Pflanzenphysiologie 12_13 Vorlesung 6 [Kompatibilitätsmodus]

Herzlich willkommen
zur Vorlesung
Pflanzenphysiologie
1
Organisatorisches
Tutorium Pflanzenphysiologie
Am nächsten Mittwoch findet kein Tutorium statt.
(Terminkollision mit einem Modul-Seminar)
2
Wie hat man Komponenten der molekularen Uhr gefunden?
Ein 320 p-Fragment des Promotors
eines circadian kontrollierten cabGens wurde mit der LUC-cDNA
fusioniert und in Arabidopsis
thaliana gebracht:
1. Die Pflanzen bilden die circadiane
Rhythmik der Transkription ab
2. Es konnten Mutanten mit einer
Veränderung der Rhythmik gesucht
und charakterisiert werden: z.B.
TOC1
Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik (Plus317.4)
Modell des Oszillators in Arabidopsis
Wiederum ein negativer Feedback-Loop:
Der circadiane Rhythmus (d.h. die Dauer von ca. 24 h) kommt durch die
Dauer der einzelnen Prozesse (mRNA-Akkumulation etc.) zustande.
4
Die molekulare Uhr im Detail
Insgesamt sind bisher 3 verschachtelte
Regelkreise bekannt.
Im Zentrum steht der Regelkreis aus CCA1, LHY
und TOC1 (grau unterlegt).
TOC1-Abbau wird durch ZTL (Zeitlupe)
vermittelt. ZTL wird durch Blaulicht blockiert,
arbeitet also nur in der Nacht.
Taktgebung erfolgt durch Phytochrom und
Cryptochrom: Förderung der Transkription von
CCA1 u. LHY (Entrainment).
CCA1 und LHY sind MYB-Transkriptionsfaktoren.
ZTL besitzt ein Blaulicht absorbierendes
Chromophor und ist ein F-Box-Protein, dass Teil
eines E3-Ligase-Komplexes ist (Markierung für
Abbau im Proteasom).
Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik (17.17)
5
Timing ist offensichtlich, aber
wie geht das?
Es gibt autonome Regulation, d.h. Steuerung durch ein
Entwicklungsprogramm, und Antwort auf Umweltsignale.
Letztere kann obligat (qualitativ) oder fakultativ (quantitativ) sein.
Welche Umweltsignale sind entscheidend?
Kontrolle des Blühzeitpunkts ist multifaktoriell. Photoperiode und
Temperatur sind die beiden wichtigsten Faktoren. Andere sind etwa
Lichtqualität (als Anzeiger für Dichte), Nährstoff- und Wasserangebot.
6
Die Mechanismen werden aufgeklärt
an A. thaliana, einer fakultativen
Langtag-Pflanze, die zum Blühen
außerdem eine Kältebehandlung
benötigt.
Gene der Blütenorganidentität haben
wir bereits kennengelernt. Abhängig
von diesen sind Realisatorgene,
welche die Anzahl, Form und Größe
der Blütenblätter bestimmen.
Gene der Blütenorganidentität werden
kontrolliert durch Gene für die
Meristemidentität: Spross- oder
Blütenmeristem
Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik (18.11)
7
Die Entscheidung über den Eintritt in die
reproduktive Phase fällt im Sproßmeristem
Eine Vielzahl von Veränderungen tritt auf:
- Zelldifferenzierung und Musterbildung, die in die
Ausbildung von Blütenblättern münden
- Herausbildung der Gametophyten: spezialisierte
Zellen durchlaufen Meiose, um haploide
Megasporen und haploide Mikrosporen zu bilden;
anschließende Mitosen
8
Die Entscheidung über den Eintritt in die
reproduktive Phase fällt im Sprossmeristem
Meristemidentitätsgene:
Regulatorische Gene, die beteiligt sind am
Umschalten auf reproduktive Entwicklung
lfy mutant
LFY overexpression
Floral meristem identity genes:
z.B. AP2 – LFY - AP1
SAM: shoot apical meristem
LP: leaf primordia
LEAFY ist wichtig für die
Identität des Blütenmeristems.9
Die Mechanismen werden aufgeklärt
an A. thaliana, einer fakultativen
Langtag-Pflanze, die zum Blühen
außerdem eine Kältebehandlung
benötigt.
Gene der Blütenorganidentität haben
wir bereits kennengelernt. Abhängig
von diesen sind Realisatorgene,
welche die Anzahl, Form und Größe
der Blütenblätter bestimmen.
