Gibberellin - Gibberellin

Gibberelliny (GA) jsou rostlinné hormony, které regulují různé vývojové procesy , včetně prodloužení stonků , klíčivosti , vegetačního klidu , kvetení , vývoje květů a stárnutí listů a plodů . GA jsou jednou z nejdéle známých tříd rostlinných hormonů. Má se za to, že selektivní šlechtění (i když v bezvědomí) kmenů plodin, které byly nedostatečné v syntéze GA, bylo jedním z klíčových hybatelů „ zelené revoluce “ v šedesátých letech minulého století, revoluce, které se připisuje zásluha na záchraně více než miliardy životů po celém světě.

Dějiny

Prvním průnikem do porozumění GA byl vývoj z oblasti rostlinné patologie se studiemi na bakanae neboli nemocí „pošetilých sazenic“ v rýži . Hloupá choroba sazenic způsobuje silné prodloužení stonků a listů rýže a nakonec způsobí jejich převrácení. V roce 1926 japonský vědec Eiichi Kurosawa zjistil, že hloupou chorobu sazenic způsobila houba Gibberella fujikuroi . Pozdější práce na Tokijské univerzitě ukázaly, že látka produkovaná touto houbou vyvolala příznaky pošetilé choroby sazenic a pojmenovali tuto látku „gibberellin“.

Zvýšená komunikace mezi Japonskem a Západem po druhé světové válce posílila zájem o gibberellin ve Velké Británii (Spojené království) a USA (USA). Pracovníci společnosti Imperial Chemical Industries ve Velké Británii a ministerstva zemědělství v USA nezávisle izolovali kyselinu gibberellovou (přičemž Američané původně odkazovali na chemikálii jako „gibberellin-X“, než přijali britský název-chemikálie je známá jako gibberellin A3 nebo GA3 v Japonsku)

Znalosti o gibberellínech se rozšířily po celém světě, protože potenciál pro jeho použití na různých komerčně důležitých rostlinách se stal očividnějším. Například výzkum, který začal na Kalifornské univerzitě v Davisu v polovině šedesátých let, vedl k jeho komerčnímu využití na stolních hroznech Thompson bez semen v celé Kalifornii do roku 1962. Známým inhibitorem biosyntézy gibberellinu je paclobutrazol (PBZ), který zase inhibuje růst a vyvolává ranou ovocnou sadu i sadu semen.

Během rychlého stoupání světové populace v šedesátých letech se obával chronického nedostatku potravin. To bylo odvráceno vývojem vysoce výnosné odrůdy rýže. Tato odrůda polotrpasličí rýže se nazývá IR8 a má krátkou výšku kvůli mutaci v genu sd1. Sd1 kóduje GA20ox, takže se očekává, že mutantní sd1 bude vykazovat krátkou výšku, která je v souladu s nedostatkem GA.

Chemie

Všechny známé gibberelliny jsou diterpenoidové kyseliny, které jsou syntetizovány terpenoidní cestou v plastidech a poté modifikovány v endoplazmatickém retikulu a cytosolu, dokud nedosáhnou své biologicky aktivní formy. Všechny gibereliny jsou odvozeny z ent -gibberellanového skeletu, ale jsou syntetizovány ent -maurenem. Tyto gibberelliny jsou pojmenovány GA1 prostřednictvím GAn v pořadí objevu. Kyselina giberelová , která byla prvním gibberellinem, který byl strukturálně charakterizován, je GA3.

V roce 2003 bylo identifikováno 126 GA z rostlin, hub a bakterií.

Gibberelliny jsou tetracyklické diterpenové kyseliny. Existují dvě třídy založené na přítomnosti 19 nebo 20 uhlíků. Gibberelliny s 19 uhlíky, jako je kyselina gibberellová, ztratily uhlík 20 a na svém místě mají pětičlenný laktonový můstek, který spojuje uhlíky 4 a 10. 19-uhlíkové formy jsou obecně biologicky aktivními formami giberelinů . Hydroxylace má také velký vliv na biologickou aktivitu giberelinu. Obecně jsou biologicky nejaktivnějšími sloučeninami dihydroxylované gibereliny, které mají hydroxylové skupiny na uhlíku 3 i uhlíku 13. Kyselina giberelová je dihydroxylovaný giberelin.

Bioaktivní GA

Bioaktivní GA jsou GA1, GA3, GA4 a GA7. Mezi těmito GA existují tři společné strukturální znaky: hydroxylová skupina na C-3p, karboxylová skupina na C-6 a lakton mezi C-4 a C-10. 3p-hydroxylovou skupinu lze vyměnit za jiné funkční skupiny v polohách C-2 a/nebo C-3. GA5 a GA6 jsou příklady bioaktivních GA, které nemají na C-3p hydroxylovou skupinu. Přítomnost GA1 u různých druhů rostlin naznačuje, že se jedná o běžný bioaktivní GA.

