Vorlesung SoSe 2016 “Zellbiologie und Physiologie der Pflanzen”

Prof. Dr. I Finkemeier Prof. Dr. A. von Schaewen Prof. Dr. J. Kudla

02.05.2016 „Und sie bewegen sich doch…“

Pflanzliche Bewegungen Tropismen – Wachstumsbewegungen Nastien

– osmotische Bewegungen

Taxien

– freie Ortsbewegungen (begeißelte Einzeller)

Reaktion: chemotaktisch positiv Alge negativ

Stoffgradient

Entwicklung von frei beweglichen und festsitzenden Vielzellern…

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Exkurs: Die Endosymbionten-Theorie

Welche Faktoren favorisieren Endosymbiosen? The hydrogen hypothesis for the first eukaryote

H2

Martin W, Müller M (1998) Nature, 392: 37-41. A model for the origin of mitochondria and hydrogenosomes that directly accounts for their common ancestry. It differs from classical formulations of the endosymbiont hypothesis primarily in the premises that first, the host of mitochondrial symbiosis was not a fermenting heterotroph but rather an autotrophic Archaebacterium that strictly depended upon molecular hydrogen (H2) for survival (as many contemporary autotrophs do) and that, second, the symbiont was the common ancestor of mitochondria and hydrogenosomes and was a facultatively anaerobic α-proteobacterium that gratuitously supplied molecular hydrogen to the host as a waste product of its (own) metabolism. A hypothetical symbiosis between these two cells is sketched involving gene transfer from symbiont to host that derives a single, bipartite, heterotrophic cell that possesses an archaebacterial genetic apparatus, a eubacterial glycolytic pathway, and a facultatively anaerobic, symbiotically-derived organelle in its cytosol.

Further reading (Reviews) Tracing the Thread of Plastid Diversity through the Tapestry of Life C. F. Delwiche, The American Naturalist 1999 Mergers and acquisitions: Malaria and the great chloroplast heist G. I. McFadden, Genome Biology 2000 One, two, three: Nature´s toolbox for building plastids B. Stoebe, U.-G. Maier, Protoplasma 2002

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Maximize surface area (to improve H2 uptake)

Metabolische Abhängigkeit als treibende Kraft Anaerobic co-existence (as requirement)

α-Proteo- with Archae-bacterium

H2

Gene transfer Need to feed the partner (before complete enclosure)

Independence (of geological H2 source)

(Mitochondrium)

⇒ Eukaryotic cell

H2

Vorteil: Kann alle heute existierenden Formen erklären (aber NICHT schlüssig die Herkunft von Peroxisomen!)

Tropismen Pflanzliche Tropismen sind echte Wachstumsbewegungen. Sie beruhen auf Zellstreckung (in bestimmten Zonen), die durch das Phytohormon Auxin vermittelt wird. Dabei wird die Richtung durch den auslösenden Reiz bestimmt (⇒ gerichtete Bewegung).

Tropismen können u.a. ausgelöst werden durch: • Licht (Phototropismus) • Schwerkraft (Gravitrotropismus) • Taktile Reize (Thigmotropismus) z.B. Rankenbewegung

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Basipetaler Auxin-Transport Polarer Auxin-Transport

= IAA Experiment zum Nachweis des gerichteten Auxin-Transports

polare Anordnung der AuxinCarrier (bedingt durch Cytoskelett/Zellwand-Kontakte)

Vorlesung 2016 Abb. aus Taiz/Zeiger, Physiologie der Pflanzen, Spektrum-Verlag

Die Richtung des IAA-Transports in ParenchymSträngen wird durch die polare Anordnung von Influx- und Efflux-Carriern bestimmt. Sie kann durch richtende Signale verändert werden (z.B. Blaulicht, Gravitation, oder taktile Reize).

Phototropismus und Auxin-Querverschiebung Bei dem durch Blaulicht-induzierten Phototropismus von Koleoptilen (hier Mais) kommt es zur Auxin-Querverschiebung in den Streckungszonen des Sprosses. MERKE: Die basipetal transportierte Auxin-Menge ist nicht verändert (vgl. Experiment auf der rechten Seite). Eine Querverschiebung von Auxin in die Lichtabgewandte Seite löst Zellstreckung auf der Schattenseite aus (sub-optimale Auxin-Konzentrationen im Spross), so dass die Koleoptile zum Licht hinwächst. Blaulicht-Rezeptoren (NPH/Phot)

Einseitige Bestrahlung

Dunkel

(phosphorylierte Proteine)

P P P P P P P P P P

NPH = non-phototropic hypocotyl (nach Arabidopsis-Mutante benannt )

[25,8]

Auxin Konz.

mit Septum (keine Querverschiebung)

[11,5] [11,3]

[25,8]

Spitze frei (Auxin-Querverschiebung)

relative Auxin Konz.

