RASTLINSKI RASTNI HORMONI

Univerza v Ljubljani

Biotehniška fakulteta

Oddelek za agronomijo

Agronomija - UNI

rastlinski rastni regulatorji (= rastlinski hormoni) so

najpomembnejši notranji dejavniki, ki uravnavajo rast

in razvoj rastline

Agronomija - UNI

Definicija rastlinskih hormonov

hormoni so organske molekule, ki so udeleţene pri regulaciji

rasti in razvoja

v rastlini jih zasledimo v majhnih koncentracijah

sintetizirajo se v določenih delih rastline, njihov fiziološki

učinek pa se, potem, ko se transportirajo, izraţa v drugih

tkivih

učinek je lahko stimulacija ali zaviranje določenih procesov

(+ ali -)

ne sluţijo kot hranila

odgovor tarčnega tkiva na prisotnost hormona, je odvisen od

njegove občutljivosti, t.j. razpoloţljivosti receptorskih molekul

na membranah celic v tarčnem tkivu

Rastlinski rastni hormoni so zunajcelični signali, ki jih lahko celica prepozna s

pomočjo posebnih receptorjev, ki so nameščeni na celični membrani

(plazmalemi) ali, potem ko se hormon prenese v celico, s pomočjo

znotrajcelilčnih receptorjev, ki so nameščeni v citoplazmi ali v jedru.

Tarčna celica zaznava hormone s pomočjo receptorjev

znotrajcelični receptor

receptor na

plazmalemi

celična stena

plazmalema

hormon hormon

Skupine rastlinskih rastnih hormonov

avksini

citokinini

giberelini

abscizinska kislina

etilen

jasmonati

brasinolidi

salicilna kislina

sistemin

hormonom podobne

spojine

AVKSIN (indolocetna kislina)

CITOKININ (zeatin)

salicilna kislina

ETILEN GIBERELIN (GA1)

jasmonska kislina

brasinosteroid

poliamin

ABSCIZINSKA KISLINA

AVKSINI

Agronomija - UNI

Odkritje avksinov

proučevanje fototropizma - koleoptila trav se ukrivi proti viru

svetlobe

C.Darwin, F. Darwin (1880):

svetlobo zaznava vršiček koleoptile, rastna cona koleoptile je

nekaj mm pod vršičkom obstajati mora, siganal, ki se pod

vplivom svetlobe tvori v vršičku in prenese do rastne cone, kjer

povzroči hitrjšo rast na neosvetljenem delu koleoptile

Boysen-Jensen (1913): poskusi z omejevanjem transporta iz

vršička

Paál (1919): poskusi z dekapitirano koleoptilo

F. Went (1926): poskusi z agarnimi bloki

Agronomija - UNI

= prvi list

= koleoptila

Agronomija - UNI

4 dni stara

sejanka ovsa

koleoptila

seme

korenine

pri intaktni

sejanki pride

do krivljenja

če odstranimo

vršiček koleoptile,

krivljenja ni

če je vršiček

koleoptile zastrt,

krivljenja ni

svetloba

Rastni stimulus se

sintetizira v vršičku

koleoptile in vpliva na

rastno cono.

Agronomija - UNI

košček sljude na

neosvetljeni

strani, krivljenja ni

košček sljude

naosvetljeni

strani, krivljenje je

Ţelatina ne omejuje transporta

rastnega stimulusa iz vršička

koleoptile, krivljenje je moţno.

Rastn

i stim

ulu

s je

difuzib

ilen.

Če odtrsnimo vršiček koleptile in ga poloţimo nazaj na

odrezano koleptilo tako, da je nameščen samo na eno

stran, pride do krivljenja koleoptile ne da bi jo izpostavili

usmerjeni svetlobi.

Rastn

i stim

ulu

s je

kem

ijska s

nov.

Vršički koleoptile

poloţeni na

ţelatino

Po določenem času

vršičke odstranimo,

ţelatino nareţemo na

bloke

Bloke poloţimo stransko na odrezane

koleoptile, te se krivijo v temi, merimo

kot ukrivljenja

Število vršičkov, ki so bili

inkubirani na posameznem

ţelatinoznem bloku.

