Entwicklungsgenetik der Pflanzen II

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1 Entwicklungsgenetik der Pflanzen II Prof. Dr. Kay Schneitz Raum 119, E Biologie Pflanzen, WZW Tel: kay.schneitz@tum.de #plantdevtum FB: Plant Development TUM

2 Angebote EGen Pflanzen Vorlesung - 2 Semester Praktika/Forschung: genetische, molekulare und zellbiologische Techniken Praktikum (5 ECTS) 9 Tage, Oktober 2015 (max 10 Pers.) Forschungs-Praktikum (10 ECTS, 6 Wochen, Ferien WS/SS --> BSc/MSc-Arbeit) BSc/MSc-Arbeiten (Biochemie, Biologie, MolBioTech) Doktorarbeiten

3 Lehrbücher Smith, A.M., Coupland, G., Dolan, L., Harberd, N., Jones, J., Martin, C., Sablowski, R., Amey, A. (2010) "Plant Biology", Garland Science, UK Leyser, O., Day, S. (2003) Mechanisms in Plant Development Blackwell Publishing, Oxford, UK Westhoff, P., Jeske, H., Jürgens, G., Koppstech, K., Link, G. (1996) Molekulare Entwicklungsbiologie. Vom Gen zur Pflanze, Stuttgart, Georg Thieme Verlag Coen, E., (1999) The Art of Genes Oxford University Press

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7 Prüfung

8 Prüfungsanmeldung TUMonline zwingend!!! webnav.ini mytum-kennung / Password Prüfungs-ID: WZ0350 / Mol. E Genetik der Pflanzen II Wenn angemeldet --> Rückzug nur mit Attest (Prüfungsamt), ansonsten --> nicht angetreten und eine 5.0!!

9 Mol. Entwicklungsgenetik der Pflanzen II - Inhalte 1 Photomorphogenese KS 2 Skotomorphogenese KS 3 Blühinduktion KS 4 Meristemidentität KS 5 Blütenorganidentität KS 6 Blütenorganogenese KS 7 Gametophyt/Apomixis KS 8 Befruchtung/SI KS 9 Parentale Kontrolle Samenentwicklung KS

10 Photomorphogenese Photomorphogenese Lichtrezeptoren Signaltransduktion durch Lichtrezeptoren Skotomorphogenese zirkadianer Rythmus

11 Pflanzen und Licht Energiequelle (Photosynthese) Informationsquelle (Photomorphogenese)

12 Arten der Lichtantworten Phototropismen direktionelles Verhalten induziert durch gerichteten Lichteinfall Photomorphogenese Entwicklung Weitere Prozesse: Blühinduktion, Samenkeimung, Stomatabewegungen etc etc etc

13 Parameter des Lichtes Aktionsspektren (Wirkungsspektren) Intensität (Photonfluss) Fluency Response (Anzahl Photonen pro Fläche) VLFR: very low fluency ( nmol/m2) LFR: low fluency ( μmol/m2) HIR: high irradiance (kontin. Exp. > 1000 μmol/m2)

14 Welches Licht kann eine Pflanze erkennen? UV-B UV-A IR

15 Welches Licht kann eine Pflanze erkennen? UV-B UV-A IR UVR8 Chlorophylle NPH1/PHOT Phytochrome Cryptochrome Photorezeptoren UV-B, UV-A, Blau, Rot (Hellrot (R)/Dunkelrot (FR))

16 Keimlingentwicklung Dunkel Hell

17 Die Pflanzenentwicklung hängt vom Licht ab Skotomorphogenese Photomorphogenese co ah co lp hy Etioliert langes Hypokotyl Apikalhaken geschlossene Kotyledonen weisse Farbe hy De-etioliert kurzes Hypokotyl kein Apikalhaken offene Kotyledonen grüne Farbe erste Blattprimordien sichtbar

18 Photomorphogenese (PM) Hypokotylelongation Oeffnen des Apikalhakens Kotyledonenexpansion Initiation Blattentwicklung Plastidenentwicklung Hypokotyl Kotyledone Photosynthese Zellteilung/Expansion Regulation Genexpression Regulation Proteinstabilität Subzelluläre Lokalisierung

19 Licht beeinflusst die Genexpression

20 Mutanten mit Defekten in der Lichtantwort Licht Dunkel WT phy cry det cop fus Defekte in der Lichtperzeption Defekte in der negativen Kontrolle der Lichtantwort