[8,1] [15,4]

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Zur Erinnerung: Blaulicht-Rezeptoren = Cryptochrome (CRY, NPH, Phot) Struktur: Proteine mit je 2 Chromophoren

Pterin/Flavin

FAD

MTHF

e-

ET

RedoxPartner?

FAD

Bakterielle Photolyasen

ET = Elektronentransport

Arabidopsis CRY SignalDomänen

Arabidopsis Nph1/Phot2

FMN

Kinase

FMN Ser-P

Cys-S

bis zu 8x C14 Fettsäure (Myristoylgruppe) C16 Fettsäure (Palmitoylgruppe)

Vorlesung 2016

ATP

N-Myristoylierung (an Glycin in Pos. 2, nach Prozessieren des ersten Met) vermittelt schwache, reversible Interaktionen mit Membranen (und anderen Proteinen). Über Myristoylierung lässt sich der Transport und die Lokalisation von Proteinen steuern. Bei Pflanzen spielt Myristoylierung eine wichtige Rolle bei der Signal-Transduktion (als Reaktion auf äußere Stimuli & Sress).

Phototropismus

Wirkungsspektrum für die phototrope Reaktion des Lucerne-Hypokotyls (UV-A und Blaulicht)

durch Blaulicht vermittelte Wachstumsänderung von OrganFlanken in Streckungszonen von Spross und Wurzel (positiv/negativ).

Phy

UV-B

UV-A

blau

Hypocotyl

Phytochrom kann die phototrope Reaktionsfähigkeit erhöhen, ohne selbst phototrop wirksam zu sein! Der wachsende Spross reagiert i. d. R. positiv, die Wurzel (wenn überhaupt) negativ phototrop. Daneben gibt es den Dia-Phototropismus, d.h. Blätter orientieren sich quer zum Licht - bei extremer Strahlung u.U. sogar senkrecht (in Lichtachse).

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Auxin-induzierte Zellstreckung 1.

Aktivierung von H+-ATPasen

Ansäuerung der Zellwand

2.

Aktivierung von Expansin

Lockerung der Zellwand

3.

Neusynthese von Zellwandmaterial

Phototropismus

Auxin aktiviert Signalkaskaden „frühe“ (innerhalb Minuten) und „späte“ (im Stundenbereich) Antworten. Die Promotorbereiche Auxin-induzierter Gene enthalten sogen. “auxin responsive elements“ (ARE) und sind reprimiert (ARF via AUX/IAA). Extrazellulär bindet Auxin (an ABP1) wodurch nach Andocken an TMK-Rezeptoren in der PM sehr schnell messbare Reaktionen erfolgen (z.B. Aktivierung von H+-ATPasen in der PM). Bei intrazellulärer Akkumulation bindet Auxin an TIR1, ein Auxin-Bindeprotein des cytosolischen E3/SCF (F-box)-Komplexes. Dies führt zur Ubiquitinierung von Aux/IAA-Repressoren (induzierter Abbau) und Transkription Auxininduzierter Gene wie MHA2 (eine H+-ATPase) und ZMK1 (ein K+-Kanal an der PM). Weitere Auxin-induzierte Gene kodieren für Proteine, die zur Manifestation der Auxin-Antwort beitragen (z.B. Enzyme, die zur Neusynthese von Zellwandmaterial benötigt werden).

„auxin responsive element“ (ARE)

ARF

ARF

(auxin response factor)

Aux/ IAA

ARF

ARF

Aux/ IAA

Vorlesung 2016 Abb. verändert nach Taiz/Zeiger, Physiologie der Pflanzen, Spektrum-Verlag

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Auxin-abhängige Prozesse an der PM und in der Zelle Abfall pHout (Expansine ↑) Wandlockerung Zell-Elongation

„späte“ Auxin-Antworten (h) IAA

CBP1

H+

ABP1

Apoplast

K+ K+ K+

-KDEL

IAA

GPI

docking TMK1-4

PM Cytosol

?!

