доступен здесь

Генетические основы
регуляции развития
растений фитогормонами
изменение вектора
силы тяжести,
вектора освещения
Ауксины
(«гормоны направлений»)
источники
минерального
питания
Цитокинины
(«гормоны деления клеток»)
свет,
температура
Гиббереллины
(стимуляторы вегетативного
и генеративного развития )
механические
повреждения
дефицит воды,
снижение
концентрации
гиббереллинов,
цитокининов и
ауксинов
изменение
вектора роста
органов
формирование
новых побегов
прорастание,
рост, цветение
Этилен
(«гормон стресса»)
защитные
реакции,
старение, ПКС
АБК
(«гормон покоя»)
защитные
реакции,
ингибирование
вегетативного
развития
Цитокинины
Функции цитокининов:
• На уровне клетки:
1. Контроль клеточного цикла на переходе G1-S
2. Стимуляция развития хлоропластов
3. Стимуляция транспорта питательных веществ в
клетку
• На уровне организма:
1. Поддержание апикальной меристемы побега
2. Ингибирование апикальной меристемы корня
3. Снятие апикального доминирования
4. Замедление старения листьев
Натуральные цитокинины –
производные аденина
(Z)
Транс-зеатин
Цис-зеатин
Дигидрозеатин
Изопентениладенин
Кинетин
6-бензиламинопурин
Тидиазурон
Биосинтез цитокининов
Основные ферменты:
1.
3
1
4
2
2.
1
3
4
3.
4.
изопентенилтрансферазы (IPT)
синтез IP-нуклеотидов
–
тРНК-изопентенилтрнасфе-разы
(tRNA-IPT) – синтез пренил-тРНК из
тРНК
цитохром
Р450-монооксигеназы
(CYP735A) – синтез Z-нуклеотидов из
IP-нуклеотидов
нуклеотидазы – синтез IP- и Zрибозид-монофосфатов
из
трифосфатов
5
5.
нуклеозид-монофосфатгидролазы
(LOG)
–
синтез
активных
цитокининов из цитокининнуклеотидов
Тканеспецифичность экспрессии
некоторых генов AtIPT:
в корне
AtIPT7 –
эндодерма зоны
элонгации корня
AtIPT1 –
предшественники
ксилемы в
прокамбии
AtIPT3 – флоэма,
молодые сосуды и
перицикл.
AtIPT5 – кончик
корня и зачатки
боковых корней
Биосинтез цитокининов
Основные ферменты:
1.
3
1
4
2
2.
1
3
4
3.
4.
изопентенилтрансферазы (IPT)
синтез IP-нуклеотидов
–
тРНК-изопентенилтрнасфе-разы
(tRNA-IPT) – синтез пренил-тРНК из
тРНК
цитохром
Р450-монооксигеназы
(CYP735A) – синтез Z-нуклеотидов из
IP-нуклеотидов
нуклеотидазы – синтез IP- и Zрибозид-монофосфатов
из
трифосфатов
5
5.
нуклеозид-монофосфатгидролазы
(LOG)
–
синтез
активных
цитокининов из цитокининнуклеотидов
Цитокинин-активирующие ферменты LOG
• LOG фосфорибогидролазы
осуществляют синтез
свободных
изопентениладенина (IP) и
зеатина (Z) из изопентенили зеатин-монофосфатов
(IPRMP и ZRMP),
промежуточные стадии –
изопентенил-рибозид и
зеатин-рибозид (IPR и ZR) –
основные транспортные
формы цитокининов
•Основное место
экспрессии генов LOG –
апикальная меристема
побега
• Мутанты риса log (lonely
guy) имеют низкую
жизнеспособность и
сниженное количество
латеральных органов
Катаболизм цитокининов
• Субстраты цитокинин-оксидаз –
свободные цитокинины (зеатин,
IP) и их рибозиды
• Экспрессия генов AtCKX
индуцируется цитокининами
• Белки AtCКX локализованы в
вакуолях и ЭР
• Повышение экспрессии генов
AtCKX вызывает снижение
жизнеспособности, увеличение
размеров меристемы корня и
уменьшение апикальной
меристемы побега
Wild
type
35S::AtCKX1
WT
35S::AtCKX 1, 2, 3, 4
Транспорт цитокининов
2. ZR, IP, ZOG
1. ZR,
ZMP, Z, iPMP, iPA, iP
Транспорт между
органами растения:
1. Ксилемный транспорт.
