Herzlich willkommen zur Vorlesung Pflanzenphysiologie 1

Organisatorisches

Tutorium Pflanzenphysiologie Erster Termin: Mittwoch, 14. November, 17-18 Uhr H 18

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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

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Wirkungen der Cytokinine

Förderung der Zellteilung (Cytokinese), Aktivierung des Zellzyklus

N6-substituierte Purine

Verzögerung der Seneszenz

Förderung von Seitenknospen

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Kontrolle des Zellzyklus in meristematischen Geweben

Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik

5 Campbell, Biologie (35.14)

Der Zellzyklus und seine Kontrolle

Zellteilung: Kontrolle des Zeitpunkts

In vielzelligen Organismen teilen sich nur wenige Zellen. Diese Aktivität ist nicht zellautonom, sondern unter sozialer Kontrolle. Normale Zellen sind teilungsinaktiv, befinden sich in G1 oder G0. Pflanzenzellen können aus G0 wieder in die S-Phase (Totipotenz). Zellteilung erfordert die Stimulierung durch Signale, die Informationen über den Gesamtorganismus bieten. Der Zellzyklus zeigt zwei prinzipielle Checkpoints: G1 – S-Übergang (Start der Replikation) G2 – M-Übergang (Start der Mitose)

Strasburger, Lehrbuch der Botanik

S-Phase: DNA-Replikation M-Phase: Mitose

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Zellzyklus-Kontrolle Die Mechanismen der ZellzyklusKontrolle sind offenbar hoch konserviert in Eukaryonten. Sie haben sich bereits vor Entstehung der Vielzelligkeit entwickelt. Erforscht werden sie vor allem in Hefen (Saccharomyces cerevisiae). Wichtigste molekulare Komponenten sind Cycline (Cyc) und Cyclinabhängige Kinasen (CDK). Regulation erfolgt über Phosphorylierungen und Dephosphorylierungen.

7 Strasburger, Lehrbuch der Botanik

Phytohormone sind wichtige Kontrollfaktoren für den pflanzlichen Zellzyklus

Buchanan, Gruissem, Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants

Cytokinine vor allem, sowie Auxine stimulieren Zellteilung. Abscisinsäure wirkt hemmend. Auch andere Stresshormone wie Jasmonat wirken hemmend.

B. Seitenwurzelbildung, AtCYC1-Transkription als Marker (AtCYC1-Promotor fusioniert mit GUS-Gen); C. Aktivität im Embryo 8

Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik, 16.51

Das Phosphorylierungsmuster entscheidet über die Aktivität der CDK/CYCKomplexe. Was könnten Zielproteine dieser Komplexe sein, z.B. beim Übergang in die Mitose?

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Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik, 16.51

RB steht für Retinoblastoma. Retinoblastoma ist die engl. Bezeichnung für einen Netzhauttumor. RB ist ein in Eukaryoten konservierter Kontrollpunkt der Zellproliferation. Phosphorylierung von RB führt in Pflanzenzellen zur Aufhebung der Hemmung durch RB und zum Übergang 10 in die S-Phase.

Phytohormone sind wichtige Kontrollfaktoren für den pflanzlichen Zellzyklus.

Beispiel: der Cytokinin-Rezeptor WOL ist erforderlich für die normale Phloementwicklung.

Taiz/Zeiger, Plant Physiology

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Wirkungen der Cytokinine

Förderung der Zellteilung (Cytokinese), Aktivierung des Zellzyklus

N6-substituierte Purine

Verzögerung der Seneszenz

Förderung von Seitenknospen

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Verzögerung der Seneszenz durch Cytokinin

13 Buchanan, Gruissem, Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants

Seneszenz ist ein regulierter Prozess

Buchanan, Gruissem, Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants

Installation eines Regelkreises: ipt1 ist ein Gen der T-DNA von A. tumefaciens und verantwortlich für Cytokinin-Biosynthese. Seneszenz-induzierbare Promotoren stammen von SAGs (senescence associated genes), die z.B. für hydrolytische Proteine kodieren.