Gene der Blütenorganidentität werden
kontrolliert durch Gene für die
Meristemidentität: Spross- oder
Blütenmeristem
Die Integratorebene ist verantwortlich dafür,
die relevanten Informationen über die Umwelt
und den physiologischen Zustand der Pflanze
zu verarbeiten.
Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik (18.11)
10
Wahrgenommen wird die Tageslänge im reifen Blatt. Ein
systemisches Signal löst das Blühen aus: Florigen
Hellgrün: ein Kurztag-Blatt (Kurztag
ist induzierend für Perilla).
Dunkelgrün: nicht-induzierende
Langtage.
Ein hellgrünes Blatt gepfropft auf eine
Langtag-Pflanze induziert Blüte.
Ein dunkelgrünes Blatt gepfropft auf
eine Langtag-Pflanze induziert Blüte
nicht.
Auch das Blütenmeristem induziert
kein Blühen einer anderer Pflanze.
Das Blühsignal (Florigen) wird im
Blatt produziert und über das Phloem
zum Meristem transportiert.
Perilla, Pfropfungsexperimente
11
Wie wirken circadiane Rhythmik und Licht
zusammen, um Tageslänge zu messen?
Oder: wie misst man mit einem 24 h-Oszillator eine Nachtlänge von 8 h?
Das Koinzidenz-Modell
Die mRNA-Expression eines wichtigen
Regulators folgt einem circadianen Rhythmus
(CONSTANS, CO).
Die Aktivierung eines Blühgens (FT) erfordert
Licht zu einer Zeit, zu der der Regulator hohe
Genexpression zeigt. Nur dann wird das
Regulator-Protein gebildet und kann die
Expression des Blühgens auslösen.
Das aktivierende Licht wird durch Blaulicht- und
Rotlicht-Rezeptoren (PhyA, Cry) wahrgenommen.
12
Taiz/Zeiger, Plant Physiology
Wie und welche Signale erreichen
das Sprossmeristem und lösen das
Umschalten auf reproduktives
Wachstum aus?
Der Stimulus wird über das Phloem
transportiert.
Kleine Moleküle, die das Blühen
auslösen, wurden allerdings im
Phloem nie gefunden.
Heutige Theorie: das FT Protein wird
im Blatt bei Vorliegen der richtigen
Umweltbedingungen gebildet und
bewegt sich im Phloem zum
Sprossapikalmeristem.
13
Taiz/Zeiger, Plant Physiology (25.33)
Wie und welche Signale erreichen
das Sprossmeristem und lösen das
Umschalten auf reproduktives
Wachstum aus?
Der Stimulus wird über das Phloem
transportiert.
Kleine Moleküle, die das Blühen
auslösen, wurden allerdings im
Phloem nie gefunden.
Heutige Theorie: das FT Protein wird
im Blatt bei Vorliegen der richtigen
Umweltbedingungen gebildet und
bewegt sich im Phloem zum
Sprossapikalmeristem.
Dort löst es durch Interaktion mit dem
Transkriptionsfaktor FD die Aktivierung
von Genen der
Meristemidentitätsebene (Apetala 1)
aus.
14
Wigge (2011) Current Biology
Die Mechanismen werden aufgeklärt
an A. thaliana, einer fakultativen
Langtag-Pflanze, die zum Blühen
außerdem eine Kältebehandlung
benötigt.
Gene der Blütenorganidentität haben
wir bereits kennengelernt. Abhängig
von diesen sind Realisatorgene,
welche die Anzahl, Form und Größe
der Blütenblätter bestimmen.
Gene der Blütenorganidentität werden
kontrolliert durch Gene für die
Meristemidentität: Spross- oder
Blütenmeristem
Die Integratorebene ist verantwortlich dafür,
die relevanten Informationen über die Umwelt
und den physiologischen Zustand der Pflanze
zu verarbeiten.
Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik (18.11)
15
Gibberellin-Wirkungen
Förderung der Internodienstreckung (Zellteilung
u. Zellstreckung)
Förderung von Samenentwicklung und Samenkeimung
(Aufhebung der Dormanz)
Beteiligung an der Blühinduktion
Förderung der Fruchtentwicklung
(Parthenokarpie = Fruchtentwicklung
ohne Samenbildung)
16
Die Mechanismen werden aufgeklärt
an A. thaliana, einer fakultativen
Langtag-Pflanze, die zum Blühen
außerdem eine Kältebehandlung
benötigt.
Gene der Blütenorganidentität haben
wir bereits kennengelernt. Abhängig
von diesen sind Realisatorgene,
welche die Anzahl, Form und Größe
der Blütenblätter bestimmen.