Основная транспортная
форма - зеатин-рибозид.
От корня к стеблю.
2. Флоэмный транспорт.
Свободные цитокинины и
гликозиды. В обоих
направлениях.
Транспорт между
клетками:
1. Белки PUP  свободные
цитокинины (Z, IP)
2. Белки ENT  цитокининрибозиды (ZR, IPR)
PUP
ENT
Передача сигнала
при ответе на
цитокинины
Основные компоненты:
1. Рецепторы –
гибридные
сенсорные гистидинкиназы (семейство
АНК) (Arabidopsis
hybrid-type Histidine
sensor Kinases)
2. Гистидинфосфопереносящие
белки (семейство
АНР)
3. Транскрипционные
факторы ARR-B
4. Репрессоры ответа
на цитокинин ARR-A
(гомологи ARR-B)
Фенотипы
мутантов по
генам
цитокининовых
рецепторов
А
А – фенотип взрослых растений – резкое
снижение жизнеспособности у двойных и
тройных мутантов
В – нечувствительность к высоким
концентрациям цитокининов у тройных
мутантов
В
Гистидин-фосфопереносящие
белки (AHP)
1. Выполняют функцию челноков
между цитоплазмой и ядром
2. Транспортируются в ядро
после восприятии цитокинина
рецепторами
3. Передают фосфатную группу
от рецепторных гистидинкиназ на регуляторы ответа
4. У арабидопсиса выявлено 6
генов AHP (AHP1 – AHP6),
которые экспрессируются во
всех органах
5. Мутанты ahp1ahp2aph3ahp4
нечувствительны к
цитокининам
Регуляторы ответа на цитокинин (ARR)
ARR А-типа
ARR 1, 2, 10, 11, 12, 13, 14
функция неизвестна
Вариабельный
домен (?)
репрессия ответа
на цитокинины
ARR B-типа
ARR 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 15
транскрипционные факторы
GARP домен
(ТФ)
регуляция
экспрессии генов
Регуляторы ответа на цитокинин ARR
(G/A)GGAT(T/C)
Цитокинин-регулируемые гены
С помощью метода Microarray было
обнаружено изменение уровней
экспрессии более чем тысячи генов в
ответ на обработку цитокинином БАП у
растений арабидопсиса дикого типа и
трансгенных растений 35S::CKX1
-Повышение
экспрессии
Клеточный цикл:
CycD3-1, CycD3-2,
CycD3-3 (циклины
класса D)
-Снижение
экспрессии
Развитие меристем:
Синтез сахарозы
и крахмала:
KNAT1, KNAT2, STM
APETALA2
(Гомеодоменсодержащие
транскрипционные
факторы)
SUS (сахарозосинтаза)
INV (инвертаза)
STP (Н+ моносахаридный
симпортер)
Метаболизм и сигналинг
цитокининов:
Метаболизм и сигналинг
ауксинов:
PUP4 (переносчик)
AHK2, CRE1 (рецепторы)
ARF8 (транскр. фактор)
EIR1/PIN7 (efflux-канал)
CKX5 (цитокинин-оксидаза)
ARR 4, 5, 6, 7, 8, 9, 15
(репрессоры ответа)
APRR 5, 7 (псевдорегуляторы ответа)
GH3 (синтез коньюгатов)
IAA3 (репрессор ответа)
AUX1 (influx- канал)
KAT1 (калиевый ионный
канал)
Метаболизм и сигналинг
этилена:
ACS 6, 8, ACX 5
(биосинтез)
ETR2, ERS2
(рецепторы)
EIN3, ERFs
(транскр. факторы)
Метаболизм и сигналинг
гиббереллинов:
GA-20-Ox, GA4
(биосинтез)
GAI, RGA, SPY
(репрессоры сигнала)
Цитокинин-регулируемые гены
Световой сигналинг:
PHYA
(фитохром А)
PKS1
(субстрат
фитохромов А и В)
PAT1
(позитивный
регулятор)
Функции
хлоропластов:
Pet A
NIA1 (нитрат-редуктаза)
(цитохром гамма)
NRT2-1, 2-2, 2-3 (переносчики
Psb A, G
нитратов)
(белки фотосистемы 2)
AMT 1-2, 1-3 (переносчики
matK (сплайсинг
аммония)
хлоропластной РНК)
SULTR 1-1, 1-2 (переносчики
сульфатов)
PHT 1, 2 (переносчики
фосфатов)
Транспорт
неорганических солей:
стимуляция
развития
придаточных корней
развитие проростка
(«тройной ответ»)
Устойчивость к
биотическим и
абиотическим
стрессам
ЭТИЛЕН
С2 Н4
старение и опадение листьев
созревание
плодов
Биосинтез этилена
*
Промежуточные продукты: МЕТ (метионин), AdoMet (S-аденозил-метионин),
ACC (1-аминоциклопропан-1-карбиоксиловая кислота)
Побочный продукт: МТА (метилтиоаденин) – превращается обратно в МЕТ
через цикл Янга
Ферменты: AdoMet-синтаза, ACS (АСС-синтаза), ACO (АСС-оксидаза)
* - Лимитирующая стадия – синтез АСС из AdoMet. Регулируется:
1). через экспрессию генов АСS – ауксинами, брассиностероидами,
поранением
2). через стабильность белков АСS (основной путь) - цитокининами
Передача
сигнала при
ответе на
этилен
Основные компоненты:
1. Рецепторы этилена: ETR1 и 2,
ERS1 и 2, EIN4
2. Компоненты МАР-киназного
каскада: CTR1, MKK9, MPK3 и 6
3. Металлотранспортер EIN2
4. Транскрипционный фактор
EIN3
5.
