются в наземные органы по ксилеме.
Эффект цитокининов на
ветвление

Можно выделить 2 типа цитокининов по их структуре:
1 – адениновый тип: кинетин, зеатин и 6-бензиламинопурин
2 – фенил-мочевинный тип: дифенилмочевина и тидиазурон
Соотношение ауксина к цитокинину имеет огромное значение на рост растений. Цитокинин без ауксина не имеет эффекта на паренхимные клетки.
Без цитокинина ауксин вызывает удлинение, но клетки не делятся. Когда добавляется цитокинин клетки начинают делиться и дифференцироваться.
Когда поровну ауксина и цитокинина паренхимные клетки начинают формироваться недифференцированный каллус.
Добавление к каллусу больше цитокинина, чем ауксина, приводит к формированию почек побегов (растут побеги). В то же время, добавление ауксина (на фоне низкого уровня цитокинина) вызывает формирование корней

Гиббереллины (классификация по общей структуре!) также как и все гормоны имеют плеотропное действие:
- Удлинение побегов
- Прорастание семян
- Рост фруктов
- Проявление половых признаков
- Индукция ряда ферментов
- Опадение листьев и плодов
Гиббереловая кислота
Все гиббереллины дитерпеноиды. Синтезируются в терпеноидном пути в пластидах, затем модифицируются в ЭПР и цитоплазме до активной формы.

Гиббереллины
Гиббереловая кислота
У растений, грибов и бактерий обнаружено около 150 веществ, относимых к группе гиббереллинов.
Гиббереллины бывают тетра- или пентациклической природы (с пятичленным лактонновым кольцом!) и могут содержать 20 или 19 атомов углерода. Большинство гиббереллинов являются кислотами. Индекс ГК1, ГК3 означает только порядок открытия в историческом плане.

ГК - открыта японским ученым Ейчи Куросавой в 1926 г. Как продукт патогенного гриба Gibberella fujikuroi, вызывающего заболевание риса bakanae. Тейжиро Ябута – изолировал и проанализировал ГК в 1935 году.
Gibberella fujikuroi вызывает bakanae – загружая в растение избыток ГК.

Ауксин и гиббереллины регулируют созревание фруктов и закладку семян. Gibberellins are used in spraying of Thompson Seedless, Russian Seedless, and Black Monukka grapes (usual varieties in the shop).
Gibberellin-induced stem
growth
Gibberellin-induced fruit
growth

Gibberellins (GA)
send signal to
aleurone.
Aleurone secretes
α-amylase and other enzymes.
Sugars and other
nutrients are consumed.
Aleurone
Endosperm
Water
Scutellum
(cotyledon)
Radicle
1
2
3
GA
GA
α-amylase
Sugar
Прорастание семени: во влажных условиях высвобождение гиббереллинов из эмбриотических клеток формирует сигнал для семян, индуцирующий прорастание.

Брассиностероиды – похожи на стероидные половые гормоны животных.
- удлинение клеток вместе с ауксином
- дифференциация сосудистых тканей
- удлинение пыльцевых трубок
брассинолид

Абсцизовая кислота (AБК) замедляет рост
Два основных эффекта :
- Поддерживает покой семян
- Закрывает устьица при засухе
АБК
Изопреноидный путь синтеза в пластидах

Early germination
in red mangrove
Early germination
in maize mutant
Coleoptile

Стимулирует транспортные системы, вызывающие выход калия, малата и цитрата из замыкающих клеток
closed stomata
open stomata
2 guard cells

Этилен
Продуцируется в ответ на стресс и повреждение.
Вызывает опадание листьев, обеспечивает адаптацию метаболизма к стрессу, созревание фруктов.
этилен

Концентрация этилена (части на миллион)
0.10
0.00
0.20
0.40
0.80

Защитынй слой
Стебель
Слой отделения
Черешок
Уменьшение уровня ауксина и повышение уровня этилена приводит к образованию зоны отделения в основании черешка и опадению листьев.