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Auch Salat bleibt länger frisch:

15 Taiz/Zeiger, Plant Physiology

Wirkungen der Cytokinine

Förderung der Zellteilung (Cytokinese), Aktivierung des Zellzyklus

N6-substituierte Purine

Verzögerung der Seneszenz

Förderung von Seitenknospen

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Hormonantagonismus: Hormone wirken in vivo nicht allein, sondern meist im Verbund: Synergistisch und antagonistisch.

Strasburger, Lehrbuch der Botanik, 6-47

Entscheidend für pflanzliche Entwicklungsprozesse sind fast immer Hormoncocktails 17

Ein Beispiel für Hormon-Antagonismus: Apikaldominanz

Monopodium oder Sympodium?

Monopodium

Monochasium Sympodium Dichasium

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Ein Beispiel für Hormon-Antagonismus: Apikaldominanz

In der Sprossspitze gebildetes Auxin hemmt die Aktivität der Achselknospen.

Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik (16.52)

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Die Wurzel sendet SMS

Auxin hemmt Synthese und Transport von Cytokinin aus der Wurzel. Ein Signal aus den Wurzeln (SMS = shoot multiplication signal) bewirkt Knospenruhe. SMS wird durch Auxin gefördert. Für das Auswachsen der Knospe muss der Zustrom von SMS unterbrochen und der von Cytokinin erhöht werden.

SMS = Strigolactone Diese werden inzwischen auch als neue Hormone angesehen. 20 Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik (16.53)

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)

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Gibberellin-Chemie

Gibberelline sind Diterpene. >100 Gibberelline sind bekannt, von denen allerdings nur eine kleinere Zahl biologisch aktiv sind (z.B. GA1, GA3, GA4).

Synthese vor allem in rasch wachsenden Geweben und während früher Stadien der Samenbildung. Es erfolgt kein polarer Transport, jedoch Verteilung über Phloem und Xylem.

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Entdeckung der Gibberelline Gibberelline sind in den 1930er Jahren von japanischen Wissenschaftlern entdeckt worden, die sich mit einer Reiskrankheit (Bakanae = verrückter Keimling) beschäftigt haben. Diese äußert sich in einem zu starken Wachstum von Reiskeimlingen und wird verursacht durch einen Pilz: Gibberella fujikuroi. G. fujikuroi gibt wachstumsfördernde Substanzen ab, die Gibberelline. Die Reiskeimlinge neigen zum Umfallen und bringen geringere Erträge.

Ende der 1950er Jahre sind Gibberelline dann auch aus SamenExtrakten isoliert worden. Damit war gezeigt, dass es auch endogene Faktoren, also Phytohormone sind. 23

GA-Biosynthese-Mutanten sind zwergwüchsig

24 Taiz/Zeiger, Plant Physiology

Das gleiche gilt für Mutanten, die in der Antwort auf GA gestört sind gai: GA-insensitiv

ga1: GA-defizient

rga/ga1: RGA ist ein negativer Regulator von GA-Antworten. Fehlt dieser, kann auch eine GAdefiziente Pflanzen wieder größer werden. -x-=+

25 Taiz/Zeiger, Plant Physiology

GA-Signaltransduktion

GAI und RGA sind zueinander sehr ähnliche regulatorische Proteine mit einer DELLA-Domäne. Ähnliche Proteine sind in Reis und Gerste gefunden worden (z.B. SLR1 in Reis ist wie RGA ein negativer Regulator).

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Auch GA-Signaltransduktion funktioniert über den Abbau von negativen Regulatoren Modell der GASignaltransduktion in Reis: In Abwesenheit von GA inhibiert SLR1 die Transkription von „early genes“. GA-Bindung an den löslichen Rezeptor (GID1) ermöglicht Interaktion mit SLR1. Der resultierende Proteinkomplex rekrutiert einen SCF-Ubiquitin-E3-LigaseKomplex, dessen Aktivität wiederum zur Markierung von SLR1 für den Abbau führt. Die Transkriptionsbremse wird gelöst. 27 Taiz/Zeiger, Plant Physiology

Above-ground parts of barley seedlings of sln1c, WT, and Sln1d 2 weeks after sowing

Mutationen in Repressorproteinen können gegensätzliche Effekte haben: Die sln1c-Mutante (links) zeigt GAAntwort auch ohne GA, da die Repressor-Domäne defekt ist. Die Sln1d-Mutante (rechts) ist GAinsensitiv. Sie trägt eine Mutation im Sln-Repressor, die den proteolytischen Abbau verhindert.

