Photomorphogenese: Wirkung des Lichts auf die Entwicklung von Pflanzen

Transkript

1 Photomorphogenese: Wirkung des Lichts auf die Entwicklung von Pflanzen

2 Literatur L. Taiz, E. Zeiger: Physiologie der Pflanzen Spektrum Verlag H.W. Heldt, B. Pichulla: Pflanzenbiochemie Spektrum Verlag Brennicke, Schopfer: Pflanzenphysiologie Spektrum Verlag

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4 Licht = Elektromagnetische Strahlung : 350 bis 780 nm -> der für das Auge sichtbare Bereich

5 Joachim Czichos,

6 Was ist Licht für die Pflanze? - Energiequelle (Photosynthese) - Signal für die Steuerung einer Vielzahl von Entwicklungsprozesse

7 Lichtperzeption Pflanzen können Licht wahrnehmen: - Licht - Lichtrichtung - Lichtintensität - Dauer der Belichtung - Spektralbereich (Qualität) Spektrale Verteilung von Licht. Tageslicht Baumkrone Dämmerung

8 Licht steuert die Enwicklung von Pflanzen Photomorphogenese Skotomorphogenese Licht-gekeimte Pflanzen Dunkel-gekeimte Pflanzen

9 Photomorphogenese: lichtabhängige Steuerung der Entwicklung von Pflanzen von der Embryonalphase über die Juvenil- und adulte Phase bis zur Seneszenz im Rahmen des genetisch festgelegten Kompetenzmusters. Merkmale: - reduziertes Internodienwachstum - Synthese von Chlorophyll - Wachstum der Blattspreiten Skotomorphogenese: das Entwicklungsprogramm von Pflanzen, das im Dunkeln abläuft und zu den typischen Merkmalen des Etiolements führt. Merkmale: - verstärktes Internodienwachstum - Fehlen von Chlorophyll - Blattspreiten rudimentär -> Hypokotylhaken geschlossen

10 Photorezeptoren der Pflanzen Phytochrome (Hellrot- und Dunkelrotlicht, 660 bzw. 730 nm): steuern Photomorphogenese Schattenvermeidung, Blühinduktion, Phototaxis Cryptochrome (UV-A und Blaulicht, 340 bis 520 nm): Aufrechterhaltung der circadianen Rhythmik steuern Photomorphogenese und Blühinduktion Phototropine (UV-A und Blaulicht, 340 bis 520 nm) vermittelt Phototropismen Chloroplastenbewegung, Stomataöffnung UV-B-Photorezeptor (280 bis 350 nm) Schutzfunktion

11 Photorezeptoren der Pflanzen Yuling Jiao, On Sun Lau & Xing Wang Deng Nature Reviews Genetics 8, (March 2007) doi: /nrg2049

12 Photorezeptoren Photorezeptoren sind Chromoproteine - Chromophore: absorbiert Licht - Apoprotein: Konformationsänderung führt zur Signalübertragung Informationsübertragung verläuft über Signalkaskaden

13 SB21.17 Klassische Phytochromwirkungen Dikotyle Keimung oft Licht abhängig 3 Kriterien der Photomorphogenese: - Hypokotyl-Elongation - Öffnung des Hypokotylhakens - Entwicklung von Kotyledonen Skotomorphogenese Sinapis alba Photomorphogenese

14 Monokotyle Alternative Entwicklungsstrategie - Streckung der Koleoptile (=Schutzorgan) im Dunkeln

15 Klassische Phytochromwirkungen Rotlicht aktiviert die Keimung von Salat-Samen (Lactuca sativa) dunkelrotes Licht revertiert diese Aktivierung (Keimung gehemmt) Lettuce seed germination is a typical photoreversible response controlled by phytochrome (Taiz L., Zeiger E., 2010)

16 Klassische Phytochromwirkungen Erlangung der Blühfähigkeit auf bestimmte Tageslängen angewiesen: Unterscheidung von Kurztagpflanzen und Langtagpflanzen Taiz L., Zeiger E., 2010