Gene der Blütenorganidentität werden
kontrolliert durch Gene für die
Meristemidentität: Spross- oder
Blütenmeristem
Die Integratorebene ist verantwortlich dafür,
die relevanten Informationen über die Umwelt
und den physiologischen Zustand der Pflanze
zu verarbeiten.
Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik (18.11)
17
Kontrolle des Blühzeitpunkts durch die Temperatur
Vernalisation = Förderung des Blühens
durch die Kältebehandlung von
gequollenen Samen.
(Zu unterschieden von der Stratifikation!)
Das Alter von Pflanzen, das erreicht
werden muss, um sensitiv zu sein für den
Vernalisationsreiz, variiert sehr stark.
Wintergetreide z.B. (generell:
Winterannuelle) sind schon nach
Quellung des Samens sensitiv.
Zweijährige Pflanzen dagegen müssen
z.B. erst eine Blattrosette ausgebildet
haben (jedenfalls eine bestimmte Größe
erreicht haben), bevor Kältebehandlung
wirkt.
Strasburger, Lehrbuch der Botanik
18
Kontrolle des Blühzeitpunkts durch die Temperatur
Ebenso variiert die Dauer der für die Vernalisation nötigen Kälteperiode von
Art zu Art und selbst innerartlich (Ökotypen).
Vernalisation kann rückgängig gemacht
werden (=Devernalisation) durch hohe
Temperaturen. Reversibilität der Vernalisation
nimmt allerdings mit der Dauer der
Kälteperiode ab.
Kälteeffekt nimmt also mit der Dauer zu.
Vernalisation führt dazu, dass das
Sprossmeristem die Kompetenz zur
Blühinduktion erhält.
Taiz/Zeiger, Plant Physiology
Häufig ist die Blühinduktion abhängig von Vernalisation
und Photoperiode, also z.B.:
Kälte, dann länger werdende Tage
19
Ein Gedächtnis für Kälte
Klassische Experimente
hatten gezeigt, dass der
vernalisierte Zustand
mitotisch stabil ist:
An einer Langtagpflanze, die zum Blühen außerdem Kältebehandlung benötigt, konnte
gezeigt werden, dass diese nach Vernalisation auch dann im Langtag blüht, wenn sie nach
Vernalisation Monate lang im Kurztag gehalten wurde. Es wurde also ein „Gedächtnis“ des
Kältereizes bewahrt.
Außerdem konnte gezeigt werden, dass der vernalisierte Zustand stabil bleibt, wenn aus
20
kältebehandelten Zellen ganze Pflanzen regeneriert werden.
Winterannuelle Ökotypen von Arabidopsis thaliana
Diese benötigen eine lange Kälteperiode bevor sie blühen können:
Taiz/Zeiger, Plant Physiology (25.26
21
Kontrolle des Blühzeitpunkts durch die Temperatur
In winterannuellen Ökotypen von A. thaliana ist ein wesentlicher Faktor
identifiziert worden: FLOWERING LOCUS C (FLC)
(ein gutes Beispiel dafür, wie die genetische Analyse von Ökotypen zu
Erkenntnis führt)
FLC ist in nicht-vernalisierten
Sprossmeristemen stark
exprimiert. Nach
Kältebehandlung wird FLC
epigenetisch abgeschaltet, d.h.
die Abschaltung wird an
Tochterzellen weitergegeben.
Die Abschaltung entfernt die
reprimierende Wirkung von
FLC auf die Integratorebene.
Die epigenetische Abschaltung
passiert unter Beteiligung von
Chromatin-Remodellierung:
Am FLC-Lokus wird aus
Euchromatin Heterochromatin
durch Histonmodifikation.
22
Taiz/Zeiger, Plant Physiology
Vernalisation: ein Langzeitgedächtnis für Kälte
Vernalisation: Ein kurzer Kälteschock reicht nicht aus.
Das Gedächtnis besteht in epigenetischen
Veränderungen: Heterochromatinisierung am FLC
Locus
Die offene Konformation des Chromatins am FLC
Lokus, welche Transkription durch die RNAPolymerase II erlaubt, wird durch Veränderungen an
Histonproteinen (Deacetylierung und
Demethylierung von Lysin-Resten) erreicht.
Sommerannuelle Ökotypen von A. thaliana wie
Columbia und Landsberg tragen Mutationen im
FRI-Gen, dass FLC-Expression stimuliert oder
im FLC-Gen selbst. Veränderungen in einem
Gen sind also in diesem Falle ausreichend, um
das Verhalten der Pflanze maßgeblich zu
verändern – und damit die Adaptation an
bestimmte Habitatbedingungen zu erreichen.