Warum heißt es sln1c und Sln1d?

Chandler, P. M., et al. Plant Physiol. 2002;129:181-190

28 Copyright ©2002 American Society of Plant Biologists

Taiz/Zeiger, Plant Physiology

(A) Der GA-Repressor (GAI/RGA/SLR1/SLN1) reprimiert in Abwesenheit von GA die GAabhängigen Gene. (B) Bei Abbau nach GA-Bindung wird die Bremse gelöst. (C) Ist die regulatorische Domäne defekt, wird der GA-Rezeptor-Komplex nicht gebunden, GA löst keine Antwort aus. (D) Ist die Repressor-Domäne defekt, kann auch ohne GA die GA-Antwort ablaufen. 29

Die Hochleistungssorten der Grünen Revolution sind kleiner

Rht-B1b and Rht-D1b dwarfing genes

woo-gen (right) and dee-geo-woo-gen

Die Zwergwüchsigkeit erhöht die Erträge, da die Pflanzen seltener unter dem 30 Gewicht der (dank der Kunstdüngung) schwereren Körner umknicken.

Die Hochleistungssorten der Grünen Revolution

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Für die Grüne Revolution entscheidende Gene sind in den letzten Jahren in Weizen und Reis isoliert worden.

Einige Rht-Gene (reduced height) des Weizens sind molekular aufgeklärt. Sie kodieren für DELLAProteine.

Rht-B1b and Rht-D1b dwarfing genes

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Für die Grüne Revolution entscheidende Gene sind in den letzten Jahren in Weizen und Reis isoliert worden. dee-geo-woo-gen trägt eine Mutation im sd1 Locus (semidwarf1). Diese Mutation führt zu dem Verlust der Aktivität eines GA-Biosynthese-Proteins (GA20Oxidase). Die sd1-Reispflanzen sind nicht GA-frei, da es 4 Gene für die GA20-Oxidase gibt.

woo-gen (right) and dee-geo-woo-gen

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GA-Biosynthese-Mutanten sind zwergwüchsig

34 Taiz/Zeiger, Plant Physiology

Gibberellin-Wirkungen

Förderung der Internodienstreckung (Zellteilung u. Zellstreckung) Förderung von Samenentwicklung und Samenkeimung Beteiligung an der Blühinduktion Förderung der Fruchtentwicklung

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Samenkeimung: Stärkeabbau Überwiegend hydrolytisch durch αAmylasen und β-Amylasen im Stärkeendosperm während der Keimung von Getreidekörnern.

Der Stärkeabbau im Getreidekorn ist ein klassisches Objekt der Pflanzenphysiologie. 1. Transkriptionelle Aktivierung von αAmylase, 2. Proteolytische Aktivierung von β-Amylase

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Samenkeimung: Durch GA aktivierter Stärkeabbau

2. GA diffundiert in die Aleuronschicht

1. Gibberelline werden im Embryo synthetisiert und durch das Scutellum in das Endosperm abgegeben

3. In Zellen der Aleuronschicht werden Gene für αAmylasen aktiviert

4. Stärke wird abgebaut

5. Die Monomere werden vom Scutellum aufgenommen und zum wachsenden Embryo transportiert

Taiz/Zeiger, Plant Physiology

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GA-Signaltransduktion Samenkeimung 1 und 4: Möglicherweise gibt es zwei Rezeptoren, einen membranständigen und einen löslichen. 2: Der membranständige Rezeptor interagiert mit einem GProtein, das 2 verschiedene Signalwege aktiviert. 3. Der Ca2+-unabhängige Weg führt zur Aktivierung eines Ubiquitin-E3-Ligase-Komplexes. 5: Die Aktivierung des SCF-Komplexes führt zur Markierung eines Repressors für den Abbau. 6: Der Repressor wird proteolytisch abgebaut. 7: Dies erlaubt die Transkription von „early genes“ wie GAMYB. 8 und 9: GAMYB ist ein Transkriptionsfaktor , der αAmylase- und andere Gene aktiviert. 10 und 11: α-Amylase wird am rauen ER synthetisiert und erreicht über den sekretorischen Weg die Plasmamembran. 12: Der Ca2+-abhängige Signalweg muss aktiviert sein für eine Sekretion der α-Amylase. 38 Taiz/Zeiger, Plant Physiology

Ein paar methodische Fragen:

- wie zeigt man eigentlich die Aktivierung eines Gens? - wie unterscheidet man zwischen Ca2+abhängigen und –unabhängigen Prozessen?

