wachstumsinhibierende Phytohormone (Übersicht)

Ethylene fruit ripeningsenecenceleaf abscission

HC

H HH

C

Abscisic acid stomatal closuredormancydesiccation tolerancecold tolerance O

COOHOH

Jasmonic acid pathogen responsewound responsetendril coiling

O

COOH

Salicylic acid thermogenesispathogen response

OH

COOH

wachstumsinhibierende Phytohormone

Ethylen

HC

H HH

C

Gas (Abbau von Methionin)

vorwiegendeBildungsorte:

reifende Früchte

verschiedene Pflanzenteilebei Überversorgung mit Auxinoder Cytokinin

Transport unpolare Diffusionauch Interzellularen (Gasphase)

Fruchtreifung

fördernde Wirkung

never ripe

Wildtyp

Tomatenmutante Nr “never ripe”ist Ethylen-insensitiv

Inhibierung der Ethylenbildung durch Silberthiosulfatunterdrückt das Welken von Nelken

inhibiert Zellstreckung

Dunkelkeimung von Samen:Etiolierung (Vergeilung) unterdrückt

Seneszenz

Dunkelkeimung von Samender Tomate (Nr u. wt) +/- Ethylen

Blattfall

Biosynthese

CH2- CH2- CH-COOHNH2

CH3-S- -

Methionin S-Adenosyl-Methionin

+CH2- CH2- CH-COOHNH2

CH3-S- -

AdenosinATP

PP + Pi

SAM-Synthetase

H2CC-COOH

H2C NH2-

Aminocyclopropan-carboxylat (ACC)

Methyl-S-AdenosinACC-Synthase

CH2= CH2

Ethylen

(HCN + CO2 + H2O)ACC-Oxidase½ O2

Cyanidentgiftung

trans-aminase

Inhibitoren

AVG

AIB, Co2+

Ag+ , MethylcoclopropenRezeptor

Step 7. Place bucket into truck.Rapidly close truck door

Without EthylBloc® With EthylBloc®

Treated for 4 hours at room temperature with EthylBloc®and then overnight with an average of 1 ppm ethylene.

(Comparable to ethylene level at a supermarket.)

Blockierung von Ethylenrezeptoren durch 1-Methylcyclopropen:kommerzielle Anwendung

Ethylenantwort von etiolierten Dikotylkeimlingen

“dreifache Antwort” (triple response)

- verkürzte Wurzel

- Krümmung des Hypocotylhakens

- gestauchtes Hypokotyl (verkürzt und verdickt)

Hypokotylhaken von im Dunkeln gezogenen Arabidopsiskeimlingen: A+C: Wildtyp B+D: Ethylen-insensitive Mutante

+ Ethylen

- Ethylen

ETR1-Mutante von Arabidopsis zeigt keine Ethylen-Dreifachantwort

Ethylen-insensitive Mutante

Analyse der Signalwandlung

Kendrick und Chang, 2008,

Current Opinion Plant Biology, 5, 479)

ETR1 Locus durch Punktmutagenese erzeugt u. durch positionelle Genklonierung identifiziert

Mutantenerzeugung z.B. von Arabidopsis durch Mutagensbehandlung (z.B. Ethylmethansulfonsäure führt zu Transitionen: G nach A, C nach T)

A)

Isolation der gewünschten Mutanten durch spezifisches Screening(Fehlen der Dreifachantwort)

B)

Genisolation durch Lokalisierung (Positonsbestimmung) des Gendefektesauf dem Genom durch Segregationsanalysen und anschliessender Mutanten-komplementation mittels Gentransfer

C)

ETR1

5 verschied. Ethylenrezeptoren in Arabidopsis: 2-Komponentensystem-Typ(ETR2, ERS1, ERS2, EIN4)

Unterschiede in Kinase- und Transducerdomäne

ER-Membran lokalisiert

Mutationen an der Ethylen-Bindungsstelle führt zur genetisch dominanten Ethyleninsensitivität

Positiver oder negativer Regulator der Ethylen-Antwort?

Experimenteller Beweis?