Ko

t u

kri

vlje

nja

(°)

Ko

t u

kri

vlje

nja

(°)

Indol-ocetna kislina (IAA;

avskin v ţelatinoznem bloku

(mg L-1)

Indolocetna kislina - IAA

Indolocetna kislina (IAA) je najbolj razširjen in fiziološko

najpomembnejši avksin v rastlinskem svetu.

Kemijska narava avksinov je bila

odkrita v sredini tridesetih let

20. stoletja

- odkritje drugih avksinov

- sinteza avskinskih analogov

Agronomija - UNI

indolmaslena kislina (IBA) 4-kloroindolocetna kislina

fenilocetna kislina 2,4-diklorfenoksiocetna

kislina (2,4-D)

naftalenocetna kislina

Agronomija - UNI

Avksini

Analiza avksinov v rastlinskem tkivu

biotest: ukrivljenje koleoptile ovsa (Avena sativa) - večja koncentracija avksina, močnejša ukrivljenost (0.02 -0.2 mg L-1)

radiološki imuno test (RIA) (10-9 g) protitelesa, ki prepoznajo IAA, radioaktivna IAA

ELISA (enzyme linked immunosorbent assay) - avksin je konjugiran na encim

kromatografske metode, tankoplastna, HPLC in plinska (GC) kromatografija + masna spektrometrija (10-12 g)

Agronomija - UNI

ELISA – enzyme-linked immunosorbent assay

Pri ELISI vzorec (rdeče kroţci) veţemo na posebno ploščico. Dodamo

specifična protitelesa (oranţna), ki se veţejo z molekulami, katerih

koncentracije ţelimo izmeriti. Ta protitelesa so primarna. Na njih veţemo

sekundarna protitelesa (modra), ki so povezana s proteinom,encimom, ki

katalizira reakcijo s substratom, ob kateri nastaja obarvan produkt. Pred

dodatkom substrata izperemo vsa nevezana protitelesa. Intenziteta barve

je sorazmerna s količino proučevanih molekul

Sinteza avksinov

poteka v hitro rastočih tkivih nadzemnega dela rastline

vršni meristemi

mladi listi

razvijajoči plodovi

tudi v starejših listih in koreninskih vršičkiv, vendar manj

glavni prekurzor je aminokislina triptofan - ki se lahko na več moţnih načinov pretvori v IAA

pot indolpiruvične kisline (IPA)

pot triptamina

pot indolacetonitrila

pot indol-3-acetamida

od triptofana neodvisna pot sinteze (prekurzor je indol-3-glicerol fosfat)

Agronomija - UNI

triptofan

indol-3-piruvična kislinaindol-3-acetaldoksim triptamin

indol-3-etanolindol-3-acetaldehidindol-3-acetonitril

indol-3-ocetna kislina (IAA)

indol-3-acetamid

Polarni transport avksina

avksin se v koleoptili ovsa transportira od vršička do baze

= POLARNI TRANSPORT

ker predstavlja vršiček poganjka glavni vir avksina nastane

s polarnim transportom v rastlini gradient avksina

longitudinalni gradient avksina vpliva na mnogo razvojnih

procesov npr. podaljševanje stebla, apikalno prevlado,

celjenje poškodb, staranje listo, itd.

Agronomija - UNI

Polarni transport avksina

apikalni del (A)

bazalni del (B)

agarni blok, ki

vsebuje avksin

A (donor)

B (prejemnik)

A (prejemnik)

B (donor)

apeks

baza

vakuola

citosol

celična stena

plazmalema

H+-kotransport

avksina

1. IAA vstopa v celico pasivno

(IAAH) ali z aktivnim

transportom (IAA-)

2. protonske črpalke

vzdrţujejo kisel pH celične

stene

3. v citosolu, ki ima

nevtralen pH, prevladuje

disocirana oblika avksina

(IAA-)

4. anioni IAA- zapuščajo

celico s pomočjo posebnih

prenašalnih proteinov, ki so

skoncentrirani na bazalnem

delu celice

Privzem avksina omogoča membranski potencial in

gradient pH (E+ pH)

• pasivni transport nedisociiranega avksina IAAH

• aktivni transport disociiranega avksina IAA-; simport z H+

Efluks avksina je pogojen samo z membranskim

potencialom (E)

Agronomija - UNI

Polarni transport avksina

polarni transport je aktiven

mesto polarnega transporta: ţilni parenhim (dvokaličnice)

hitrost polarnega transporta: 1 cm h-1

za iztok avksina je odgovoren PIN-prenašalni protein

inhibitorji polarnega transporta avksina (antiavksini): blokirajo

iztok avksinov

NPA (naftiltalamična kislina)

TIBA (trijodobezojeva kislina)

Nepolarni transport avksina

floem

Agronomija - UNI

Dejavniki, ki vplivajo na ravnoteţje IAA v celici

IAA

od triptofana odvisna

biosinteza

od triptofana neodvisna

biosinteza

transport

kopartmentizacija

v kloroplastu

konjugacija

oksidacija

dekarboksilacija

Konjugacija avksinov

večina avksina v rastlini se

nahaja v konjugirani obliki

(t.j. avksin je kovalentno

vezan na druge molekule,

npr. glukozo, mioinozitol,

amidi )

konjugirane oblike so

neaktivne

indol-3-ocetna kislina

Indolacetil-β-D-glukoza

Indolacetilaspartat

aspartat

mio-inozitol

UD

P-g

luko

za

Razgradnja avksina

Razdradnja je oksidativna

razgradnja z dekarboksilacijo

nekarboksilacijska razgradnja

Nahajanje avksina v celici

citosol

kloroplast

Agronomija - UNI

Dejavniki, ki vplivajo na ravnoteţje IAA v celici

IAA

od triptofana odvisna

biosinteza

od triptofana neodvisna

biosinteza

transport

kopartmentizacija

v kloroplastu

konjugacija

oksidacija

dekarboksilacija

Fiziološki učinki avksina

rast koleoptile in stebla, rast korenin

mehanizem celične rasti: avksin zakisanje celične stene

razteznosti celične stene

Agronomija - UNI

18 urna inkubacija v vodi 18 urna inkubacija v avksinu

Agronomija - UNI

Avksin poveča razteznost celične stene in

omogoča celično rast (glej poglavje rast celic!)

... razteznost celične stene

... minimalni pritisk (turgor), potreben za celično rast

razteznost celične stene (stress relaxation)

elastične in plastične lastnosti stene

pH hitrejša rast (vpliv avksina)

ekspanzini proteini, ki rahljajo vodikove vezi medpolisaharidi celične stene

ksiloglukanendotransglikozilaza

pr

ksiloglukan, ki kriţno

povezuje mikrofibrile

celuloze

encimi, ki

rahljajo

steno

smer

delovanja

raztezne sile

ob večanju

volumna

mikrofibrile

celuloze

Avksin in vpliv v zmanjšanje pH v celični steni, ki omogoča večjo

razteznost stene in s tem celično rast. Avskin naj bodisi stimuliral

delovanje protonskih črpalk (1) ali pa stimuliral sintezo le-the (2-6)

Fiziološki učinki avksina

rast koleoptile in stebla, rast korenin

mehanizem celične rasti: avksin zakisanje celične

stene razteznosti celične stene

fototropizem

gravitropizem

...

Agronomija - UNI

Pri odgovoru rastline na svetlobo (A) ali silo zemeljske teţnosti (B) se v

hipokotilu avksin različno razporeja. V prvem primeru se avksin kopiči na

senčeni strane hipokotila, v drugem pa na spodnji strani. Rastline

navadnega repnjakovca (Arabidopsis thaliana) so bile transformirane z

DR5::GUS reporterskim genom

A B

Mehanizem fototropizma

25.8

25.6

vršiček koleoptile

koruze

blok agarja

A) tema

B) usmerjena svetloba

C)

D)

popolnoma ločeni polovici

vršička koleoptile, ni

prerazporejanja avksina

delno ločeni polovici vršička

koleoptile, prerazporejanje

avksina

25.8

25.6

11.5 11.2

8.1 15.4

Agronomija - UNI

Akcijski spekter za fototropizem

Agronomija - UNI

Razlaga fototropizma

Cholodny-Went-ov model

v vršičku koleoptile se sintetizira IAA

v vršičku koleoptile se zaznava usmerjena svetloba

posledica usmerjene svetlobe je lateralno prerazporejanje avksina, ki se vpliva na rast koleoptile

receptor za fototropizem je fototropin, protein vezan na plazmalemo, ob absorpciji modre svetlobe se fosforilira

Agronomija - UNI

Pri odgovoru rastline na svetlobo (A) ali silo zemeljske teţnosti (B) se v

hipokotilu avksin različno razporeja. V prvem primeru se avksin kopiči na

senčeni strane hipokotila, v drugem pa na spodnji strani. Rastline

navadnega repnjakovca (Arabidopsis thaliana) so bile transformirane z

DR5::GUS reporterskim genom

A B

Čas (min)

Ra

st v d

olţ

ino

(m

m)

osvetljena stran

neosvetljena

stran

kontrola

brez

osvetlitve

Fototropizem - rast koleoptile

Agronomija - UNI

Gravitropizem – negativni gravitropni odgovor nadzemnega dela

Gravitropizem - pozitivni gravitropni odgovor korenin

korenina

koreninska

čepica

intaktna korenina

- kontrola

korenina brez

koreninske čepica,

vertikalno

korenina z delno

odstranjeno koreninsko

čepico, vertikalno

horizontalno orientirana

korenina s kor. čepico

normalno krivljenje

horizontalno orientirana

korenina brez kor. krivljenja ni

Za gravitropizem korenin je pomembna koreninska čepica!

Navpični poloţaj

Koreninski

vršičekAmiloplast

Vodoravni

poloţaj

Enakomeren pritisk

amiloplastov na

endoplazmatski

retikulum Neenakomeren pritisk

amiloplastov na endopl. retikulum

Statocita

Amiloplast (statolit)

Ko

ren

inski

vrš

iče

k

korteks

ţilacona podaljševanja

koreninska čepica

enakomerna lateralna

razporeditev avksinastatoliti

statocita

(povečano)

Gravitropizem - navpično orientirana korenina

Agronomija - UNI

Gravitropizem - horizontalno orientirana korenina

majhna koncentracija

IAA stimulira rast celic

zgornje strani korenine

neenakomeren poloţaj

statolitov, povečano iztekanje

IAA na spodnjo stran

velika koncentracija IAA

inhibira rast celic

spodnje strani korenine

cona inhibicije

Vpliv različnih koncentracij avksina na rast različnih

delov rastline

koncentracija g L-1

nadzemni del

korenine

brst

Agronomija - UNI

Fiziološki učinki avksina

apikalna prevlada

razvoj lateralnih in adventivnih korenin

premostitev začetka abscizije (odpadanja listov in plodov)

regulacija razvoja cvetnih brstov

zorenje plodov

indukcija diferenciacije ţilnega tkiva

...

rast koleoptile in stebla, rast korenin

mehanizem celične rasti: avksin zakisanje celične stene razteznosti celične stene

fototropizem

gravitropizem

vršiček

inhibiran razvoj

stranskih

poganjkov

razvijajoči

se stranski

poganjki

odstranjen

vršičekstranski poganjki

niso inhibirani

Apikalna prevlada (dominanca)

Apikalna prevlada (dominanca)

stranski

brsti

stranski poganjki

stranski

brsti

odstranjen

vršnji

brstavksin

odstranjen

vršnji

brst

Regulira jo več hormonov, za njo pa je ključen nastanek avksina v rastnem vršičku glavnega poganjka in njegov

polarni transport. Avksin ne vstopa v aksilarne brste in ne inhibira direktno njihovega razvoja. Njegovo delovanje

naj bi bilo omejeno na ksilem in sklerenhimatsko tkivo ţil v steblu. Novejše raziskave nakazujejo, da so v

regulacijo apikalne prevlade vpleteni strigolaktoni, terpenoidni laktoni, ki jih lahko proizvajajo tako nadzemni, kot

tudi korenine, vendar njihova vloga še ni povsem pojasnjena. Nasprotno pa je dobro poznan učinek citokininov,

katerih velike koncentracije spodbudijo intenziven razvoj pazdušnih poganjkov.

Avskin in indukcija korenin

+ avksin + avksin kontrola

Dodatek indol-maslene

kisline (IBA) v tkivni kulturi

stimulira razvoj adventivnih

korenin iz kalusa

Avksin in razvoj plodov

endosperm kot vir avksina za začetne faze rasti ploda

PARTENOKARPIJA = razvoj ploda brez prisotnosti

semen, razvoj neoplojenih cvetov lahko doseţemo z

avksinom

Avksin, ki ga

proizvajajo

razvijajoči

embriji stimulira

razvoj ploda

Če odstranimo

plodiče, se

plod ne razvije

Če odstranimo

del plodičev, se

plod razvije

neenakomerno

Agronomija - UNI

avksini

citokinini

ranitev

RNaze

DNaze

proteaze proteaze

DNaze

RNazerazgradnja

tonoplasta

razgradnja

cel. org.

sekundarna

cel. stena

Ca2+/ CaM

cisteinske proteaze

brasinosteroidi

kopičenje

hidrolitičnih

encimov,

sinteza cel.

stene

izolirane

mezofilne celice

diferencirane

traheje

Avksin je pomemben za diferenciacijo prevodnih tkiv

nastanek trahej (traheid) = ksilogeneza

intaktna rastlina kumare

kotiledon

odrasel list

vršni brst

mlad

list

vršiček je odrezan,

listi in brsti nad rano

so odstranjeni, zato

da je zmanjšana

vsebnost

endogenega avkisna

takoj po ranitvi je na

steblo nanešen

avskin (IAA) v obliki

avksinske paste

okoli rane se pod

vplivom avksina, ki

difundira z mesta

nanosa, diferencirajo

elementi ksilema

ţile

rana

nodij

IAA v

lanolinu

rana

Agronomija - UNI

Tvorba adventivnih korenin

na stiku med cepičem in

podlago pri zelenem

cepljenju paradiţnika je

posledica polarnega

transporta avksina in

njegovega kopičenja na bazi

cepiča.

Poskus: Nina Kacjan-Maršič

Foto: Franci Celar

Agronomija - UNI

pri zaznavanju avskina sodelujejo receptorski proteini ABP (auxin

binding protein)

direktni učinek (primer direktne aktivacije protonskih črpalk z IAA

in s pomočjo ABP57)

membranski receptor ABP1 na membrani endoplazmatskega

retikuluma (ER), na plazmalemi

hitri učinki avksina hiperpolarizacija membrane v 1-2 minutah

(preprečeno z inhibitorji H+-ATPaz in blokatorji ABP1)

prenos signala v celici lahko poteka preko sprememb [Ca] kot

sekundarnega sporočevalca ali spremembe znotrajceličnega pH

vpliv na ekspresijo genov

- hitri odgovori

- kasnejši odgovori

Mehanizem delovanja avksina

Komercialna uporaba sintetičnih avksinov

dolga tradicija (50 let)

koreninjenje potaknjencev

kontrola cvetenja

kontrola abscizije

avksinski herbicidi:

2,4-D,

dicamba

(zatiranje širokolistnih plevelov)

Agronomija - UNI

GIBERELINI

Agronomija - UNI

Giberelini

odkriti v tridesetih in petdesetih letih 20. stol

bolezen riţa “bakanae”, visoka stebla, brez tvorbe semen odkrili so, da bolezen povzroča kemična snov iz glive Giberella fujikorii

izolacija iz filtratov te glive giberelini, giberelinska kislina (GA3)

ali so giberelini prisotni tudi v rastlinah?

več kot 110 kemično zelo sorodnih spojin, ki pa niso vse aktivne (intermediati v metabolizmu giberelinov)

osnova je ent-kauren

Agronomija - UNI

GA3 - giberelinska kislina

Agronomija - UNI

učinek giberelina GA3 na

rast pritlikave mutante

graha (progress No.9)

levo = kontrola,

desno = tretirane rastline,

7 dni po dodatku 5 µg

GA3

Agronomija - UNI

Pri zelju lahko z giberelinom

doseţemo intenzivno rast v dolţino in

cvetenje

Biosinteza giberelinov

terpenoidna pot, giberelini so diterpeni

mesto sinteze: mladi, aktivno rastoči poganjki, listi, zgornji internodiji

1. reakcije ciklizacije nastanek ent-kaurenskega skeleta

2. reakcije oksidacije do GA12-aldehida

3. tvorba vseh ostalih giberelinov iz GA12-aldehida

GA12-aldehid GA12 GA53 GA44 GA19 GA20 GA1

GA29 GA8

Biosinteza giberelinov

Fiziološki učinki giberelinov

stimulacija rasti stebla rozetastih in pritlikavih rastlin

prehod iz juvenilne v odraslo fazo

iniciacija cvetenja in določanje spola cvetov

nastanek plodov

kalitev - prekinitev dormance

Agronomija - UNI

Uravnavanje biosinteze giberelinov

fotoperioda (kratek dan, dolg dan)