ATP ase

Zmk1

(+)

Zmk1

Zmk1

IAA

„frühe“ Auxin-Antworten (min)

Transport zur PM

TIR1 Aux/IAA -Ubi

Translation am ER

TIR = auxin transport inhibitor resistant

(Export aus Nukleus) Aux/IAA

DNA

H+-ATPase (MHA2)

Aux/IAA

ARF

ARF

AuxRE

AuxRE

Transkription K+-Kanal (ZMK1)

Abb. verändert nach Christian et al. (2006). „How does Auxin enhance cell elongation? Roles of Auxin-binding proteins and potassium channels in growth control“. Plant Biol. 8: 346-352.

Energieabhängige Markierung mit Ubiquitin (ATP→AMP + 2 Pi und Thioester-Bindung von E1 (E2)

Ubiquitin markiert Proteine für den Abbau

ThioesterTransfer

Phot3/ Nph3

Assoziation mit E3 (ubiquitinierender ProteinKomplex)

Ubiquitin-markierte Proteine werden in Proteasomen degradiert (im Cytosol)

MG-132

Proteolyse in Vorlesung 2016

Proteasomen

Abb. aus Buchanan et al. „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“, American Society of Plant Physiologists

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ANALOG: PIF4-vermittelte Schattenvermeidung hellrotes Licht überwiegt ⇒ Pfr-Form von PhyB im Zellkern

dunkelrotes Licht überwiegt ⇒ Pr-Form von PhyB bleibt im Cytosol

Fig. 2. In white light (high R:FR), PIF4-mediated transcriptional activation is inhibited. Part of the PIF4 protein pool is sequestered in inactive complexes with DELLA proteins, whereas another part is bound by the FR absorbing active PhyB (Pfr B), which leads to the degradation of PIF4 via the ubiquitin–proteasome pathway. In FR light-enriched environments, e.g. due to canopy shade, Pfr B is converted to its R-absorbing inactive form (Pr B), which abolishes its ability to bind PIF4. Thus, PIF4 can accumulate, allowing transcription of shade-induced genes. In addition, gibberellic acid (GA) levels increase in response to shade, which leads to the degradation of DELLA proteins, releasing an additional pool of PIF4 protein. In prolonged shade, HFR1 accumulates and forms heterodimers with PIF4 that do not bind to DNA any more, thus preventing an exaggerated response.

Stamm & Kumar (2010) The phytohormone signal network regulating elongation growth during shade avoidance. J. Exp. Bot. 61: 2889-2903.

Gravitropismus und Statolithen-Hypothese Maiswurzeln werden auf die Seite gelegt. Nach 90 min ist eine Krümmung in Richtung des Erdmittelpunktes zu sehen. Diese Bewegung heißt aber nicht Geo-, sondern Gravitropismus. Modifizierte Plastiden (Statolithen) in speziellen Zellen (Statocyten) der Wurzelhaube lagern sich am basalen Ende der Zellen ab. Dies führt zu einer Umleitung des Auxin-Stroms in der Wurzelspitze und damit zu ungleichem Streckungswachstum der Wurzelflanken. Im Spross wird die Schwerkraft ebenfalls perzipiert! (z.B. in spez. Stärke-Scheiden der Rinde)

g

t = 0 min Mais-Wurzel t = 90 min

Vorlesung 2016 Abb. aus Campbell, „Biologie“, Spektrum-Verlag

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Modellvorstellung zur Auxin-Umverteilung in der Wurzelspitze bei der gravitropen Reaktion In der Wurzel wirkt eine Erhöhung der Auxin-Konzentration supra-optimal, d.h. hemmend auf die Zellstreckung, und zwar in der dem Erdmittelpunkt zugewandten Flanke (wahrscheinlich durch Ethylen-Bildung).