23
Vegetative Phase:
FRI
FLC
SOC1, FD/FT
Die beiden Labor-Accessions Col und Ler
sind frühblühend. Beide tragen ein
defektes FRI-Allel (Deletionen treten auf):
Generative Phase:
FRI
FLC
SOC1, FD/FT
Vernalisation
Blühinduktion
Sommerannuelle Ökotypen von A. thaliana
wie Columbia und Landsberg tragen
Mutationen im FRI-Gen, dass FLCExpression stimuliert, oder im FLC-Gen
selbst. Veränderungen in einem Gen sind
also in diesem Falle ausreichend, um das
Verhalten der Pflanze maßgeblich zu
verändern und Anpassung an ein
bestimmtes Habitat zu ermöglichen.
Frühes Blühen evolvierte anscheinend
mindestens zweimal unabhängig durch
Mutationen in FRI. Die Ler- und Col-Allele
wurden auch in anderen frühblühenden
Accessions gefunden.
24
Die Mechanismen werden aufgeklärt
an A. thaliana, einer fakultativen
Langtag-Pflanze, die zum Blühen
außerdem eine Kältebehandlung
benötigt.
Gene der Blütenorganidentität haben
wir bereits kennengelernt. Abhängig
von diesen sind Realisatorgene,
welche die Anzahl, Form und Größe
der Blütenblätter bestimmen.
Gene der Blütenorganidentität werden
kontrolliert durch Gene für die
Meristemidentität: Spross- oder
Blütenmeristem
Die Integratorebene ist verantwortlich dafür,
die relevanten Informationen über die Umwelt
und den physiologischen Zustand der Pflanze
zu verarbeiten.
Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik (18.11)
25
1. Photorezeptoren und ihre Interaktion mit
der circadianen Uhr initiieren einen Weg, der
zur Expression von CO in PhloemGeleitzellen führt.
CO aktiviert FT-Expression im Phloem.
FT-Interaktion im Komplex mit FD aktiviert
Zielgene wie LFY, AP1, SOC1, welche dann
homöotische Gene anschalten.
2. Vernalisation inaktiviert FLC, einen
Inhibitor von SOC1
3. Der Saccharose-Weg zeigt den
metabolischen Status der Pflanze an.
4. Das Phytohormon Gibberellin kann das
Blühen auch unter nicht-induzierenden
Bedingungen auslösen.
Ein Schlüsselgen ist SOC1 (auf der
Integratorebene), auf das alle Wege
einwirken.
Die Existenz mehrerer Wege erlaubt,
verschiedene Umwelteinflüsse zu
integrieren.
26
Taiz/Zeiger, Plant Physiology
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
27
Bestäubung und Befruchtung, Selbstinkompatibilität
1. Bestäubung (Pollination), Wachstum des
Pollenschlauchs
2. Selbstinkompatibilität
28
Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik (14.17)
Pollenschlauchwachstum
Auf dem Stigma (der Narbe) gelandeter (1)
Pollen hydriert (2). Die vegetative Zelle des
männlichen Gametophyten wächst zu
einem Pollenschlauch aus (3), um die
beiden Spermazellen zum Embryosack zu
bringen.
Die Wachstumsgeschwindigkeit kann bis zu 10 µm
pro Minute betragen.
Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik (18.16)
29
Buchanan, Gruissem Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants, 19.29
Selbstbefruchtung - Fremdbefruchtung
Wenn die homologen Chromosomen praktisch
identisch sind, spricht man von Homozygotie. Zeigen
die homologen Chromosomen Unterschiede, d.h.
tragen sie meist zwei Varianten (=Allele) eines Gens, so
spricht man von Heterozygotie.
Homozygotie tritt bei Selbstbefruchtern auf,
Fremdbefruchter sind in der Regel heterozygot.
Selbstbefruchtung reduziert die genetische Diversität, weil Neukombination von
Allelen verhindert wird. Dennoch tragen ca. 70 % aller Angiospermen zwittrige Blüten.
Häufig wird Selbstbefruchtung durch Selbstinkompatibilität verhindert (außerdem
gibt es Mechanismen wie „Vormännlichkeit“ oder „Vorweiblichkeit“).
Selbstinkompatibilität ist in ca. 50 % der bisher untersuchten Blütenpflanzen
gefunden worden und mehrfach unabhängig im Laufe der Evolution entstanden.
(Nach Darwin „one of the most surprising facts which I have ever observed“)
30
Selbstinkompatibilität
= Unterscheidung von Selbst und Nicht-Selbst
Die Verhinderung der
Befruchtung durch Pollen
von derselben Pflanze.