17 Klassische Phytochromwirkungen Plastidendifferenzierung ist lichtabhängig

18 Das Phytochrom-System In Pflanzen gibt es mehrere Phytochrome. - von verschiedenen Proteinen exprimiert - zu verschiedenen Zeitpunkten der Entwicklung Es gibt 5 Phytochrom-Gene in Arabidopsis (Dikotyle): phya, phyb, phyc, phyd, phye Monokotyle (z.b. Mais) haben weniger Phytochrom-Gene: phya, phyb, phyc - unterscheiden sich in ihrer Sensitivität zu Licht Alle Phytochrome haben den selben Chromophor. Unterschiedliche Phytochrome sind für unterschiedliche Prozesse verantwortlich.

19 Phytochrom existiert in 2 Formen (Pr und Pfr) Pr-Form: - Absorptionsmaximum bei 666 nm - wird im Dunkeln synthetisiert - bei Rotlicht wird die Pr-Form in die Pfr-Form umgewandelt Pfr-Form: - Absorptionsmaximum bei 730 nm - Pfr ist die aktive Form -> initiiert biologische Prozesse - bei Dunkelrotlicht wird die Pfr-Form in die Pr-Form umgewandelt - Pfr kann im Dunkeln auch spontan in die Pr-Form revertieren Pr = Phytochrome red light absorbing, inactive Pfr = Phytochrome far-red light absorbing, active

20 Photokonvertible Pr/Pfr- Form Pr = Phytochrome red light absorbing, inactive Pfr = Phytochrome far-red light absorbing, active

21 Absorptionsspektrum von Phytochrom Absorptionspektren von Pr und Pfr überlappen the Pr form absorbs maximally at nm (R) the Pfr form absorbs maximally at nm (FR)

22 - Aufgrund überlappender Absorptionsspektren liegt immer ein Gleichgewicht von Pr und Pfr vor: o Gleichgewicht in Rotlicht: 85% Pfr und 15% Pr -> Pfr absorbiert R-Licht o Gleichgewicht in Dunkelrotlicht: 97% Pr und 3% Pfr -> Pr absorbiert etwas DR-Licht

23 Struktur des Chromophors Das Protein (Apoprotein) ist kovalent an ein Chromophor gebunden. Der Chromophor ist ein linearer Tetrapyrrol (Phytochrombilin). Beide sind über eine Thioetherbrücke miteinander verbunden. Pflanzliche Phytochrome sind Homodimere (bestehend aus 2 gleichen Polypetiden).

24 Struktur des Chromophors Rotlicht bewirkt die reversible Isomerisierung zwischen den Tetrapyrrolringen C und D. Diese Veränderung am Chromophor verändert die Konformation des Proteins. Konformationsänderung des Proteins löst Signaltransduktionskette aus.

25 Domänenstruktur Kinase domain N-Terminus: C-Terminus: - Phy-Spezifität - Signalweiterleitung - Chromophorbindung - Ubiquitinbindung - PEST für Degradation - Dimerisierungsdomäne - Histidin-Kinase ähnliche Domäne

26 Domänenstruktur

27 R/DR-Lichtverhältnis

28 R/DR-Lichtverhältnis µmol m -2 s -1 R/FR ratio Day Sunset Under Canopy mm deep in Soil

29 3 Arten der Phytochrom-Antworten Einteilung ist abhängig von der Lichtintensität: 1. VLFR (very low fluence responses) < 10-3 µmol photons/m 2 2. LFR (low fluence responses) µmol photons/m 2 3. HIR (high irradiance responses) >1000 µmol photons/m 2

30 3 Arten der Phytochrom-Antworten Niederflußantwort (LFR, low fluence response) - RL durch DR revertierbar - Phytochrom B (auch C, D und E) Hochintensitätsrekation (HIR, high irradiance reaction) - Wirkung bei Dauerbestrahlung - energieflußabhängig - nicht revertierbar - v.a. Phytochrom A, z.t. Phytochrome B Niedrigstflußreaktion (VLFR, very low fluence response) - benötigt < 0.01% Pfr - nicht revertierbar - Phytochrom A

