Генетика развития растений. Ауксины

1.

Генетика развития растений
Развитие =
рост + дифференцировка
Развитие клетки,
ткани, органа
(морфогенез)

2.

Ауксины

3.

Некоторые натуральные и
синтетические ауксины
ИУК
2.4-Д
НУК

4.

Пути биосинтеза ИУК
Триптофан-зависимый
3
4
1
2
Триптофан-независимый
(индольный)

5.

Выявленные гены биосинтеза ИУК:
1. Синтез через индолпировиноградную кислоту (IPA):
Trp IPA IAAld IAA
альдегидоксидаза
AAO1/SUR1
2. Синтез через индолацетамид (IAM):
Trp IAM IAA
амидогидролаза
AMI1

6.

Выявленные гены биосинтеза ИУК:
3. Синтез через триптамин (ТАМ):
Trp TAM N-hydroxyl-TAM IAOx IAAld IAA
Флавинмонооксигеназа
yucca
floozy
FMO/YUCCA/FLOOZY
Wild
type
yucca
4. Синтез через индолацетальдоксим (IAOx):
Trp IAOx IAOx-L-Cys IAN IAA
Цитохром Р79
CYP79B2,
CYP79B3
Цитохром Р83
C-S лиаза
CYP83B1/SUR2 SUR1
Нитрилазы
NIT1-NIT4

7.

tms1
tms2
Синтез ИУК в тканях
трансгенных растений
под контролем генов
tms1 (iaaM) и tms2 (iaaH)
Agrobacterium tumefaciens
(синтез через IAM)

8.

Мутация orp (orange pericarp) у кукурузы

9.

Генетический контроль синтеза триптофана
1. Хоризмат антранилат.
Антранилат-синтаза –
ASA1/TRP5, ASB2/TRP4
2. Антранилат 5-фосфорибозилaнтранилат.
Антранилат-PR-трансфераза –
PAT/TRP1
Триптофаннезависимый
путь
?
3. Индолглицеролфофат индол.
a-субъединица Trp-синтазы –
TSA/TRP3
4. Индол триптофан.
b–субъединица Trp-синтазы –
TSB/TRP2 ( у арабидопсиса),
ORP ( у кукурузы)

10.

Инактивация ИУК путем образования
коньюгатов с аминокислотами и сахарами

11.

Полярный транспорт ауксинов
Хемиосмотический механизм входа
протонированной формы ИУК в клетку
Основные направления
полярного транспорта
ИУК в стебле и корне

12.

Белок AUX1 - influx канал
2
AUX1::GFP
AUX1::GUS
3
1
•Относится к семейству белков
LAX, имеющих родство с
пермеазами (переносчиками
аминокислот)
• Фенотип мутанта aux1 типичен
для мутантов с повышенной
чувствительностью к ауксинам
(1)
•Основное место экспрессии гена
AUX1 – зоны, прилегающие к
примордиям латеральных
органов в апикальной меристеме
побега, апикальная меристема
корня, примордии боковых
корней (2)
•Для белка AUX1 характерно
отсутствие полярной
локализации (3)

13.

Белки PIN –
efflux канал
pin1
1
Локализация белков PIN на поверхности
клеток корня:
1. PIN1 - на базальной стороне
2. PIN2/AGR1/EIR1 - на апикальной стороне
3. PIN3 - на латеральной стороне
4. Итог: направления транспорта ауксинов в
корне
2
3
4

14.

Физиологические функции ауксинов:
Контроль
полярности
развития
Определяется
направлением
полярного
транспорта
ауксинов.
Нарушается
при обработке
ингибиторами
полярного
транспорта или
у мутантов с
нарушением
транспорта
ауксинов
wt
gnom

15.

Локализация PIN белков и
направления полярного транспорта
ауксина:
• в эмбриогенезе
глобула
Иммунолокализация
PIN1
Направления
транспорта
ауксина при
закладке
семядолей
сердце
AuxRE::GFP

16.

PIN1::GUS
PIN2::GUS
PIN3::GUS
•При закладке
придаточного
корня

17.

•При закладке
латеральных
органов побега
PIN1::GFP

18.

1. экспрессия
генов PIN
2. посттрансляционные
модификации PIN
белков
3. убиквитинзависимый
протеолиз PIN
белков
4. везикулярный
транспорт, экзоцитоз и
эндоцитоз PIN белков
Пути
регуляции
ПАТ

19.