Учить не надо

Наиболее биологически-значимые АФК (группа I)
From Demidchik V, Chapter 2. Oxidative Stress in Plants.
In “Plant Stress Physiology” CABI, 2012

Другие АФК, участвующие в оксидативном стрессе и физиологических реакциях (группа II)
Гидропероксильный (гидропероксидный)
радикал HO2•
Пероскильный радикал RO2•
Алкоксильный радикал RO•
Пероксинитрит (оскопероксонитрат) ONOO-
Озон О3
Гипохлорная кислота НОСl

Потенциальные рецепторы АФК в клетках растений:
(A) двухкомпонентные гистидин-киназы (two-component histidine kinases);
(Б) редокс-чувствительные факторы транскрипции: система фактор/регулятор (в TGA окисление Цис-260 и Цис-266 препятствует связи с блокатором NPR1) и Heat Shock Factors (у дрожжей напрямую через 2-Цис );
(В) АФК-чувствительные фосфатазы;
(Г) редокс-регулируемые катионные каналы;
(Д) G-белки (in vitro: 20 µM H2O2 стимулировало диссоциацию альфа-субъединицы (Wang et al., 2008)
Прямое участие в редокс-сигнализации in vivo пока доказано только для последней группы (Demidchik et al., 2010; Garcia-Mata et al., 2010).

Почему так важен Са2+?
- повышение уровня Са2+ в цитоплазме (4-мерная кальциевая волна - XYZt) – это код для внешних сигналов у клеток растений, которые «видят и слышат» окружающий мир при помощи мембранных рецепторов и волны изменения цитоплазматической активности Са2+ ([Са2+]цит.). Сигнализация у растений чаще всего начинается с изменения [Са2+]цит.
За развитие представлений о сигнальной роли Са2+ дали три Нобелевские премии.
цитоплазма:
[Са2+] = 100 нM
мембрана
канал
клеточная стенка:
[Са2+] = 0.1-1 мM
Са2+
катионный
ферменты,
гены

Цитоплазматические сенсоры Са2+:
Кальций-связывающие белки “Ca2+-binding proteins” (CBPs). Примерно 250 генов на геном (высшие растения).
«Обратимо связываются с Са2+, при этом их конформация изменяется, и они становятся способными реагировать с рядом мишеней в клетке».
Классические CBPs имеют ‘EF-hands’ (“helix-loop-helix” structures), которые специфично связывают Ca2+ при его очень низкой концентрации.
CBPs можно разделить на 5 классов (все вовлечены в АФК-Са2+-сигнализацию):
(1) кальмодулины;
(2) кальмодулин-подобные белки (calmodulin-like proteins - CLPs);
(3) Ca2+-зависимые протеин-киназы (CDPKs);
(4) кальцинеурин-В-подобные белки (calcineurin B-like proteins - СBLs)
(5) НАДФН-оксидазы.
CDPKs напрямую «трансдуцируют» АФК-Ca2+-сигналы. Остальные 4 класса действуют в качестве посредников. НАДФН-оксидазы продуцируют АФК и действуют обратно на Са2+-проницаемые каналы. НАДФН-оксидазы и кальмодулины есть у животных, остальные только у растений.
Пример: H2O2 в течение секунд индуцирует CDPK3 в суспензионных корневых клетках Arabidopsis thaliana, приводя к изменению экспрессии 28 генов, связанных со стрессовым ответом (Mehlmer et al., 2010).

Другие сигнально-регуляторные механизмы, индуцируемые АФК:
MAP-киназы и другие серин-треониновые киназы, MAPK-фосфатазы и другие ферменты активируются под действием АФК, но пока не ясно как и во-многом не понятно зачем.
Также не ясно для чего необходима так-называемая ретроградная сигнализация (АФК-сигналы между АФК-продуцирующими органеллами и ядром).
Обычно увеличение уровня АФК при изучении ретроградной сигнализации вызывают световым стрессом (в 3 раза сильнее обычного солнечного), поэтому скорее всего не связано с реальной патофизиологией растения.
Липидные производные - известно несколько компонентов (phosphatidic acid etc.), образующихся при оксидативном стрессе и играющих сигнальную роль. Это большая отдельная тема. Ясно, что производные есть, но не ясно как они действуют на даунстрим-механизмы.