CTR1 Protein ist homolog zur Mitogen-aktivierten-Proteinkinase-Kinase-Kinase (MAPKKK)

ctr1-Mutante von Arabidopsis zeigt eine konstitutive (permanente) Ethylen-Dreifachantwort (T-DNA erzeugte Mutante)

Signale

MAPKKK (Raf)

MAPKK

Transkription

MitogeneAntwort

MAPK

RasPKC

Tier, Mensch

PLC

DAG

CTR1

EIN2

Transkription

Wachstum, Seneszenz

Pflanze

Ethylen

ETR1, ERS, EIN4(inaktiviert Histidinkinase)

EIN3 (ethylen-insensitive) ist ein Transkriptionsregulator und EREBP (ethylene-response-element-binding protein) ein Transkriptionsfaktor,der an ein Ethylen-spezifisches cis-DNA-Element (ERE) bindet und die Transkriptiondadurch aktiviert

ERETR1

“Stresshormon” Sesquiterpen (alternativer Mevalonatweg)

vorwiegendeBildungsorte:

Abscisic acid

OCOOH

OH

reifende Samen

verschiedene Pflanzenteilebei Stresssituationen (v.a. Wassermangel)

Transport Wurzel zum Spross (Xylem)unpolare Diffusion

Ruhezustand

fördernde Wirkung

induziert Dormanz der Samen und Knospen- Gegenspieler zu GA -

Fruchtfallförderung (über Ethylen)

Adaptionen bei Wassermangel

Stomataschluss

Trockentoleranz (spezif. Genexpression von Schutzproteinen)

Kältetoleranz (spezif. Genexpression von Schutzproteinen)

Watering

24 h

Desiccation

ABA

The resurrection plant Myrothamnus from Namibia

Cell cycle Gene expression Turgor

OCOOH

OH ABAInhibitor des Wachstums

Antagonist von GA, Cytokinin, Auxininhibiert u.a. Cyclin-cdk-Komplex

Biosynthese von ABA

Carotinoid Neoxanthinbzw. Violaxanthin(C40 Xanthophyll)

Neoxanthindioxygenase(NCED) spaltet in C15 Xanthoxinund C25 Molekülim Chloroplast

Oxidation von Xanthoxinüber ABA-Aldehydzu Abscisinsäure im Cytosol

zeaxanthin

antheraxanthin

all-trans-violaxanthin

9-cis-violaxanthin

xanthoxin

abscisic aldehyde

ABA

all-trans-neoxanthin

9´-cis-neoxanthin

ABA1 VDE

ABA2

AAO

NCED

VDEABA1

OH

HO

C25 epoxy apocarotenal C25 allenic apocarotenal

HO O CHO

O OH CHO

O OH COOH

HO O

O

OH

HO

O

HO O

OHO

HO O

HOOH

HO O

HO

OH

Christmann et al 2003

npr

In-vivo Genregulation

ABA-regulierteLuciferase Expression

ArabidopsisKeimling30 μM ABA (24 h)

Glühwürmchen-LeuchtgenPflanzen-Genregulator

ABA

Protein + Substrat

Lichtemission

signal x2

Root of Arabidopsis seedling sensing water deficiency and relayingABA hormone signal

along the vascular veins into the leaves (live image)

control

watershortage

vascularveins

cotyledon

stomates

Christmann et al. 2005

control

6 h

4 h

10 h

2 h

ABA-Signaling triggered by root-sensed water stress

1 mm

ABA-Antwort

“ABA-dreifach Antwort”

- Stomataschluss

- Wachstumsstopp

- Inhibierung der Samenkeimung

Analyse der Signalwandlung Schliesszellen von Commelina communis

ohne ABA 10 μM ABA

Mutantensuche nachABA-insensitiven Arabidopsis-Keimlingen

10 μM ABA

wt

wt

abi1 Mutante von Arabidopsis Ist ABA-insensitive

Stoma von abi1Blatt unter Wasserstress

5 μM

Stoma von WildtypBlatt unter Wasserstress

Structure of ABI1 and ABI2

ABI1

ABI2

abi1

EF-hand - like

protein phosphatase 2CN-terminaldomain

1 93 105 434Gly Asp

1 90 423

Gly Aspabi2

putativeNLS

human PP2C α

Protein phosphatases 2C

strict Mg2+-dependence

dephosphorylate P-Ser,P-Thr and P-His

no heteromeric complexes

no inhibitors

Tertiary Structure of human Protein Phosphatase 2C

catalyticsite channel

C-terminaldomain

Das et al. 1996

ABI1

ABA

RCAR12

Trp300

ABATrp300

O

-RS transABACOOH

OH

COOH

-R ABA

O

OH

COOH

-S ABA

O

OH

Bet V 1a RCAR1

Ma et al. (2009) Science 324, 1064Park et al. (2009) Science 324, 1068Miyazono et al. (2009) Nature 462, 609

OST1SnRK2s

ABA

ABI5ABFs

mRNA

c/tACGTggcGC-rich

ABI4AP2s

ABI3

CE ABRE

Nucleus ABI1PP2Cs RCAR

Ca2+

CPK4CPK11

B

Anions

OST1

ABA

CytosolABI1PP2Cs RCAR

Apoplast

KAT1

K+

Ca 2+

SLAC1

Ca2+

CPK

A Rezeptor-phosphatase

Protein-kinase

Transkrip-tionsfakto-ren bzw. Ionenkanäle