Контроль экспрессии генов PIN
закладка
латеральных
органов побега
закладка корней
ауксин
Ауксин-зависимые ТФ
ARF и Aux/IAA
SCFTIR1
ТФ
HD-ZIPIII и KANADY
KANADY1-4
MONOPTEROS
/ARF5
BODENLOS
/IAA12
+
TOPLESS
PIN promoter
HD-ZIPIII
(PHABULOSA,
PHAVOLUTA,
REVOLUTA)

20.

MP
PIN
PIN
BDL+TPL
WT
HD-ZIPIII
(PHB, PHV, REV)
KANADY
mp
tpl
WT
kan1-4
phb phv rev
DR5::
GFP
фено
тип
Закладка первичного корня
Закладка семядолей

21.

Контроль фосфорилирования PIN белков:
Ser-Thr протеинкиназа PINOID
ИУК
PL
• Активируется
ауксинами
PLA2
LPL + fatty acid
RCN1
PINOID activity
PDK
threshold level
PINOID
P
P
P
PIN
Основное место экспрессии PID –
апикальный домен зародыша и его
производные
• Имеет пороговый
уровень
активности,
определяющий
локализацию PIN
белков
Двойные мутанты pin1 pid –
нарушения апикального домена

22.

Контроль экзоцитоза/эндоцитоза PIN белков
3 – CPH/SMT1 стерольная
композиция плазмалеммы
ГТФ
ГТФаза
4
NPA
2
KNOLLE
TIR3
PIN
KEULE
PIN
PIN
ГДФ
3
SMT/
CEPHALOPOD
PIN
ГТФ
GNOM
PIN
1
PIN
2 – KNOLLE,
KEULE
стыковка
везикул с
плазмалеммой
4 – TIR3 - гомолог
белка
CALOSSIN/PUSHOVER
контроль
эндоцитоза (механизм
неизвестен)
PIN
1 – GNOM – GEF
(Guanosin
Exchange
Factor) ГТФзависимый
транспорт
везикул из АГ

23.

Рецепция и
передача
сигнала при
ответе на
ауксины
Рецепторы
ауксинов:
1. АВР1 –
трансмембранный
2. TIR1 внутриклеточный
???
Поздний ответ –
изменение
экспрессии генов
Ранний ответ –
активация ионных
каналов
Н+

24.

A
ABP
1
Рецепция
ауксинов
белком
ABP1 и
начальные
этапы
передачи
сигнала

25.

АВР1 – регулятор ранних ростовых ответов на
ауксины:
А – «кислый рост» (рост клеток растяжением)
Б – ориентация элементов цитоскелета
А
Б

26.

Регуляция экспрессии генов при ответе
на ауксины
Ubi-activating enzyme
2
3
Ubi-conjugating enzyme
Ubi-ligase
1
Основные компоненты:
1 – тр. факторы ARF
2 – тр. факторы Aux/IAA
3 – убиквитин-лигазный
комплекс SCF

27.

Белок TIR1 – ядерный
рецептор ауксина
• При связывании с
ауксином
взаимодействует с
белками Aux/IAA в
составе комплекса SCF
(убиквитин-лигаза)
• Относится к семейству
белков AFB. Мутанты с
потерей функции
нескольких AFB
нежизнеспособны
• Нет данных о
взаимодействии
рецепторов TIR1 и ABP1
tir1 tir1afb2 tir1afb2afb3

28.

Взаимодействие ТФ ARF и Aux/IAA
MP/ARF5
BDL/IAA12
первичный корень
NPH4/ARF7
МSG2/IAA19
фототропизм
ETT1/ARF3
IAA9
Вывод:
Белки-антагонисты
ARF и Aux/IAA
могут работать
парами
в регуляции
определенных
программ развития
органы цветка
Сходные фенотипы мутантов, тканеспецифичность
экспрессии

29.

Взаимодействие Aux/IAA с корепрессорами
транскрипции
MP
? другие мишени
mp
PLT
PIN
BDL+TPL
Закладка
корня в
эмбриогенезе
tpl
BDL+
ARF7/19
PIN
?
другие
мишени
SLR+PKL
Закладка
боковых корней
SLR+
SLR+ pkl

30.