21 Phototropismus

22 Phototropismus: Keimlinge richten sich aus Zeitlupe: 10 min Intervalle/5 h Zeitlupe: 10 min Intervalle/18 h

23 Mutanten mit Defekt im Phototropismus

24 Phototropin (PHOT) PHOT1 PHOT2 LOV1/2 PAS-Domänen binden FMN

25 Wirkungsspektrum des Phototropismus

26 Blaulicht-Chromophore Flavin FAD FMN

27 LOV-Domänen als Lichtsensoren

28 Tropismus, Auxin und differentielles Wachstum Asymmetrische Verteilung von Auxin im Organ Differentielles Wachstum Licht/ Schattenseite

29 Vereinfachtes Modell der Phototropismus-Signalkette PHOT Ca 2+ CaMK Auxin

30 BL-Regulation von PHOT

31 PHOT reguliert Auxintransport

32 Photomorphogenese Cryptochrome (CRY)

33 Blaulicht-Signaltransduktion involviert Cryptochrome Dunkel Blau WT cry WT cry Rot WT cry

34 cry Mutanten

35 Struktur der Cryptochrome Flavoprotein mit Homologie zu bakteriellen Photolyasen (DNA repair) Grösse: aa Zwei Chromophore Pterin oder Deazaflavin FAD (Katalyse)

36 Biologische Funktionen von CRY in Ath De-etiolation Unterschiede CRY1/CRY2 zirkadiane Rythmik Blühinduktion

37 Blaulicht, CRY1 und Signaltransduktion: wo in der Zelle?

38 CRY1 befindet sich im Zellkern

39 PHOT1/2 vs CRY1/2 PHOT1/2 PM-Lokalisation Phototropismus Stomataöffnung CP- Bewegung CRY1/2 Kernlokalisation De-etiolierung Blühinduktion zirkadiane Rythmik Licht-reg. Ionenflüsse

40 Photomorphogenese Phytochrome (PHY)

41 Rotes Licht wird über Phytochrome empfangen Dunkel Rot WT phy WT phy Blau WT phy

42 Die Struktur des Phytochroms

43 PHY: Pflanzen vs Bakterien

44 PHY-Funktion während des Lebenszyklus

45 PHY: zwei photoconvertible Formen

46 PHY: Photoconversion Phytochrome vermitteln eine reversible Rot/Dunkelrot Antwort 5 PHYs in Ath: PHYA, PHYB, PHYC, PHYD, PHYE Typ I: PHYA, photolabil, in etiolierten Keimlingen Typ II: PHYB/C, photostabil, in grünen Pflanzen PHYA: naive und cycled Formen

47 Phytochromobilin Phytochromobilin lineares Tetrapyrol kovalente Bindung via Thio-Ether Verbindung spontane Assemblierung Pr und Pfr Absorptionsspektren überlappen

48 Arten der PHY-basierenden Lichtperzeption

49 PHYA/B Signaltransduktion

50 Rotlicht und Signaltransduktion: wo in der Zelle?

51 PHY: Rotlicht induziert Lokalisation im Kern

52 PHY ist im Zellkern aktiv

53 Direkter Einfluss des Lichtsignals auf Transkription PHYB interagiert mit zb PIF3 (bhlh) Interaktion nur mit Pfr-Form von PHYB PIF3 an G-box von Zielgen gebunden

54 PHYA reguliert ein Netzwerk von TFs Amplifikation Diversifikation

55 Zusammenfassung I Licht: Energiequelle und Informationsquelle Phototropismus Blaulicht PHOT1/2, lichtabhängige S/T-Kinasen LOV-Domänen/FMN/Photozyklus wahrscheinlich über Ca, CaMK, Auxin

56 Zusammenfassung II Blaulichtsignaltransduktion De-Etiolierung Blühinduktion zirkadiane Rythmik Cryptochrome (CRY1, CRY2) homolog zu Photolyasen Chromophore: Pterin und FAD findet sich dauerhaft im Zellkern

57 Zusammenfassung III Rotlichtsignaltransduktion De-Etiolierung vegetatives Wachstum Blühinduktion Phytochrome (PHYA- PHYE) S/T-Kinasen zwei reversible Formen: Pr vs Pfr Licht aktiviert PHY und induziert Kernlokalisation PHYs interagieren mit TFs TF-Gene frühe Zielgene der PHY-Signaltransduktion

58 THE END