39 Taiz/Zeiger, Plant Physiology

Brassinosteroide

Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik, 16.21

Grundstruktur der Brassinosteroide. Brassinolid ist das biologisch aktivste Brassinosteroid. Gelb unterlegt sind die für die Aktivität wichtigen Strukturbestandteile.

WT

det2

dim

Brassinosteroide stimulieren Zellteilung und Zellstreckung. Sie spielen deshalb bei vielen Wachstumsprozessen eine Rolle. Die Förderung der Zellstreckung erfolgt synergistisch mit Auxin. 40

Buchanan, Gruissem, Jones, Biochemistry and Molecular Biology of Plants, 17.60

Sterole sind Membranbestandteile pflanzlicher Zellen. Gehalt: 1-3 mg/g Trockengewicht

Brassinosteroide stellen nur einen sehr kleinen Anteil dieser Sterole: zwischen 100 fg/g TG in jungen Sprossen bis zu 100 ng/g TG in Pollen.

Wie wirken Steroidhormone beim Menschen?

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Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik, 16.25

1. Brassinolid wird vom Rezeptor BRI1 perzipiert. Dies führt zur Aggregation mit BAK1. 2. Vermittelt über weitere Proteine werden die Kinase BIN2 und die Phosphatase BSU1 so beeinflusst, dass die regulatorischen Proteine BES1 und BRZ1 DNA binden können, BL-Synthese abschalten und 42 BL-Antwortgene anschalten.

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

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Postembryonale Entwicklung: Wachstum, Ausbildung von Geweben, Organen (Gestalt)

Gestalt ist das Ergebnis verschiedener regulierter und koordinierter Prozesse:

Zellteilung Aktivität Orientierung Zellwachstum/Zellstreckung Zelldifferenzierung

Fast alle Zellen einer Pflanze stammen vom Wurzel- oder vom Sproßmeristem ab.

45 Taiz/Zeiger, Plant Physiology

Postembryonale Entwicklung: Wachstum, Ausbildung von Geweben, Organen (Gestalt)

Gestalt ist das Ergebnis verschiedener regulierter und koordinierter Prozesse:

Zellteilung Aktivität Orientierung Zellwachstum/Zellstreckung Zelldifferenzierung

Fast alle Zellen einer Pflanze stammen vom Wurzel- oder vom Sproßmeristem ab.

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Wurzelzonen zurCampbell, Erinnerung Biologie (35.14)

Die Metamorphose der Pflanzen „Die Metamorphose der Pflanzen macht uns auf ein doppelt Gesetz aufmerksam 1. Auf das Gesetz der inneren Natur, wodurch die Pflanzen konstitutiert werden 2. Auf das Gesetz der äußeren Umstände, wodurch die Pflanzen modifiziert werden“

(1749 -1832)

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Zellteilung ist beschränkt auf die Meristeme Sprossapikalmeristem (SAM), Wurzelapikalmeristem (RAM) Sekundärmeristeme (Seitensprosse, Seitenwurzeln) Lateralmeristeme (Kambien für das sekundäre Dickenwachstum)

48 Weiler/Nover, Allgemeine und molekulare Botanik

Zellteilung ist beschränkt auf die Meristeme Aufgabe von Meristemen: 1. Selbsterhaltung: Stammzellen (Initialen) 2. Initiierung der Organbildung

Die zentrale undifferenzierte Zone muss erhalten bleiben, doch gleichzeitig Zellen abgeben für die Organausbildung. Einige der durch Teilung entstehenden Zellen müssen also Stammzellen bleiben, andere durchlaufen Differenzierung.

49 Buchanan, Gruissem, Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants