Phytohormones

Phytohormone
1. Eigenschaften:
- niedermolekulare Substanzen
- Vorkommen in niedrigen Konzentrationen
- übernehmen zellübergreifende Steuerungsfunktionen
- Rezeptorbindung
- Informationsaustausch zwischen Organen
- ortsgebundene Signalträger:
Reaktion der Pflanze auf biotische und abiotische Signale
Phytohormone
2. Klassen von Phytohormonen:
- Auxine
- Gibbereline
- Cytokinine
- Abscisinsäure
- Ethylen
- Jasmonat
- Brassinosteoide
- Salicylsäure
Phytohormone
- Phytorhormonklassen bestehen aus mehreren, eng verwandten Verbindungen
- große Heterogenität bei Gibberelinsäuren
(mehr als 80 Formen bekannt)
- Frage nach der in planta wirkenden Verbindung?
- Modifikation in planta (z. B. glykosidiert)
- vorliegen als Konjugate
- Zucker, Amine, Amide
- IES: Klonierung der Amidohydroxylase
[Freisetzung von Indol-3-Essigsäure (IES = Auxin) aus ihrem Konjugat]
-Biotests (Streckenwachstum einer Koleoptile nach Auxingabe)
3. Wirkungsspektren:
- breites Wirkungsspektrum
- z. T. überlappende Wirkungen
- z. T. antagonistische Wirkungen
- Auxin/Cytokininverhältnisse steuern die Organbildung
- neue Phytohormone werden entdeckt werden
4. Rezeptoren:
- spezifische reversible Hormonbindung
- hohe Affinität
- Initiation von Signalketten
- lösliche Rezeptoren (Auxin- und Steroidhormone)
- membranassoziierte Rezeptoren
- prokaryotische Signalweiterleitung: Zweikomponentensystem
- Sensorkinase und Antwortregulatorprotein
- 2 Möglichkeiten der Identifikation:
1. Affinitätssäulen mit Rezeptoren
- Photoaffinitätsmarkierung
2. Arabidopsis Mutanten: Beispiel Ethylenwirkung
5. Ethylensignalkette als Modellsystem:
- triple response:
Suche nach Mutanten, bei denen drei unabhängige
Ethylenantworten gleichzeitig gestört sind.
- Hemmung des Hypokotyl- und Wurzelwachstums
- Verdickung des Hypokotyls
- Hypokotylhaken krümmt sich übermäßig
- 2 Klassen von Mutanten:
- triple response auch ohne Ethylen (ctr, eto)
- konstitutiv in der Hormonproduktion oder eines aktiven
Intermediates
- keine triple response trotz Ethylen (ein-etr, ain)
- Defekt zwischen Hormonperzeption und Signaltransduktion
- genetische Analysen: Feststellung der Proteinsequenz
- ETR1: Rezeptor
- ähnelt Sensorkinasen von zwei Komponentensystem
- CTR1: besitzt Ähnlichkeiten zur Raf-Kinasefamilie (MAPKinasen)
Ethylen
- früh entdeckt, spät durchgesetzt
- im Intrazellularraum
- Biosynthese: Methionin
-Früchte, Blüten, Blätter: vor der Seneszenz Ethylen ↑↑
1. Beschleunigung der Fruchtreife und andere Seneszenzprozesse
Apfel/Tomate
Apfel, Bananen werden unreif geerntet
Blockade der Acc. Oxidase in transgenen Tomaten
2. Auslösung von Stressreaktionen
Stressethylen (Überflutung, pathogener Pilzbefall)
triple-Reaktion
< Produkt der ACCSynthase
< Produkt der ACCOxidase
< Funktion der ACCSynthase
sense: schnellere Reifung
Without ethylene:
With ethylene:
- receptor on
- receptor off
- CTR1 active
- CTR1 inactive
- inhibits MAPKK
- MAPKK active
Histidin
Aspartat
Unterschied:
Ethylen: two
component
system
tierischen
Systeme: GProteine
Gemeinsam:
MAPKinaseweg
Cytokinine
1950: Kokusnussmilch: Stimulation von Zellteilung
1963: Zeatin: natürlich vorkommender Stimulator der Zellteilung
Adeninderivat mit einer Seitenkette auf Isoprenoidbasis
Cytokinin/Auxin – Verhältnis bestimmt Spross-/Wurzeldifferenzierung
Produktionsorte:
Wurzel
apikale Sprossmeristeme
Wurzel → Xylentransport → grünes Gewebe
Kontrolle der Apikaldominanz
Hemmung der Seneszenz
Zeatinsynthese aus Adenosin-5’-monophosphat und Dimethylallyl-diphosphat
Eingangsenzym: hohe Spezifität (Isopentenyl-Transferase, ipt)
Isolation aus Pflanzen
Cytokinine - Fortsetzung
Vorkommen in Agrobakterien:
ipt-Gen wird transferiert in die Pflanzenzelle: Gallenbildung
Pseudomonas: ipt-homologes tzs Gen: Gallenbildung ohne Gentransfer
ipt-Genexpression durch Tetracyclin-induzierbaren Promotor
⇒ lokale Cytokininproduktion > 50 x
⇒ lokale Antworten
⇒ Xylemtransport in Frage gestellt.
-Cytokinin Oxidase:
-entfernt die Seitenkette
-Inaktivierung
-Kontrolle des bioaktiven Cytokininpools:
Glykosylierung der Seitenketten-OH-Gruppe inaktiviert Cytokinine reversibel
Speicherung des Derivats
Derivat ist geschützt vor Abbau (kein Substrat für die Cytokininoxidase)
Auxin
Went: (1926): Wuchsstoff
Inkompetenter Bildungsort
Kompetenter Wirkort
Biotest: Quantifizierung des Hormons
(1934): Indol-3-Essigsäure (IAA)
Isolation aus Urin + Hefe
(1941): IAA in Pflanzen
Synthetische Auxine: 2,4 D
- 2,4 D ist wirksamer, da nicht abgebaut
Biosynthese: Tryptophan-abhängiger und unabhängiger Weg
Try-Mutante macht dennoch IAA
Mehrere Synthesewege
Bedeutung des Hormons, Synthese schlecht blockierbar
< Agrobakterien
< Zwischenprodukte
des Abbaus
Auxin
Freies (Biotest) vs. gebundenes IAA:
IAA-Glycosylester (inaktive Speicher)
IAA-Peptide (inaktive Speicher)
IAA oxidative Decarboxylierung → verschiedene Abbauprodukte
IAA-Wirkung abhängig von Neusynthese
1932 (Went)
-
polarer Transport
10 – 20 mm · h-1
aktiv (atmungsabhängig)
Parenchymtransport (Zellpolarität)
Bildung in der Spitze
Neusynthese oder Freisetzung aus Konjugaten
Wirkung: Steuerung von Wachstumsprozessen
- Unterdrückung des Austreibens von Seitenknospen
apikale Dominanz)
- Fruchtentwicklung
- Mitoseaktivität (↑)
- Differenzierung von Xylem + Phloem
BL > Transport von Auxin zur
Schattenseite > Förderung des
Wachstums
Auxin
Kompetenz:
Wirkungsweise
Rezeptor: Kern/Cytoplasma
IAA-Bindeprotein (ABP1)
Überexpression in Tabak: > IAA-Bindung
< Wachstum
Genexpression: detektierbar nach 4 – 8 min.
Transkriptionsfaktoren
Theorie des polaren Transports
• Protonenpumpen säuern Apoplasten an
• Influx ungeladenes IAAH ins Cytoplasma
• IAA- bleibt im Cytoplasma (Ionenfalle)
• Effluxtransporter an basaler Zellseite
• basipetaler Transport
Auxin works in a cell by binding specifically to a protein called TIR1.
The combination of TIR1 and auxin, along with a couple of other proteins,
destroys a repressor protein that stops growth genes from being expressed.
Once these growth genes are activated, they are expressed and produce proteins
that control plant growth.
Growth genes could include those that promote cell elongation and division, or
differentiation.
Phytohromone I
-
Klassifizierung
Synth.-/Wirkungsort
Biotest
Zweikomponenten
- loss of function
-
Funktion
Heterogenität
überlappende Wirkung
Affinitätsreinigung
- gain of function
-
Rezeptortheorien
Modifikationen
antagon. Wirkg.
triple response
Ethylen
- Lokalisation
- Fruchtreife
- two component
- Synthese aus Meth.
- Acc. Oxidase
- MAP Kinaseweg
- Seneszenz
- Stressrkt.