Biologická funkce

1. Ukazuje rostlinu, která postrádá gibberelliny a má délku internodu „0“, a také je to zakrslá rostlina. 2. Ukazuje průměrnou rostlinu s mírným množstvím gibberellinů a průměrnou délkou internodia. 3. Ukazuje rostlinu s velkým množstvím gibberellinů, a proto má mnohem delší internodovou délku, protože gibereliny podporují dělení buněk ve stonku.

Gibberelliny se podílejí na přirozeném procesu prolomení vegetačního klidu a dalších aspektech klíčení . Než se fotosyntetický aparát v raných fázích klíčení dostatečně vyvine, uložené energetické zásoby škrobu vyživí sazenici. Obvykle při klíčení začíná rozklad škrobu na glukózu v endospermu krátce poté, co je semeno vystaveno vodě. Předpokládá se, že gibereliny v zárodečném embryu signalizují hydrolýzu škrobu indukcí syntézy enzymu a- amylázy v aleuronových buňkách. V modelu pro produkci a-amylázy vyvolanou gibberellinem je ukázáno, že gibberelliny (označené GA) produkované v scutellum difundují do aleuronových buněk, kde stimulují sekreci a-amylázy. α-Amyláza poté hydrolyzuje škrob, který je v mnoha semenech hojný, na glukózu, kterou lze použít při buněčném dýchání k výrobě energie pro embryo semene. Studie tohoto procesu ukázaly, že gibereliny způsobují vyšší úrovně transkripce genu kódujícího enzym a-amylázy ke stimulaci syntézy a-amylázy.

Gibberelliny se produkují ve větší hmotnosti, když je rostlina vystavena chladným teplotám. Stimulují prodloužení buněk, lámání a pučení, plody bez semen a klíčení semen. Gibberelliny způsobují klíčení semen porušením vegetačního klidu osiva a působí jako chemický posel. Jeho hormon se váže na receptor a vápník aktivuje protein kalmodulin a komplex se váže na DNA a produkuje enzym stimulující růst v embryu.

Metabolismus

Biosyntéza

GA jsou obvykle syntetizovány z dráhy methylerythritol fosfátu (MEP) ve vyšších rostlinách. V této dráze je bioaktivní GA produkován z trans-geranylgeranyl difosfátu (GGDP). V cestě MEP se k získání GA z GGDP používají tři třídy enzymů: terpenové syntézy (TPS), cytochrom P450 monooxygenázy (P450s) a 2-oxoglutarát-dependentní dioxygenázy (2ODD). Na cestě MEP je osm kroků:

  1. GGDP je konvertován na ent-kopalyldifosfát (ent-CPD) ent-kopalyldifosfát syntázou
  2. ent-CDP se převádí na ent-kauren ent-kauren syntázou
  3. ent-kauren je přeměněn na ent-kaurenol ent-kauren oxidázou (KO)
  4. ent-kaurenol je převeden na ent-kaurenal pomocí KO
  5. ent-kaurenal se převádí na kyselinu ent-kaurenovou KO
  6. ent-kaurenová kyselina se převádí na ent-7a-hydroxykaurenovou kyselinu oxidázou ent-kaurenovou kyselinou (KAO)
  7. Kyselina ent-7a-hydroxykaurenová se pomocí KAO převede na GA12-aldehyd
  8. GA12-aldehyd je převeden na GA12 pomocí KAO. GA12 se zpracovává na bioaktivní GA4 oxidací na C-20 a C-3, což se dosahuje dvěma rozpustnými ODD: GA 20-oxidázou a GA 3-oxidázou.

Jeden nebo dva geny kódují enzymy zodpovědné za první kroky biosyntézy GA u Arabidopsis a rýže. Nulové alely genů kódujících CPS, KS a KO vedou k trpaslíkům Arabidopsis s nedostatkem GA . Multigenové rodiny kódují 2ODD, které katalyzují tvorbu GA12 na bioaktivní GA4.

AtGA3ox1 a AtGA3ox2, dva ze čtyř genů, které kódují GA3ox v Arabidopsis , ovlivňují vegetativní vývoj. Environmentální podněty regulují aktivitu AtGA3ox1 a AtGA3ox2 během klíčení semen. U Arabidopsis vede nadměrná exprese GA20ox ke zvýšení koncentrace GA.

Místa biosyntézy

Většina bioaktivních GA se nachází v aktivně rostoucích orgánech na rostlinách. Geny GA20ox i GA3ox (geny kódující GA 20-oxidázu a GA 3-oxidázu) i gen SLENDER1 (gen pro přenos signálu GA ) se nacházejí v rostoucích orgánech na rýži, což naznačuje, že k bioaktivní syntéze GA dochází v místě jejich působení v rostoucí orgány v rostlinách. Během vývoje květu je tapetum prašníků považováno za primární místo biosyntézy GA.

Rozdíly mezi biosyntézou u hub a nižších rostlin

Arabidopsis , rostlina, a Gibberella fujikuroi , houba, mají různé cesty GA a enzymy. P450 v houbách plní funkce analogické s funkcemi KAO v rostlinách. Funkce CPS a KS v rostlinách je prováděna jediným enzymem, CPS/KS, v houbách. U hub se geny biosyntézy GA nacházejí na jednom chromozomu, ale v rostlinách se nacházejí náhodně na více chromozomech. Rostliny produkují malé množství GA3, proto je GA3 pro průmyslové účely vyráběny mikroorganismy. Kyselinu giberelovou je možné průmyslově vyrábět submerzní fermentací, ale tento způsob představuje nízký výtěžek s vysokými výrobními náklady, a tím i vyšší prodejní hodnotou, nicméně dalším alternativním postupem ke snížení nákladů na výrobu GA3 je fermentace v pevné fázi (SSF), která umožňuje použití zemědělsko-průmyslových zbytků.

Katabolismus

Bylo identifikováno několik mechanismů pro deaktivaci GA. 2β-hydroxylace deaktivuje GA a je katalyzována GA2-oxidázami (GA2oxs). Některé GA2oxy používají C19-GA jako substráty a jiné GA2oxy používají C20-GA. Monooxygenáza cytochromu P450, kódovaná prodlouženým nejvyšším internodem (eui), převádí GA na 16α, 17-epoxidy. Mutanti rýže eui shromažďují bioaktivní GA ve vysokých hladinách, což naznačuje, že mono-oxygenáza cytochromu P450 je hlavním enzymem odpovědným za deaktivaci GA v rýži. Geny Gamt1 a gamt2 kódují enzymy, které methylovají C-6 karboxylovou skupinu GA. V mutantu gamt1 a gamt2 se zvyšuje koncentrace GA, která vyvíjí semena.

Homeostáza

Regulace zpětné vazby a zpětné vazby udržuje hladiny bioaktivních GA v rostlinách. Úrovně exprese AtGA20ox1 a AtGA3ox1 se zvyšují v prostředí s nedostatkem GA a snižují se po přidání bioaktivních GA, naopak exprese genů deaktivujících GA deaktivující AtGA2ox1 a AtGA2ox2 se zvyšuje přidáním GA.

Nařízení

Regulace jinými hormony

Kyselina auxin indol-3-octová (IAA) reguluje koncentraci GA1 v prodlužujících se internodiích v hrachu. Odstranění IAA odstraněním apikálního pupenu, zdroje auxinu, snižuje koncentraci GA1 a znovuzavedení IAA tyto efekty zvrátí, aby se zvýšila koncentrace GA1. Tento jev byl také pozorován u tabákových rostlin. Auxin zvyšuje oxidaci GA 3 a snižuje oxidaci GA 2 v ječmeni. Auxin také reguluje biosyntézu GA během vývoje ovoce u hrachu. Tyto objevy u různých druhů rostlin naznačují, že regulace auxinu v metabolismu GA může být univerzálním mechanismem.

Ethylen snižuje koncentraci bioaktivních GA.

Regulace environmentálními faktory

Nedávné důkazy naznačují, že kolísání koncentrace GA ovlivňuje světlo regulované klíčení semen, fotomorfogenezi během deetiolace a fotoperiodickou regulaci prodloužení a kvetení stonku. Microarray analýza ukázala, že asi jedna čtvrtina genů reagujících na chlad souvisí s GA regulovanými geny, což naznačuje, že GA ovlivňuje reakci na chladné teploty. Rostliny snižují rychlost růstu, když jsou vystaveny stresu. U ječmene byl navržen vztah mezi hladinami GA a množstvím stresu.

Role ve vývoji osiva

Bioaktivní GA a hladiny kyseliny abscisové mají inverzní vztah a regulují vývoj a klíčení semen. Úrovně FUS3, transkripčního faktoru Arabidopsis , jsou up -regulovány ABA a down -regulovány GA, což naznačuje, že existuje regulační smyčka, která stanoví rovnováhu GA a ABA.

Signalizační mechanismus

Receptor

Na počátku 90. let 20. století existovalo několik důkazů, které naznačovaly existenci GA receptoru v semenech ovsa, který byl umístěn na plazmatické membráně . Navzdory intenzivnímu výzkumu však dosud nebyl izolován žádný GA receptor vázaný na membránu. To spolu s objevem rozpustného receptoru, GA necitlivý trpaslík 1 (GID1) vedl mnohé k pochybnostem, že existuje membránově vázaný receptor.

Signální dráha GA-GID1-DELLA: V nepřítomnosti GA se proteiny DELLA vážou a inhibují transkripční faktory (TF) a prefoldiny (PFD). Když je přítomna GA, GID1 spustí degradaci DELLA a uvolní TF a PFD

GID1 byl poprvé identifikován v rýži a v Arabidopsis existují tři ortology GID1, AtGID1a, b a c. GID1 mají vysokou afinitu k bioaktivním GA. GA se váže na konkrétní vazebnou kapsu na GID1; C3-hydroxyl na GA navazuje kontakt s tyrosinem-31 ve vazebné kapse GID1. Vazba GA na GID1 způsobuje změny ve struktuře GID1, což způsobí, že „víko“ na GID1 zakryje kapsu vazby GA. Pohyb tohoto víčka má za následek vystavení povrchu, který umožňuje vazbu GID1 na proteiny DELLA.

Proteiny DELLA: Represe represoru

Proteiny DELLA, jako je SLR1 v rýži nebo GAI a RGA v Arabidopsis, jsou represory vývoje rostlin. DELLA inhibují klíčení semen, růst semen, kvetení a GA tyto efekty zvrací. Proteiny DELLA jsou charakterizovány přítomností motivu DELLA ( aspartát - glutamát - leucin -leucin -alanin nebo DELLA v jednopísmenovém aminokyselinovém kódu ).

Když se GA váže na receptor GID1, zvyšuje interakci mezi proteiny GID1 a DELLA a vytváří komplex GA-GID1-DELLA. Když jsou v komplexu GA-GID1-DELLA, má se za to, že DELLA proteiny podléhají změnám ve struktuře, které umožňují jejich vazbu na proteiny F-boxu (SLY1 u Arabidopsis nebo GID2 v rýži). Proteiny F-boxu katalyzují přidání ubikvitinu do jejich cílů. Přidání ubikvitinu k proteinům DELLA podporuje jejich degradaci prostřednictvím 26S-proteozomu . Degradace proteinů DELLA uvolňuje buňky z jejich represivních účinků.

Cíle proteinů DELLA

Transkripční faktory

Prvními cíli identifikovaných proteinů DELLA byly FYTOCHROMOVÉ INTERAKTIVNÍ FAKTORY (PIF). PIF jsou transkripční faktory, které negativně regulují světelnou signalizaci a jsou silnými promotory růstu prodloužení. V přítomnosti GA jsou DELLA degradovány a to pak umožňuje PIF podporovat prodloužení. Později bylo zjištěno, že DELLA potlačují velké množství dalších transkripčních faktorů, mezi které patří pozitivní regulátory signalizace auxinu , brassinosteriodu a ethylenu . DELLA mohou potlačit transkripční faktory buď zastavením jejich vazby na DNA, nebo podporou jejich degradace.

Prefoldiny a sestava mikrotubulů

Kromě potlačení transkripčních faktorů se DELLA vážou také na prefoldiny (PFD). PFD jsou molekulární chaperony , což znamená, že pomáhají při skládání jiných proteinů. PFD fungují v cytosolu, ale když se DELLA vážou na PFD, omezuje je na jádro . Důležitou funkcí PFD je pomoc při skládání beta-tubulinu . V nepřítomnosti GA (když je vysoká hladina proteinů DELLA) je funkce PDF snížena a existuje nižší buněčný fond beta-tubulinu. Když je přítomna GA, DELLA jsou degradovány, PDF se mohou přesunout do cytosolu a pomoci při skládání beta-tubulinu. β-tubulin je životně důležitou součástí cytoskeletu (ve formě mikrotubulů ). GA jako taková umožňuje reorganizaci cytoskeletu a prodloužení buněk.

Mikrotubuly jsou také nutné pro transport membránových váčků . Pro správnou polohu několika transportérů hormonů je zapotřebí obchodování s membránovými vezikulami . Jedním z nejlépe charakterizovaných transportérů hormonů jsou proteiny PIN , které jsou zodpovědné za pohyb hormonu auxinu mezi buňkami. V nepřítomnosti GA proteiny DELLA snižují hladiny mikrotubulů a tím inhibují transport membránových váčků. To snižuje hladinu proteinů PIN na buněčné membráně a hladinu auxinu v buňce. GA tento proces obrací a umožňuje přenos proteinu PIN na buněčnou membránu za účelem zvýšení hladiny auxinu v buňce.

Reference

externí odkazy