31 Low fluence response (LFR) abhängig von R/DR Verhältnis reguliert Keimung -> Licht stimuliert oder hemmt Keimung (Spezies-spezifisch) z.b. Salat: RL stimuliert Keimung, bis zu 8h nach Bestrahlung durch DR revertierbar De-Etiolierung -> Ergrünen von etiolierten Keimlingen bei Belichtung ( nach erreichen der Erdoberfläche bzw. durchbrechen der Blattschicht/Vegetation) -> massive Chlorophyllsynthese, heterotropher -> autotropher Stoffwechsel Schattenvermeidung

32 Phytochrom-abhängige Keimung Red Dark Red Far-red Dark Dark (control) Red Far-red Red Dark Red Far-red Red Far-red Rotlicht fördert Keimung, Dunkelrot hemmt Keimung

33 Etioliert: - kein Chlorophyll -> Etioplasten - Hypokotyl lang - geschlossener Hypokotylhaken - kleine Blätter De-etioliert: - Chlorophyll -> Chloroplasten - grüne, entfaltete Blätter - Hemmung des Längenwachstums

34 Schattenvermeidung - Lichtqualität Shaddow Pfr -> Pr Hypokotylstreckung Pflanzen am Feldrand sind kürzer, da geringere Beschattung

35 High irradiance response (HIR) ist abhängig von der Dauer (Kontinuität) und der Intensität (Photonenflussrate) der Bestrahlung ist unabhängig von R/DR-Verhältnis reguliert: - Chlorophyllsynthese - Plastidendifferenzierung - Keimung von Samen - Hemmung des Längenwachstums - De-Etiolierung - zirkadiane Rhythmik

36 Es gibt 5 Phytochrom-Gene in Arabidopsis: PhyA-E Phytochrom A - Licht-instabil - Hauptform in Samen und etiolierten Pflanzen Phytochrom B-E - Licht-stabil - Hauptform in de-etiolierten Pflanzen

37 Phytochrome haben überlappende HIR Funktionen LFR

38 Mutants: Chromophor mutants ->all phytochromes are affected Apoprotein mutants loss of function mutants -> e.g. defect in signaling component gain of function mutants -> e.g. constitutive active signaling component Phenotypes: - dark phenotype in light - light phenotype in dark Muramoto et al., 1999

39 Photorezeptor-Mutanten von Arabidopsis Phenotype of phy mutants (phy = phytochrome); Li et al., 20011

40 Photorezeptor-Mutanten von Arabidopsis Phenotypes of 4-d-old WT, phya, phyb, and phyab mutant plants

41 Phytochrome regulieren Genexpression Gen-Aktivierung während der Photomorphogenese: 1979: Lhcb-Gene (Antennenprotein der PS-Komplexe) in Gerste heute: > 1500 Gene sind Phytochrom-reguliert: - Photosynthese-Gene - N/S-Metabolismus - Gene für Plastiden-lokalisierte Protein - Pigment-Gene (Anthocyane und Flavonoide) Phytochrom-Level kontrolliert eigene Expression (phya) über negative feedback-schleife

42 Expression von Phytochrom-Genen

43 Phytochrom-Biosynthese

44 Wie reguliert Phytochrom die Genexpression? (i) P fr reguliert Transkriptionsraten im Kern Signaltransduktion 1. Konformationsänderung von Pr zu Pfr in Rotlicht 2.Translokation von Pfr in den Zellkern 3. P fr assoziiert mit regulatorischen Proteinen -> Transkriptionsfaktoren: - z.b. PIFs als neg. Regulatoren - z.b. MYB als pos. Regulatoren 4. Aktivierung lichtregulierter Gene 5. Autophosphorylierung von Pfr Phosphorylierungsgrad (py) von Phytochrom entscheidend für Signaltransduktion -> phosphorylierte Pfr-Form ist im Kern inaktiv Nito et al, 2013 Ein kleiner Teil der Pfr-Form bleibt in Cytosol > vermittelt cytosolische Phyochromantworten