Компоненты
убиквитинлигазного комплекса EBF1 и 2
6. 5’-3’-экзорибонуклеаза EIN5
7. Транскрипционные факторы
ERF
Взаимодействие белков, входящих в 2хкомпонентные системы передачи сигналов у
Arabidopsis:
Гибридные гистидин-киназы CRE1 и CKI (рецепторы
цитокинина), а также ETR1 (рецептор этилена) могут
передавать фосфатную группу на фосфотрансферазы
AHP1 и AHP2  активация регуляторов ответа на
цитокинин ARR2 и ARR4.
подавление
развития ПАМ
ауксины
формирование
андроцея
цитокинины
Гиббереллины
АБК
ауксины
прорастание
семян
этилен
удлинение междоузлий,
листьев, корней
этилен
АБК
переход к
цветению
Биосинтез
гиббереллинов
Основные ферменты:
1. Семейство TPS (терпенсинтазы) – до энткаурена:
- CPS (копалил-дифосфатсинтаза)
- KS (энт-каурен-синтаза)
2. Семейство P450монооксигеназ – до
GA12:
- КО (энт-каурен-оксидаза)
- КАО (оксидаза энткауреновой к-ты)
3. Семейство 2ODD (2оксоглютаратзависимые
диоксигеназы) – до
GA1, GA3, GA4:
- 20ох (GA-20-оксидазы)
и 3ох (GA-3-оксидазы) –
синтез активных GA
- 2ох (GA-2-оксидазы) –
инактивация GA
Основной путь регуляции концентрации гиббереллинов
- контроль экспрессии генов 2ODD (Ga3Ox, Ga20Ox активаторы, Ga2Ox - инактиваторы)
Рецепция и передача сигнала при ответе
на гиббереллины
SCFSLY/GID2
3
1
2
4
Абсцизовая кислота (АБК)
«гормон покоя», «гормон засухи»,
антагонист гиббереллинов, ауксинов, цитокининов
терпеноиды
- АБК
+АБК
Биосинтез АБК
Основные ферменты:
в пластидах
в цитозоле
1. зеаксантин-эпоксидазы
(ZEP)
синтез
виолоксантина
из
зеаксантина
2. ликопен-циклазы-b
(LCYB, NSY) – синтез
неоксантина
из
виолоксантина
3. N-цисэпоксикаротеноиддиоксигеназы (NCED) –
синтез ксантоксина из
цис-неоксантина
4. АБК-альдегидоксидазы
(АВА2, ААО3) – синтез
АБК
из
ксантоксина
через АБК-альдегид
Регуляция экспрессии генов биосинтеза АБК
Контроль на уровне
сплайсинга РНК:
SAD1
(Supersensitive to
ABA and Drought) –
Белок семейства
SnRNP
Рецепция и передача сигнала АБК
ядро
репрессия цветения
FLC
FCA
???
хлоропласты
АБК
CHLH
???
плазмалемма
GPCR
PLDa
ABI3
(GCR2, GTG1/2)
???
созревание
зародыша,
период покоя
цитозоль
RCAR
!
PP2C
SnRK2
ABI5
защита от
высыхания
Четыре независимых рецептора запускают независимые пути
передачи сигнала для реализации разных программ развития
!