temperatura (stratifikacija, vernalizacija)

koncentracija giberelinov

Agronomija - UNI

AMO = inhibitor biosinteze giberelinov

GA3 = giberelinska kislina

Pri špinači pride do podaljševanja stebla in listnih pecljev ob izpostavitvi

dolgim dnevom (LD). Inhibitor biosinteze giberelinov učinek dolgega dne

izniči (LD+AMO), podaljševanje pa lahko doseţemo, če takšnim

rastlinam dodamo eksogeni giberelin (LD+AMO+GA3).

Fotoperioda in giberelini

Agronomija - UNI

vsebnost posameznih giberelinov na začetku

izpostavitve dolgemu dnevu (ng/g FW)

število dolgih dni

po

rast ko

ličin

e v

%

Petkratno povečanje

koncentracije GA1 je

dejavnik, ki pospešuje

podaljšanje rast

špinače

Agronomija - UNI

tema iz teme

na

svetlobo

4h

kontinuirana

svetloba

iz teme

na

svetlobo

24h

iz teme

na

svetlobo

120h

hitro zmanjšanje GA1

zaradi razgradnje

Vse

bn

ost G

A1

(ng

g F

W-1

)

Giberelini in svetloba

Transport giberelinov

floem

mesto sinteze: mladi, aktivno rastoči poganjki, listi, zgornji

internodiji

Agronomija - UNI

Biotesti za gibereline, analiza giberelinov

podaljševanje hipokotila solate

podaljševanje listov pri riţu

indukcija -amilaze v aleuronski plasti semen ječmena

HPLC-MS

GC-MS

kontrola 100 pg GA3 1 ng GA3

Agronomija - UNI

Fiziološki učinki giberelinov

stimulacija rasti stebla rozetastih in pritlikavih rastlin

prehod iz juvenilne v odraslo fazo

iniciacija cvetenja in določanje spola cvetov

nastanek plodov

kalitev - prekinitev dormance

Agronomija - UNI

korenina

skutelum

apikalni meristem

poganjka

koleoptila

prvi list

testa / perikarp

aleuronska plast

škrobni endosperm

aleuronske celice

hidrolitični

encimi

produkti

hidrolizeGAs = giberelini

Giberelini in kalitev

Model kalitve ječmenovega semena

počivajoče seme

sprejem vode, embrio sintetizira GIBERELINE, ki se prenesejo v aleuronsko plast semena

GIBERELIN inducira sintezo hidrolaz v aleuronski plasti (amilaza, nukleaze, proteaze). Ti encimi prehajajo v endosperm. Sintezo hidrolitičnih encimov inhibira ABA

amilaza v endospermu razgrajuje škrob, proteaze sproščajo iz proteinov aminokisline

iz triptofana se sintetizirajo AVKSINI, nukleaze sproščajo prekurzorje CITOKININOV

avksini in citokinini spodbujajo embrio k celičnim delitvam in rasti v dolţino

Agronomija - UNI

Mikroskopski posnetek

alevronske plasti celic

ječmenovega semena

Protoplasti alevronskih celic v

zgodnji (levo) in pozni fazi

tvorbe encima amilaza.

PSV = vezikli ki vsebujejo

protein (encim)

PSV

PSV

Čas po tretiranju z GA (min)

Odgovor

na G

A (%

)

α-amilaza

RNaza

DNaza

Agronomija - UNI

Mehanizem delovanja giberelinov

vezava na receptor

prenos signala (transdukcija)

izraţanje genov zgodnjega odgovora

izraţanje genov poznega odgovora

podaljševanje stebel giberelin pospešuje

delitve celic v meristemih vpliv na proteine, ki

regulirajo celični cikel

rast celic povečanje razteznosti celične stene

Agronomija - UNI

Uporaba giberelinov

proizvodnja sadja

daljšanje pecljev vinskih jagod

podaljševanje plodov

proizvodnja slada iz ječmena

povečevanje pridelka sladkornega trsa

indukcija cvetenja - proizvodnja semen

mutante z manj giberelina

inhibitorji sinteze giberelinov