45 Phytochrom-Signaltransduktion

46 Interaktion mit Transkriptionsfaktoren - Interaktionspartner identifiziert (mittels yeast two-hybrid-screens und Mutantenanalysen) - am besten untersucht sind phytochrome-interacting factors (PIFs), z.b. PIF3 - PIFs sind basische Helix-Loop-Helix (bhlh) Transkriptionsfaktoren - PIFs sind im Kern lokalisiert und binden an G-Box-Motive (= light responsive element) in den Promotoren lichtregulierter Gen (z.b. MYB = Transkriptionsfaktor) - im Licht interagiert Pfr mit PIFs -> führt zur deren Abbau - Proteolyse von PIFs aktiviert Expression lichtregulierter Gene ( early genes ; z.b. MYB) - diese Proteine aktivieren late genes - physiologische Reaktionen auf Licht

47 Wie reguliert Phytochrom die Genexpression? (ii) Proteolyse von Repressoren der Photomorphogenese - Repressoren (= neg. Regulatorproteine) sind im Kern lokalisiert, z.b. COP1, COP10, COP9 und SPA - COP1 besitzt eine E3 Ubiquitin-Ligase Aktivität - kann sich selbst und andere interagierende Proteine (Transkriptionsfaktoren z.b. HY5 und LAF1) ubiquitinylieren - reguliert dadurch den Abbau (oder die Akkumulation) verschiedener Transkriptionsfaktoren im Dunkeln (bzw. Licht) -> TF werden im Dunkel durch den COP1 /SPA-Komplex abgebaut -> im Licht wird COP1-SPA-Komplex inaktiviert und TF stabilisiert

48 Phytochrom Signal-Komponente Li et al., PIFs inhibieren durch Licht induzierte Antworten HY5, HFR1 und LAF1 mit positiver Wirkung auf lichtabhängige Antworten

49 Phototropismus Phototropismus: Wachstumsbewegung von Pflanzen in Abhängigkeit des Lichtreizes positiver Phototropismus -> Krümmung zum Licht hin negativer Phototropismus -> Krümmung vom Licht weg Light Time 0 min Time 90 min (b) Coleoptiles before and after light exposures

50 Phototropic effectiveness nm Wavelength (nm) (a) Phototropism action spectrum Blaulicht: nm

51 Blaulichtrezeptoren Pflanzen detektieren Richtung, Intensität und Wellenlänge. Phototropine (NPH) Cryptochrome (CRY) (Photolyasen)

52 Phototropin-gesteuerte Reaktionen Phototropismus Chloroplastenbewegung Stomataöffnung teilw. überlappende Funktion mit Phytochromen: o Stomataöffnung o Genexpression o Pototaxis o Hemmung des Hypokotylwachstum Phototropin-gesteuerte Reaktionen in Arabidopsis: WT: Wild-type p1p2: phototropin-deficient Arabidopsis mutant

53 Phototropine Struktur 2 Phototropine in Arabidopsis: phot1 und phot2 -> phot1 für Starklicht, phot2 für Schwachlicht zwei LOV Domänen (Light oxygen voltage): LOV1 und LOV2 eine Proteinkinasedomäne Flavin (FMN = Flavin-Mononukleotid) dient als Chromophor Phototropine sind hauptsächlich mit der Plasmamembran assoziiert

54 Modell zur Aktivierung der Phototropine im Dunkeln ist Phototropin inaktiv -> da Proteinkinasedomäne durch LOV2 blockiert Blaulicht bewirkt Änderung der Struktur: -> Aktivierung der Kinasedomäne -> Autophosphorylierung der Phototropine -> Signalweitergabe -> Änderung der Genexperession

55 Phototropin - Photoaktivierung Flavin > R CH 3 N O CH 3 O N Cystein BL R CH 3 N O 5 4a NH N H 5 4a N CH 3 N H SH S H O O S Slow dark recovery Redox reaction!!!!!!! O N NHH Cysteinyl-C(4a) adduct Batschauer Nach Belichtung verändern sich die Konformation. Dadurch bindet das Chromophor kovalent das Protein kovalente Bindung zw. C(4a) des FMN und einem Cystein-Rest der LOV-Domäne.

