Herzlich willkommen zur Vorlesung. Pflanzenphysiologie

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1 Herzlich willkommen zur Vorlesung Pflanzenphysiologie 1

2 Einige Antworten sind zellautonom (Chloroplastenbewegung, Stomataöffnung) andere erfordern Zell-Zell-Kommunikation (Phototropismus). Die nicht zellautonome Koleoptilenkrümmung erfordert Auxin. C. Darwin and F. Darwin The Power of Movement in Plants, D. Appleton & Co, New York, NY, U S A (1881) Bereits Charles Darwin und sein Sohn Francis haben gefunden, dass Blaulicht verantwortlich ist, dass Perzeption an einer anderen Stelle erfolgt als die Antwort, dass also ein mobiles Signal beteiligt sein muss. 2

3 Block 1: Entwicklungsphysiologie Betrachtung der einzelnen Entwicklungsschritte, Unterscheidung von stark determinierten und wesentlich umweltbeeinflussten Prozessen Samenkeimung, Photomorphogenese, Entwicklungssteuerung durch Licht Wachstum: Regulation der Zellteilung (Zellzyklus), Zellstreckung Ausbildung der Gestalt: Verzweigungen, Formen Umschalten von vegetativer zu regenerativer Entwicklung: Blühinduktion Bestäubung und Befruchtung, Selbstinkompatibilität, Embryogenese, Samenreifung Seneszenz, programmierter Zelltod: z.b. Blattfall (Abscission), Xylementstehung Bewegungen: Tropismen, Nastien Entwicklungssteuerung durch Hormone Entwicklungssteuerung durch Umweltfaktoren: Licht; Photoperiode; Temperatur; Circadiane Rhythmik 3

4 Phytohormone Definition Phytohormone: kleine Signalmoleküle, die in niedrigen Konzentrationen (< 1 µm) charakteristische physiologische Reaktionen auslösen. Bildungs- und Wirkort sind meist verschieden, liegen jedoch oft nah beieinander. Transport und gerichtete Verteilung sind erforderlich. Phytohormone steuern in hohem Masse die Prozesse der Entwicklung und Differenzierung, während sie anders als tierische Hormone eher selten den Stoffwechsel beeinflussen. Anders als tierische Hormone zeigen Phytohormone nur geringe Organund Gewebsspezifität. Oft sind die Wirkungsspektren sehr breit und komplex. Die Empfindlichkeit von Zellen, Geweben und Organen für Phytohormone kann sehr unterschiedlich sein. Phytohormone wirken häufig miteinander oder gegeneinander (Synergismen und Antagonismen). Sie sind fast immer Bestandteile von Netzwerken. 4

5 Phytohormone Die Konzentration der Phytohormone wird strikt kontrolliert und ist am Wirkort die Summe von Synthese, Konjugation, Abbau, Speicherung und Transport. Hunderte von Verbindungen zeigen Phytohormonwirkung. Der größte Teil liegt meist in konjugierter (inaktiver) Form vor. Transport erfolgt von Zelle zu Zelle und über die Leitungsgewebe. Bewirkt wird in Zielzellen eine Veränderung der Genexpression. Dies erfordert Perzeption durch Rezeptoren und Signaltransduktion. Daten basierend auf Experimenten mit A. thaliana DNA-Chips 5

6 Die 5 Klassiker und neue Hormone Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik Wachstumshormone Stresshormone Nach Strukturen werde ich Sie auch in diesem Semester nicht fragen. 6

7 Phytohormone -Auxin + Auxin Taiz/Zeiger, Plant Physiology Auxine spielen bei sehr vielen Wachstumsprozessen eine Rolle (gr. auxanein = wachsen lassen). 7

8 Auxine Auxine sind ursprünglich beschrieben worden als das Streckungswachstum fördernde (oder in höheren Konzentrationen hemmende) Stoffe. Die hemmende Wirkung wird schon lange ausgenutzt in der Landwirtschaft. Einige synthetische Auxine werden vor allem im Getreideanbau - als Herbizide eingesetzt. Strasburger, Lehrbuch der Botanik, Dicamba-tolerante und sensitive Sojabohnen