Statolithen-Hypothese: Schwerkraftwahrnehmung erfolgt u.a. durch einseitige Belastung des Cytoskeletts und wird durch Stärke-haltige Amyloplasten (und andere Organellen, wie das ER) vermittelt, die am Aktin-Cytoskelett verankert sind. Schwerkraftwahrnehmung kann daher auch in Zellen ohne spezielle Statolithen erfolgen! Wahrscheinlich öffnen Ca2+-Kanäle in der Plasmamembran über Zugkräfte am Cytoskelett (vermittelt durch Masse-reiche Organellen). Dadurch erhöht sich die intrazelluläre Ca2+Konzentration auf der apikalen Seite (Ca2+ signaling: „PM central control“-Modell). Schwerkraftwahrnehmung führt zu einer Verschiebung der Auxin-Konzentration im Gewebe ⇒ gravitrope Reaktion, via Stimulation oder Hemmung der ZellStreckung - je nach Lage des Auxin-Optimums im jeweiligen Gewebe. MERKE: In Spross und Wurzel verschieden! Vorlesung 2016 Abb. aus Taiz/Zeiger, Physiologie der Pflanzen, Spektrum-Verlag

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Cytoskelett-gesteuerter Calzium-Kanal

„Transdukon“ oder „Signalosom“ Voraussetzung: Aktin-Filament Verankerung!

Ziehen bzw. Erschlaffen

Ein Proteinkomplex an der PM ist mit dem Cytoskelett (Aktin) verankert und dient so der Signalperzeption und -weiterleitung

Vorlesung 2016 Abb. aus Buchanan et al. „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“, American Society of Plant Physiologists

Nastien – Bewegungsrichtung ist anatomisch vorgegeben Pflanzenbewegungen, bei denen die Richtung des auslösenden Reizes keinen Einfluss auf die Bewegungsrichtung hat: „Alles-oder-Nichts“-Reaktionen bei Überschreiten eines Schwellenwerts), sind vollständig reversibel und werden durch schnelle Turgor-Änderungen ausgelöst: - Turgor-Erhöhung durch aktive K+-Aufnahme (K+-Pumpen!) - Erschlaffung durch Öffnen von K+-Kanälen. Beispiele: • Spaltöffnungsbewegung • seismonastische Blattbewegung (von Mimosen bei Berührung, Erschütterung) • circadiane (Tages-rhythmische) „Schlafbewegung“ von Blättern

Vorlesung 2016 Abb. aus Campbell, Biologie, Spektrum-Verlag

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Spaltöffnungsbewegungen als nastische Zellbewegungen Zelle turgeszent, Stoma geöffnet

Zelle erschlafft, Stoma geschlossen

Die Öffnung von Stomata erfolgt durch osmotische Druckerhöhung (d. h. aktive K+-Aufnahme über Kaliumpumpen (aktiv), z.B. bei niedrigem pCO2 in den Atemhöhlen des Blattes).

Schließen (Erschlaffen) durch Öffnen von Kaliumkanälen, z. B. bei Wasserstress der Wurzel (nach ABA-Ausschüttung). Die Teilchenkonzentration in den Nebenzellen steigt an (⇒ Osmose) Wasser strömt passiv nach, so dass der Turgordruck in den Schließzellen sinkt (Öffnen).

Verteilung von K+ (= rote Punkte) beim Schließen der Stomata

Schnelle Turgor-Bewegungen werden durch „osmotische Motoren“ ausgelöst, (Ca2+-induziertes Öffnen von Ionenkanälen ⇒ „Erschlaffen“). Beispiele: • Schließen der Stomata • seismonastische Bewegung der Mimose

Turgorerhöhung Turgor-Erhöhung

Die Reizweiterleitung erfolgt durch „Aktionspotentiale“ (entlang der PM) zu osmotisch aktiven Gelenkzellen.

Vorlesung 2016

Turgor-Erniedrigung

Abb. aus Buchanan et al. „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“, Am. Society of Plant Physiologists.

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Aktivierung von Spannungs-kontrollierten Ca2+-Kanälen Zug-regulierter Ca2+-Kanal

Spannungsregulierter (V) Ca2+-Kanal

Blaulicht, Berührung, etc.

Aktin

Extrazelluläre Wahrnehmung führt zu intrazellulären Verrechnungen

Vorlesung 2016 Abb. aus Buchanan et al. „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“, Am. Society of Plant Physiologists.

Mechanoperzeption

Cellulose-Mikrofibrillen haben über (Rosettenkomplexe) und transmembrane Rezeptoren Kontakt zu kortikalen Mikrotubuli auf der Membran-Innenseite.