56 Blaulicht-induziert Reaktionen low light high light low light high light WT phot1 phot2 phot1/ phot2 TIPS Genotype Phototropismus Chloroplast movement Stomata opening

57 Blaulicht induziert Chloroplastenbewegung

58 Blaulicht-induzierte Krümmungsbewegung - Phototropismus Auxin

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60 Blue Light directs stomata opening

61 Guard cells with chlorophyll fluorescence

62 . However stomata opening is regulated by many factors

63 Cryptochrome (Cry) in Pflanzen, Bakterien und Tieren identifiziert in Sequenz und Struktur den Photolyasen sehr ähnlich, haben jedoch keine Photolyase-Aktivität (keine DNA-Reparatur) vorwiegend im Zellkern lokalisiert, auch im Cytoplasma Pterin Flavin

64 Cryptochrom-gesteuerte Reaktionen Circadianer Rhythmus Hemmung des Sproßwachstums De-etiolierung Blühinduktion Stimulation der Anthocyan-Biosynthese

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66 Cryptochrom Struktur Binden zwei Co-Faktoren: i. Flavin (FAD= Flavin-Adenin-Dinukleotid), Amax: 450 nm -> dient als katalytisches Chromophor i. Pterin (MTHF), Amax: 390 nm - > fungiert als Antennenpigment Signalverarbeitung erfolgt über Regulation der Genexpression, Protein- Phosphorylierung und Protein-Interaktion

67 Cryptochrome spielen eine zentrale Rolle für das circadiane System: Blühen nach der Uhr Linnès Blumenuhr Neben Cryptochromen auch Phytochrome beteiligt!

68 Linnés Blumenuhr

69 Circadianer Rhythmus des Menschen (24-Sunden)

70 Tagesrhythmische Blattbewegung von Mimosa pudica Blattgelenk mit Leitbündelverlauf

71 Tagesperiodische Blattbewegungen von Phaseolus-Pflanzen A und B: Nacht- und Tagstellung der Blätter C: Tagesperiodische Bewegung, Aufzeichnung dieser Bewegung über mehrere Tage, die ersten zwei Tage mit Licht-Dunkel-Wechsel, dann Dauerdunkel

72 Biologische Rhythmen Biologische Rhythmen: Phänomene, die sich in regelmäßigen Zeitabständen wiederholen, z.b. einem Tag, Monat oder Jahr. circadianen Rhythmen (~1 Tag) lunar (~ 1 Monat) annual (~ 1 Jahr) zyklischer Wechsel mit Licht-Dunkel, Wärme-Kälte, Luftfeuchte und Gravitation Rhythmik ist eine Eigenschaft von Zellen Rhythmen werden durch innere Uhren (Zeitmesssysteme) erzeugt Phasenlage synchronisieren mit äußeren Faktoren (den Zeitgeber )

73 Grundorganisation circadianer Systeme Exogene Zeitgeber: Temp, Licht, Luftfeuchtigkeit endogener Schrittmacher: (clock-gene z.b. per, tim, frq, toc) Response: Metabolismus, Verhalten, Aktivität Input: Aufnahme exogener Rhythmen Oszillator: fortlaufende Oszillation mit endogener Periode Output: vom Oszillator geregelte Prozesse

74 Merkmale circadianer Systeme Nahezu alle Lebensfunktionen werden von der inneren Uhr gesteuert. 1) werden durch Umweltreize (Licht, Temperatur) synchronisiert (Entrainment: Fähigkeit der täglichen Synchronisation der Phasenlage mit exogenen Umweltfaktoren) -> werden auf genau 24 h eingestellt 2) innere Uhren laufen unter konst. Bedingungen (ohne äußere Faktoren) weiter = endogene Rhythmen -> individuellen Periodenlänge von ~ 24 h - > sind frei schwingend 3) sind temperaturkompensiert, d.h. Periodenlänge/Reaktionsgeschwindigkeit bleibt über einen weiten Temperaturbereich hinweg konstant