9 Historisches Taiz/Zeiger, Plant Physiology Mica = Glimmer = Silikat-Mineral 9

10 Historisches Die Stärke der Krümmungsantwort ist proportional zur Auxin-Menge: ein quantitativer Bioassay. 10

11 Heute kann man molekular zeigen, dass sich die Auxin-Verteilung nach Blaulicht-Puls so verändert, dass die Konzentration auf der lichtabgewandten Seite steigt. Fusion eines Auxin-responsiven Promotors mit dem GUS-Gen (β- Glucuronidase). Transformation von Pflanzen mit diesem Konstrukt. GUS- Aktivität sorgt für Färbung. Fragen: 1. Wie kommt die veränderte Verteilung von Auxin zustande? 2. Wie bewirkt Auxin die Krümmung? Taiz/Zeiger, Plant Physiology 11

12 Auxin-Wirkungen Förderung der Cambiumaktivität Stimulation des Streckungswachstums Förderung der Samen- und Fruchtentwicklung Förderung der Seitenwurzelanlage Hemmung des Blatt-, Blüten- und Fruchtfalls Induktion der Regeneration in Zellkulturen Apikaldominanz Phototropismus Gravitropismus Auxin ist beteiligt an wesentlichen gestaltbildenden Prozessen der pflanzlichen Entwicklung: zu Phototropismus und Gravitropismus kommt noch Thigmotropismus 12

13 Die Auxin-Chemie ist sehr komplex Verschiedene natürlich vorkommende und synthetische Verbindungen besitzen Auxin-Aktivität. Das klassische Auxin: Indol-3- Essigsäure (engl. abgekürzt IAA) 13

14 Die Auxin-Chemie ist sehr komplex IAA wird auf unterschiedlichen Wegen synthetisiert (ein wichtiger Precursor ist Tryptophan). IAA kann vielfältig konjugiert und abgebaut werden. Reversibel (Speicherung) Irreversibel (Abbau) Taiz/Zeiger, Plant Physiology 14

15 Auxin-Synthese erfolgt vornehmlich in Meristemen und jungen teilungsaktiven Geweben vor allem des Sprosses. Die Regulation des Transports von Auxin ist entscheidend für die Wirkung. Fusion eines Auxin-responsiven Promotors (DR5) mit dem GUS-Gen (β-glucuronidase). Transformation von Pflanzen mit diesem Konstrukt. 15

16 Auxin wird in der Pflanze transportiert: akropetal und basipetal Polarer Auxin-Transport erfolgt basipetal: von der Spitze (des Sprosses, der Wurzel) zur Basis. Transport im Phloem Nachweis des polaren Transports: Transport in Parenchymzellen Transport unabhängig von der Schwerkraft vom apikalen zum basalen Ende. 16

17 Auxin ist (mit)verantwortlich für die apikal-basale Polarität von Pflanzen Lüttge, Botanik 17 Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik (16.11)

18 Der polare Transport von Auxin Das chemiosmotische Modell IAA gelangt in die Zelle in der undissoziierten Form (ph 5 des Apoplasten) oder neg. geladen durch aktiven Carrier-vermittelten Co- Transport. Im Cytosol (ph 7) dominiert die dissoziierte Form. Die Anionen verlassen die Zelle durch Efflux-Carrier (PIN-Proteine), welche am basalen Ende der Zellen konzentriert sein müssen. Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik (16.11) 18

19 Der polare Transport von Auxin Tatsächlich sind diese Efflux-Carrier in den letzten Jahren gefunden und sehr intensiv charakterisiert worden. PIN1-Lokalisierung als GFP-Fusionsprotein. Intakte Verteilung Inhibitor-behandelte Zellen Brefeldin A inhibiert den Transport von Golgi-Vesiklen zur Plasmamembran. 19

20 Der polare Transport von Auxin PIN-Proteine unterliegen einem Actin-abhängigen, Vesikelvermittelten Cycling-Prozess zwischen einem Endomembran- Kompartiment und der Plasmamembran. (Inhibitoren des polaren Auxin-Transports wie TIBA und NPA greifen hier ein). In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass sehr viele Transportproteine ein solches Cycling durchlaufen und ihre Aktivität auch über die Beeinflussung des Vesikel-Verkehrs reguliert wird. 20

21 Der polare Transport von Auxin Eine Reihe verschiedener differentiell exprimierter PIN-Proteine ist verantwortlich für polaren Auxin- Transport und für die Rückführung passiv diffundierenden Auxins. 21

22 Auxin-Wirkungen Förderung der Cambiumaktivität Stimulation des Streckungswachstums Förderung der Samen- und Fruchtentwicklung Förderung der Seitenwurzelanlage Hemmung des Blatt-, Blüten- und Fruchtfalls Induktion der Regeneration in Zellkulturen Apikaldominanz Phototropismus Gravitropismus 22

23 Stimulation des Streckungswachstums durch Auxin Die Streckung der Hafer-Coleptilen zeigt immer eine lag-phase von meist ca. 15 Minuten. Gegenwart eines Osmotikums hält das Streckungswachstum länger aufrecht (KCl kann Saccharose ersetzen). 23

24 Stimulation des Streckungswachstums durch das Phytohormon Auxin Wie streckt sich eine von Zellwand umgebene Zelle? Zellen können sich um Faktor 100 oder gar 1000 strecken. Das Längenwachstum der Zelle erfolgt hauptsächlich senkrecht zur Streichrichtung der Cellulosefibrillen. Erweichung der Zellwandmatrix und Synthese und Einbau von neuen Fibrillen erfolgen gleichzeitig so dass die Zellwand ihre Dicke behält. 24

25 Stimulation des Streckungswachstums durch Auxin Wie wird die Erweichung der Zellwand erreicht? Beim Streckungswachstum werden zunächst die Verbindungen zwischen Cellulose und Matrix gelockert, so dass sich die Fibrillen in der Matrix bewegen können. Cellulosemikrofibrillenverbindendes Polysaccharid Zellwand-erweichendes Enzym Cellulose-Mikrofibrillen Lockerung kann durch temporäre Lösung der Verbindung von Matrix-Molekülen und Fibrillen und durch Hydrolyse von Matrixmolekülen erreicht werden. 25

26 Die Säure-Wachstums-Hypothese Auxin bewirkt eine verstärkte Ansäuerung des Apoplasten. Dies führt zu einer Lösung von Wasserstoff-Brücken über die Aktivierung von ph-abhängigen Enzymen wie Expansinen. Cellulosemikrofibrillenverbindendes Polysaccharid Zellwand-erweichendes Enzym Cellulose-Mikrofibrillen Die dafür notwendigen Prozesse bewirken die lag-phase in der Auxin-Wirkung auf Wachstum. Ansäuerung des Apoplasten bedeutet auch: Hyperpolarisation der Membran, Einstrom von K + -Ionen, Erhöhung des Turgors 26

27 Die Säure-Wachstums-Hypothese Wie bewirkt Auxin eine verstärkte Ansäuerung des Apoplasten? 1. Auxin aktiviert vermittelt über einen Rezeptor die verstärkte Transkription eines H + -ATPase-Gens 2. Das Trafficking der H + - ATPase zur Plasmamembran wird durch ein Auxin-bindendes Protein unterstützt. 3. H + -ATPase wird in der Plasmamembran stabilisiert. Regulation erfolgt auf allen Ebenen! Taiz/Zeiger, Plant Physiology 27

28 Auxin-Signaltransduktion Wie wird Auxin perzipiert, wie bewirken Veränderungen in der externen Auxin-Konzentration Veränderungen in der Aktivität von Genen? 1. Auxin aktiviert vermittelt über einen Rezeptor die verstärkte Transkription eines H + -ATPase-Gens 2. Das Trafficking der H + -ATPase zur Plasmamembran wird durch ein Auxin-bindendes Protein unterstützt. 3. H + -ATPase wird in der Plasmamembran stabilisiert. 28 Taiz/Zeiger, Plant Physiology

29 Auxin-Signaltransduktion Der Auxin-Rezeptor TIR1 ist Teil eines Ubiquitin-E3- Ligase-Komplexes. Ein solcher Komplex markiert Proteine für den Abbau durch das Anhängen von Ubiquitin-Ketten. Solchermaßen markierte Proteine werden im 26S- Proteasom abgebaut. Die durch den TIR1-Komplex markierten Proteine sind regulatorische Proteine (AUX/IAA- Repressorproteine). Bindung von Auxin an TIR1 aktiviert die Polyubiquitinierung der AUX/IAA-Proteine. 29 Taiz/Zeiger, Plant Physiology

30 26S-Proteasom Zwei große Proteinkomplexe assemblieren, um markierte Proteine im Inneren einer ringförmigen Struktur zu hydrolysieren. 30