Cytokinin
-
Klassifizierung
Adeninderivat
Transport
ipt/tzs
Tetracyclinpromotor
Schutz vor Abbau
- Zellteilung
- Spross-/Wurzeldiff.
- Apikaldominanz
- Agrobakterien
- Cytokininoxidase
- Gewebekultur
-
Zeatin
Syntheseorte
Seneszenzhemmung
Gallenbildung
Cytokininderivate
Organogenese
Auxin
-
Lokalisation
geb. IAA
ox. Decarboxylaierung
Wachstumssteuerug Mitose
IAA Bindeprotein
-
IAA, IES
- Biotest
Speicherung
- Glykosylester
- Modell: pol. Transport- Parenchymtransport
Apikale Dominanz
- Fruchtentwicklung
Differenzierung Xylem/Phloem
Phototropismus
- Interaktion mit BL
Abscisinsäure
- 2 x unabhängig entdeckt
„Abscisin“ – Fruchtabscission bei Baumwolle
Dormin – Ahorn + Birke → leitet Knospenruhe ein
-ABA → Sesquiterpen
-Ausgangsverb. Mevalonsäure (C5)
-Leichter Transport im Apoplasten (Xylem/Phloem)
- Stresshormon
- Trockenstress
- CAM-Pflanzen: Umstellung von C3 → C4 – Photosynthese
-Trockenstress: Reduktion der stomatären Transpiration
- Aktivierung von Stressgenen
Die Stomaschließung wird durch
- Dunkelheit
- ABA (Abscisinsäure; Hormon)
-hohe interne CO2-Konzentration
- geringe Luftfeuchtigkeit
hervorgerufen.
Stomata stellen lebenswichtige Organe der höheren Pflanzen dar,
da sie die CO2-Versorgung für die Photosynthese sicherstellen.
Durch die offenen Poren verdunstet jedoch gleichzeitig Wasser,
so dass die Öffnungsweite der Stomata einer strengen Kontrolle durch endogene Signale
und Umweltfaktoren unterworfen ist. Hierzu zählen Lichtqualität und -quantität,
die CO2-Konzentration sowie die Phytohormone Auxin und Abszisinsäure.
Die Öffnung der Stomata wird durch eine reversible Volumenzunahme in den beiden
Schließzellen ermöglicht. Die Grundlage hierfür stellt die Akkumulation von
Kaliumsalzen zunächst im Cytosol und schließlich in der Vakuole dar,
die dann den Wassereinstrom und damit die Volumen- und Turgorzunahme der Zelle treibt,
so dass eine zentrale Pore geöffnet wird. Die Kalium-Aufnahme wird durch
Chlorid-Ionen und die Malat-Synthese elektrisch neutralisiert. Während die Stomata
im Licht und in niedrigen CO2-Konzentrationen öffnen,
löst das Trockenstress-Hormon Abszisinsäure sowie hohe CO2-Konzentrationen
den Stomaschluss aus.
Die Zellen wurden mit dem pH-Indikator Acridinorange gefärbt.
Guard cell signaling
Gibberellins
Gibbereline
1926 in Japan entdeckt
pathogener Pilz Fusarium verursacht langes Pflanzenwachstum
„Krankheit der verrückten Keimlinge“
1954/55 Strukturaufklärung
Biotests: Samen und Früchte
ubiquitär
große Zahl an Komponenten (> 100)
tetracyclisches Ringsystem
Gibbereline sind Diterpene (Cyclisierung von Geranyl-geranyl-diphosphat)
Biosyntheseweg ist aufgeklärt (Mangelmutanten)
Transport in Xylem (Phloem)
[GA] ↑ → Phasen mit aktivem Wachstum
Zwergmutanten (Mais/Erbse)
steril, durch Fütterung mit GA heilbar
Speicherstoffmetabolisierung im Samen
Steigerung des Internodienwachstums (limitiert durch endogenes GA)
(Rosettenpflanzen → Schießen, Blühen)
Phytohormone können Gene aktivieren
- Beispiel: Speicherstoffmetabolismus in Karyopsen von Gerste
- Gibberellin GA3
- löst im Scutellum und in der Aleuronschicht die Produktion
hydrolytischer Enzyme aus
-alpha-Amylase: Reservestoffabbau im Endospern
- in vitro-System: Zugabe von Gibbereline: Transkription von
Amylasegenen
- run-on Transkriptionsversuche
- Abscisinsäure als Antagonist
Brassinosteroide
Chory: det-Mutanten
(det2)
Gen: ähnelt Steroid-5α-Reduktase aus Sängern
(Testosteron → Dihydrotestosteron)
CPD-Mutante: Gen mit Homologien zu P450-Proteinen
1979: Brassinolid aus Rapspollen
(Funktion war unbekannt)
Hormon ist beteiligt an:
Zellstreckung
Seneszenz
Zellteilung
Blühinduktion
Hemmung des Wurzelwachstums
pt-Entwicklung
Xylembildung
Brassinosteroid - Fortsetzung
det2 und cpd kodieren für Enzyme des BrassinosteroidStoffwechsels
Fütterungsexperimente
Syntheseschema
> 60 Hormone bekannt
Syntheseweg größtenteils unbekannte
Mutantenscreens → 22 Mutanten, alle waren allelisch
transmembranes LRR (leucine-rich repeat) Rezeptor
(Plasmamembran)
2 Mechanismen:
(a) Reiz → Membranrezeptor → intrazelluläre Signaltransduktion
(b) Reiz → Steroid::Rezeptor → Komplex im Cytoplasma → Kerntransport
→ Transkription
Salicylsäure
- Medikament → Rolle in Pflanzen weniger bekannt
-erste Beobachtungen
- Einfluss auf die Thermogenese bei Lilien
- Pathogenabwehr
- Verzögerung der Seneszenz
- Grund: Reduktion der Ethylensynthese
- SA blockiert die Umwandlung von ACC → Ethylen
- Induktion der Blütenbildung bei Spirodela polyrrhiza
- Thermogenese bei Lilien
- ungewöhnlicher Syntheseweg
- in der Summe: Energie des photosynthetischen
Elektronentransports → Wärme
-induziert Blütenbildung
- Temperatur der Blüte bis zu 14 °C über Normal
- Insekten werden angelockt
- Temperaturanstieg nur am Tag
Salicylsäure
- exogene Applikation vom wasserlöslichen SA
- Krankheitsresistenz
- Nekrosen durch Pilze, Bakterien und Viren
- lokale Antwort → Zelltod
- systemische Antwort: Gesamtorganismus reagiert
- Synthese von PR-Proteinen
- PR-Proteinsynthese korreliert mit SA Synthese
- zunächst beobachtet am TMV/Tabak-System
- Syntheseweg: noch nicht vollständig aufgeklärt
- Methyl-Salicylsäure (aktiv oder Speicher?)
-GC-MS zur Analyse von radioaktiven Intermediaten
- Ausgangssubstanz: cis- oder trans-Zimtsäure
Fine-Tuning Plant Defence
Signalling:
Salicylate versus Jasmonate
G. J. M. Beckers, S. H. Spoel
Plant Biol 8, 1-10
Abscisinsäure
- Lokalisation
- Trockenstress
- ABI1
- Pollenschlauchentw.
-
-
Mevalonsäurederivate
-Stresshormon
LEA Proteine
- Stomata
Calcium als second messanger - Ca-Speicher
Calmodulin
siehe: Rolle von Abscisinsäure in der Samenbildung und
Testa
- doppelte Befr.
triploides Endosperm - 4 Phasen der Samenreifung
Keimungshemmung
- ABI3
Mikropyle
- Vernalisation
–keimung:
- Zygote
- Dormanz
- Radikula
Gibberelinsäure
-Lokalisation
- Biotest
- Zwergwachstum
- gr. Zahl an Derivate - Synthese
- Samen und Früchte
- Fütterungsexperimente
- Internodienwachstum - Samenentwicklung
- Speicherstoffmetabolismus in Karyopsen
- Scutellum
- alpha-Amylase
- Reservestoffe d. Pfl. - run-on assays
- Aleuronschicht
- Testa
- Endosperm
- Hydrolasen
Embryogenese bei
Arabidopsis
Differenzierung des
Embryos und des
Samens
Einteilung in der
Vorlesung:
1. Vor der
Samenbildung
2. Samen (Bezug:
Abscisinsäure)
3. Lebenszyklus einer
Pflanze und
Musterbildung
Phasen der Embryogenese:
Zygote
Einzellstadium
Zweizellstadium
Oktant
Dermatogen
Kugelstadium
Triangel
Herzstadium
Torpedo
Keimling
Körperorganisation längs:
Sprossmeristem
Keimblätter
Hypokotyl
Wurzel
Wurzelmeristem
Körperorganisation quer:
Epidermis
Grundgewebe
Leitgewebe
Basale Zellen des Oktantenstadiums bilden die Wurzel
RZ = Ruhezone
Meristeme: zentrale und laterale
Wurzelhaube
Querschnitt: Epidermis, Cortex,
Endodermis, Perizykel
Zentrale Zone, periphere Zone, Rippenzone.
L1 = Epidermis; L2, L3 subepidermal
B1, B2 = Blattprimordien
Blattprimordium (oben) =
Blütenprimordium (unten)
Vegetative Meristem (oben) =
Influoreszenzmeristem (unten)
Wirtel 1: Sepale
Wirtel 2: Petale
Wirtel 3: Stamen
Wirtel 4: Karpelle
ABC-Modell zur
Blütenentwicklung
Entwicklungsbiologie
Phasen der Embryogenese: Zygote, Einzellstadium, Zweizellstadium,
Oktant, Dermatogen, Kugelstadium, Triangel,Herzstadium,
Torpedo, Keimling
Samenentwicklung und –keimung (kommt jetzt)
Körperorganisation längs: Sprossmeristem, Keimblätter, Hypokotyl, Wurzel,
Wurzelmeristem
Körperorganisation quer: Epidermis, Grundgewebe, Leitgewebe
Trichomentwicklung,Blattmeristem, Blattanlage, Wurzelmeristem
Vegetativer Spross und Blütenstand: Blattprimordium = Blütenprimordium;
vegetative Meristem = Influoreszenzmeristem
Blütendiagramm: Wirtel 1: Sepale; Wirtel 2: Petale; Wirtel 3: Stamen; Wirtel
4: Karpelle
ABC-Modell der Blütenentwicklung
Samenbildung bei Angiospermen
„Als Samen bezeichnet man die reife Samenanlage mit dem Embryo,
einem mehr oder weniger gut ausgebildeten Endosperm
und der Samenschale (Testa).“
- doppelte Befruchtung mit zwei Spermakernen
- diploide Zygotenbildung
- triploide Endospern
- Abbau des Endosperms, Resorption der Inhaltsstoffe durch den Embryo
- Vorgänge bis zur Bildung des ruhenden Samens
- generell: Entwicklung eines Embryos mit Wurzel, Spross und Kotyledonen
Samenbildung bei Angiospermen
(späte Phasen der Entwicklung)
1. Reifephase:
- hohe Abscisinsäure-Konzentration
- Wasserverlust
- Speicherlipid und –proteinsynthese
2. Postabszissionsphase:
- Chlorophyll-Abbau
- Verhärtung der Testa
- Synthese von LEA-Proteinen (late-embryo-abundant)
- Mutation in LEA-Proteinen: keine Austrockungstoleranz
3. Vortrocknungsphase:
- weitere Austrocknung
4. Trocknungsphase:
- Abschalten der Genexpression
- Herunterfahren des Stoffwechsels
- Erreichen des endgültigen Zustands
- Dormanz
- Zeit, in der die Samen nicht auskeimen
Frage nach den globalen Regulatoren der späten Samenentwicklung
-Keimungshemmung durch hohe Abscisinsäurelevel
- abi3-Mutante: Abscisinsäure-unempfindlich
- keine Dormanz
- Auskeimen aus der Mutterpflanze
- ausgetrocknete abi3-Mutanten: lethal
- veränderte Genexpression
- abi3-Locus. Transkriptionsfaktor
- Steuerung der Transkriptionsfaktoraktivität durch Abscisinsäure
Keimung
„Das Austreten der Radicula aus der Mikropyle wird häufig
als operationales Kriterium für den Beginn der Keimung verwendet.“
- primär wird Dormanz durch Abscisinsäure vermittelt
- Aufrechterhaltung durch eine Vielzahl weiterer Sperrmechanismen
- häufig umweltbedingt
- Wasseraufnahme
- Sauerstoff
- Ausbildung von Sperrschichten, die verrotten
oder bakteriell abgebaut werden
- chemische Keimungshemmer, z. B. Blausäure reduziert
Stoffwechsel des Kimlings
- Vernalisation (Mechanismus unbekannt)