75 Lhc-Genexpression ist circadian reguliert toc1 (timing of CAB/Lhcb expression)

76 Identifikation genetischer Komponente: period, timeless, clock, cycle Mechanistisches Grundprinzip: Oszillatoren werden durch Rückkopplungsschleifen der Transkription und Translation angetrieben, d.h. Protein hemmt die Transkription des eigenen Gens Fruchtfliege (Drosophila melanogaster) Period & Timeless Clock und Cycle Isolierung von Mutanten (gestörte Rhythmik des Lokomotorverhaltens und Schlüpfens) Idendentifizierung der Gene perl, pers, pera Fliegen lang, kurz, arhythmisch Neurospora, Chlamydomonas, Arabidopsis, Maus

77 Rückkopplungsschleife der Genexpression in Drosophila: Clock (CLK) und Cycle (CYC) bilden Heterodimere im Kern CLK und CYC sind Transkriptionsfaktoren binden an Promotoren (E-Box-Sequenzen) von period und timeless aktivieren daraufhin die Transkription von period (PER) und timeless (TIM) aktivieren auch andere Gene (z.b. für Stoffwechsel, Entwicklung und Verhalten) mrnas wandern vom Zellkern ins Cytosol ->Translation im Cytosol -> Ablauf vom Ocillator geregelter Prozesse PER /TIM-Dimere wandern in Kern De-aktivierung des CLK/CYC-Komplexes -> Transkription von per und time gehemmt Degradation von TIM und PER -> Transkription von per und time aktiviert

78 Model of the molecular mechanisms involved in the Drosophila circadian clock CCG = Effektorgene: z.b. für Stoffwechsel doi: /

79 Gonyaulax polyedra: Biolumineszenz in der Nacht -> circadiane Kontrolle erfolgt über Regulation der Translation - nicht transkriptionell -> Regulation der Translation des Luciferinbindeproteins Zellteilung bei Morgendämmerung Photosynthese am Tag Zellaggregration am Tag Fluorescence of luciferin

80 Photolyasen Vorkommen in prokaryotischen und in eukaryotischen Organismen Strukturell den Cryptochromen ähnlich Flavin (FAD) und Pterin als Chromophore Photolyasen sind Enzyme, die an der DNA-Reparatur beteiligt sind -> DNA-Reparatur erfolgt mit Hilfe von Blaulicht sind keine Photorezeptoren

81 Basenpaarung über Wasserstoffbrücken: Thymin - Adenin Guanin Cytosin in UV kovalente Bindung zwischen T-T oder T-C Photolyasen lösen kovalente Bindung unter blauer bzw. ultravioletter Belichtung Photo-reactivation by blue light

82 . In summary: BL and RL

83 UV-B Rezeptor absorbiert bei nm seit 70er Jahre physiogisch charakterisiert Induktion von Flavonen/Flavonoiden/Anthocyane -> Schlüssenenzyme dieses Syntheseweges 2011 UVR8 (UV resistance locus 8) identifiziert im Pflanzenreich ubiquitär verbreitet Schutzfunktion (zur Vermeidung von UV-B-Schäden) steuert Entwicklungsprozesse

84 Ausbildung von Anthocyanen größtenteils in der Epidermis lokalisiert (Vakuole) können überschüssige Strahlungsenergie absorbieren und als Wärme abgeben, -> somit wird die Zelle vor oxidativem Stress (Radikalbildung) geschützt

85 UV-B Rezeptor-Struktur liegt in zwei strukturellen Zuständen vor: Licht- und Dunkelform -> im Dunklen als Homodimer -> in UV-B-Licht Monomer besitzt Tryptophan-Pyramide als Chromophor -> diese fungiert als UV-B Lichtsensor

86 UV-B-vermittelte Signaltransduktion monomere Form bindet an das Signalprotein COP1 (COP1 = constitutively photomorphogenic 1) Bindung an COP1 löst Signaltransduktionskaskade aus -> Geneexpression -> Einleitung des genetischen Schutzprogramms