31 Taiz/Zeiger, Plant Physiology AUX/IAA-Proteine sind Repressoren, die die Transkription von Auxin-responsiven Genen hemmen durch Interaktion mit Aktivatoren (ARF-Proteine). Die Markierung für das Proteasom führt zum Abbau der Repressoren und damit zur Aktivierung der Gene. Dies ist ein häufig verwirklichtes Prinzip der pflanzlichen Signaltransduktion: die konstitutive Synthese von negativen Regulatoren, welche dann gezielt proteolytisch abgebaut werden, um Gene zu aktivieren. 31

32 Phototropismus und Gravitropismus erfordern einen lateralen Transport von Auxin. Erreicht wird dies durch eine laterale Lokalisierung von PIN-Proteinen und die Destabilisierung von basal orientierten PIN-Proteinen. Taiz/Zeiger, Plant Physiology Fusion eines Auxin-responsiven Promotors mit dem GUS-Gen (β-glucuronidase). Transformation von Pflanzen mit diesem Konstrukt. 32

33 Perzeption der Schwerkraft Statolithen sind an der Perzeption beteiligte Amyloplasten. Sie befinden sich in Statocyten. In Wurzeln sind diese Teil der Columella. Statolithen sedimentieren wegen ihrer größeren Dichte und diese Veränderung könnte als mechanischer Reiz dienen. 33 Taiz/Zeiger, Plant Physiology

34 In der Wurzel wirkt Auxin inhibitorisch Die gravitropische Antwort erfordert wiederum einen Signalstoff, da Perzeption und Antwort räumlich getrennt erfolgen. Auxin wird lateral verteilt. Die höheren Konzentrationen an der Unterseite inhibieren dort das Wachstum stärker, die Wurzel krümmt sich nach unten. Die Umverteilung kann sichtbar gemacht werden in transgenen Pflanzen, die GFP unter Kontrolle eines Auxin-responsiven Promotors (DR5) exprimieren. Taiz/Zeiger, Plant Physiology 34

35 Auxin-Wirkungen Förderung der Cambiumaktivität Stimulation des Streckungswachstums Förderung der Samen- und Fruchtentwicklung Förderung der Seitenwurzelanlage Hemmung des Blatt-, Blüten- und Fruchtfalls Induktion der Regeneration in Zellkulturen Apikaldominanz Phototropismus Gravitropismus Die Auxin-vermittelten Wachstumsantworten gehen also auf ungleiche Zellstreckung zurück, welche ein Resultat der ungleichen Auxin-Verteilung, der 35 Stimulation von Protonenpumpen und generell einer veränderten Genaktivität ist.

36 Block 1: Entwicklungsphysiologie Betrachtung der einzelnen Entwicklungsschritte, Unterscheidung von stark determinierten und wesentlich umweltbeeinflussten Prozessen Samenkeimung, Photomorphogenese, Entwicklungssteuerung durch Licht Wachstum: Regulation der Zellteilung (Zellzyklus), Zellstreckung Ausbildung der Gestalt: Verzweigungen, Formen Umschalten von vegetativer zu regenerativer Entwicklung: Blühinduktion Bestäubung und Befruchtung, Selbstinkompatibilität, Embryogenese, Samenreifung Seneszenz, programmierter Zelltod: z.b. Blattfall (Abscission), Xylementstehung Bewegungen: Tropismen, Nastien Entwicklungssteuerung durch Hormone Entwicklungssteuerung durch Umweltfaktoren: Licht; Photoperiode; Temperatur; Circadiane Rhythmik 36

37 Wirkungen der Cytokinine Förderung der Zellteilung (Cytokinese), Aktivierung des Zellzyklus N 6 -substituierte Purine Verzögerung der Seneszenz Förderung von Seitenknospen 37

38 Totipotenz pflanzlicher Zellen Gewebekultur: Zuckerrohr 38

39 Cytokinin-Entdeckung Man hat lange nach Stoffen gesucht, die das Wachstum von Pflanzenzellen in Kultur ermöglichen. Das damals schon bekannte Auxin hat nur Zellexpansion bewirkt. Zwei Entdeckungen sind dabei gemacht worden: 1. Kokosmilch regt die Zellteilung an, 2. Autoklavierte DNA regt die Zellteilung an. Diese Beobachtungen führten nach vielen Jahren zur Isolierung von Zeatin (zunächst aus Mais-Endosperm) und Kinetin, ersteres ein natürliches Cytokinin, letzteres ein nicht natürlich vorkommendes Cytokinin. 39