⇒ Verformung der Zellwand löst eine Reaktion des Cytoskeletts aus! Vorlesung 2016 Abb. aus Buchanan et al. „Biochemistry & Molecular Biology of Plants“, Am. Society of Plant Physiologists.

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Refraktärzeit

Touch- or wind-induced reactions Figure 2. Mechanical stimulation induces ion fluxes in plants. (a) Mechanical stimulation, provided by directing a stream of air onto the aerial parts of a plant expressing the Ca2+-dependent luminescent protein aequorin, revealed that mechanical signals lead to rapid and transient increases in cytosolic Ca2+. Cold shock (0°C) was used as a control stimulus also known to elicit large scale increases in cytosolic Ca2+ in plants. (b) Repeated mechanical stimulation leads to attenuation of subsequent Ca2+ responses, suggesting either downregulation of the mechanosensor upon repeated stimulation, or exhaustion of the store of Ca2+ being released to increase cytosolic ion levels. The recovery after a period of no stimulation could represent refilling of the discharged Ca2+ stores or resensitization of the mechanoreceptor system. (c) Model of possible plasma membrane signaling events upon mechanical stimulation drawn from events seen during turgor-driven root-hair and pollen-tube elongation. Membrane tension leads to opening of a Ca2+-permeable channel. A cytosolic Ca2+ increase then activates a proton transporter leading to cytosolic acidification and cell-wall alkalinization. Simultaneously, at least in root hairs, the NADPH oxidase RBOH C is activated through its Ca2+-binding EF hand motifs leading to ROS production in the cell wall. Wall ROS might then leak back to the cytoplasm. Cytosolic ROS, pH decrease and Ca2+ increase are all known to elicit signaling events. Similarly, elevated wall pH and ROS are known to rigidify the wall matrix (pectin). ⇒ opposite of auxin, antagonist = ethylene! Thus, this Ca2+-dependent system can directly modulate growth, through altering wall properties, and can elicit the cytoplasmic signaling cascades known to be linked to mechanical response.

Review: Monshausen & Gilroy (2009) „Feeling green: Mechanosensing in Plants“, Trends in Cell Biology 19: 228-235.

Mechanoperzeption (aktuelles Modell) Membran Zug

Wand-Status

Figure 4. Action of possible mechanoresponsive elements. Plant mechanosensors probably fall into two broad classes: those activated by tension in the membrane, as exemplified by the MSL family of Cl- permeable channels, and those monitoring wall status and/or sheer between the wall and the plasma membrane. SAC represents the stretch-activated Ca2+-permeable conductance identified through electrophysiology but yet to be cloned. AtHK1 operates in an osmosensing pathway that potentially functions through a phospho-relay cascade that uses the antagonistic response regulators ARR3/4 and ARR8/9. The Receptor-like Kinases (RLKs) such as wall-associated kinases (WAK), Theseus (THE1, senses inhibition of Cellulose biosynthesis) and the lectin domaincontaining RLK provide models for how a wall sensor might operate. They are likely to elicit protein kinase-dependent signals that could relay mechanical information directly to mechano-responsive gene expression for example, or interact with the Ca2+-dependent signaling cascade that, to date, remains the best characterized mechanically induced signal transduction event in plants.

Review: Monshausen & Gilroy (2009) „Feeling green: Mechanosensing in Plants“, Trends in Cell Biology 19: 228-235.

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Berührung und andere mechanische Reize können Änderungen des Streckungswachstums auslösen Wuchshemmung durch EthylenFreisetzung nach Berührung

Beispiele: •

Rankenbewegung

•

Kurzwüchsigkeit

Neben reinem Wachstum werden auch andere Entwicklungsprozesse durch mechanische Reize ausgelöst (z.B. Holzbildung im Stängel durch Druck- oder Windbelastung). Auch Berührungsreize werden durch Calzium-Signale übertragen (z.B. Öffnen Spannungs-regulierter Ca2+-Kanäle nach mechanischer Verformung). Also – Pflanzen besser nicht streicheln !

Zusammenfassung Bewegungen bei Pflanzen Tropismen

Reaktionen zum Reiz hin (gerichtete Wachstumsbewegungen)

Nastien

„Alles-oder-Nichts“-Reaktionen (ungerichtete Turgorbewegungen)

Taxien

Orientierung entlang eines Stoffgradienten (bei frei schwimmenden Organismen)

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