Verantwortlich ist ein Locus
(S Locus) mit zahlreichen
Allelen. Der Locus enthält
zwei Gene. Die Allele müssen
verschieden sein in ♂ und ♀.
Der S Locus ist
hochpolymorph, d.h. es
existieren jeweils sehr viele
Allele für die beiden Gene.
31
Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik (18.18)
Selbstinkompatibilität
= Unterscheidung von Selbst und Nicht-Selbst
Die Verhinderung der Befruchtung durch Pollen von derselben Pflanze.
Verantwortlich ist ein Locus (S Locus) mit zahlreichen Allelen. Die Allele
müssen verschieden sein in ♂ und ♀.
Man unterscheidet
1. Gametische Selbstinkompatibilität (GSI):
der Genotyp des haploiden Pollenkorns
entscheidet. Inkompatibilität tritt auf, wenn
das Allel des Pollenkorns einem der Allele
des (diploiden) Griffels entspricht.
(Z.B. Rosaceae, Fabaceae, Solanaceae)
2. Sporophytische Selbstinkompatibilität
(SSI): der Genotyp des das Pollenkorn
hervorbringenden diploiden Sporophyten
entscheidet. Inkompatibilität tritt auf, wenn
eines der Allele des Pollenkorns einem der
Allele im Griffel entspricht.
(Z.B. Brassicaceae, Asteraceae)
32
Buchanan, Gruissem Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants, 19.32
Selbstinkompatibilität
Pollen und Stigma interagieren (z.B. über Rezeptor-Liganden-Wechselwirkung)
oder Pollenschlauch und Griffelgewebe imteragieren. Erkennung von „Selbst“
führt zum Abbruch des Pollenschlauchwachstums.
Bei der gametophytischen Selbstinkompatibilität produziert das Pollen-Gewebe
selbst die entscheidenden Proteine, bei der sporophytischen ist es das
diploide Antherengewebe.
33
Buchanan, Gruissem Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants, 19.33
Sporophytische Selbstinkompatibilität
der Brassicaceae
Liganden-Rezeptor-Interaktion in
Vertretern der Brassicaceae:
Die SCR-Liganden sitzen auf der
Pollenoberfläche (und sind vom
Sporophyten gebildet worden – 2 Allele),
Erkennung durch den entsprechenden
Rezeptor in der Plasmamembran von
Stigma-Zellen führt zur Inhibierung des
Pollens.
Die Narbe exprimiert in diesem Beispiel
die Rezeptorkinasen SRK2 und SRK3,
welche die vom Sporophyten des Pollen
gebildeten Liganden SCR2 und SCR3
erkennen.
SCR2 ist hier tatsächlich vorhanden.
Ligandenerkennung führt zur Ablösung
von Thioredoxin (TH), Phosphorylierung
des Rezeptors und Abbau eines (noch
unbekannten) Aktivatorproteins (AP),
dass für die Pollenentwicklung notwendig
ist.
Der Abbau wird vermittelt durch ARC1,
welches Teil einer E3-Ligase ist.
34
Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik (18.19)
Mechanismen der gametophytischen Selbstinkompatibilität
(GSI ist weiter verbreitet als SSI)
Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik (18.20)
a/b In den Pollenschlauch aufgenommene RNasen werden im Falle der Kompatibilität durch einen
Ubiquitin-E3-Ligase-Komplex abgebaut, die mRNA des Pollens bleibt intakt.
35
Mechanismen der gametophytischen Selbstinkompatibilität
(GSI ist weiter verbreitet als SSI)
Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik (18.20)
c Der männliche Gametophyt bildet einen Rezeptor, der weibliche Sporophyt zwei Liganden.
Erkennung führt zum Ca2+-Einstrom, der das für das Spitzenwachstum unverzichtbare Cytoskelett
stört und schließlich zum Zelltod führt.
36
Selbstkompatibilität
Arabidopsis thaliana ist im Gegensatz zu
den meisten Vertretern der Brassicaceae
selbstkompatibel (einer der Gründe für die
Eignung als Modellsystem).
In Arabidopsis thaliana sind die S-Gene
nicht aktiv. Selbstkompatibilität
evolvierte vor ca. 1 Million Jahren.
Selbstkompatibilität kann ein Vorteil
sein für Pionierpflanzen, da eine im
neuen Habitat erfolgreiche
Allelkombination sich schnell
ausbreitet und fixiert wird.
Auch an Standorten, die arm an Insekten
sind, kann Selbstkompatibilität ein Vorteil
sein.
37