Ауксин-регулируемые гены
Гены, контролирующие
ауксиновый сигналинг и
транспорт
1. AUX/IAA
Репрессоры
транскрипции
ауксин-регулируемых
генов
2. ARC-A
b-субъединица G-белков
3. Гены PIN
Гены, контролирующие
метаболизм ауксинов
1. GH3/FIN219/DFL1
Образование
коньюгатов ауксинов
Гены с неизвестной
функцией
1. SAUR гены
Гены, контролирующие
клеточный цикл
1. СDKA
Контроль всех этапов
клеточного цикла
2. СycA
Контроль S фазы и
перехода G2-M
Гены – регуляторы
органогенеза
1. AS2
закладка листовых
примордиев в
меристеме побега
2. PLT1-3
закладка и поддержание
апикальной
меристемы корня

31.

Функции ауксинов в развитии растений:
• На уровне клетки:
1. Контроль клеточного цикла (S фаза, переход G2-М)
2. Стимуляция активности ионных каналов
3. Стимуляция роста клетки растяжением
4. Стимуляция дифференцировки специфических
типов клеток: сосудов, корневых волосков
• На уровне организма:
1. Определение полярности развития
2. Стимуляция развития боковых и придаточных
корней, латеральных органов побега
3. Апикальное доминирование
4. Гравитропизм и фототропизм

32.

Физиологические функции ауксинов:
Активация ионных каналов
ИУК
ABP1
Активация ионных каналов
под действием
ауксинов:
1. Активация Н-АТФаз и
выход ионов Н+ из
клетки
2. Активация калиевых
каналов и вход ионов К+
в клетку
3. Активация анионных
каналов и выход
анионов из клетки
4. Активация кальциевых
каналов и вход ионов
Са2+ в клетку

33.

Физиологические функции
ауксинов:
Рост клеток
растяжением
(«Кислый
рост»)

34.

Физиологические функции ауксинов:
Контроль клеточного цикла
Ауксины позитивно
регулируют экспрессию
генов:
1. Циклин-зависимой
киназы А (CDKA)
контроль всех этапов
клеточного цикла
2. Циклинов класса А (CycA)
контроль фазы S и
перехода G2-M

35.

Физиологические функции ауксинов:
Дифференцировка специфических типов клеток
А
А – стимуляция ауксином образования корневых
волосков клетками эпидермы корня.
В – развитие сосудов в семядолях арабидопсиса
при нормальном уровне ауксинов и при
обработке
NPA
(ингибитором
транспорта
ауксинов).
В

36.

Физиологические функции ауксинов:
Поддержание апикальной меристемы корня. Стимуляция
развития боковых и придаточных корней
PIN
PLT1-3
ИУК
ARFs
DR5::GUS

37.

«Канализация» ПАТ при формировании проводящей
системы

38.

SLR + PKL
Деление и
дифферен
цировка
клеток
PIN
ARF7/19
?
ауксины
Поддержа
ние и
развитие
ПАМ
PIN
цитокинины
?
ауксины
AHK3/ARR1
SHY2
BDL + TPL
MP
PLT
?
Поддержа
ние и
развитие
КАМ
Программы
развития
главного и
боковых корней

39.

Физиологические функции ауксинов:
Апикальное доминирование
Определяется:
•Направлением транспорта ауксинов
ауксины
KNOX
гены
-ИУК
+ИУК норма
Пролиферация
стволовых
клеток
АМ побега
•Ингибирующим
влиянием ауксинов на
деление
клеток
побеговой апикальной
меристемы

40.

Физиологические функции ауксинов:
Гравитропизм и фототропизм
DR5::GUS
g
У мутантов с нарушением
транспорта и передачи сигнала
ауксинов нарушены грави- и
фототропические реакции
Гипотеза Холодного-Вента (1928):
Основа фото- и гравитропических
реакций – асимметричное
распределение ауксинов в
радиальном направлении

41.

Асимметричное
распределение
ауксинов
при
гравитропизме достигается за счет перемещения
белка PIN3
PIN3
PIN1
PIN4
PIN2
PIN3

42.

Органы-грависенсоры растений:
Колумелла (в корне)
Эндодерма (в стебле)
Начало реакции
гравитропизма –
перемещение
амилопластов под
действием силы
тяжести

43.

Гравитропизм
EXP
ARF
PID
PIN
PDK
амилопласт
PIP
PLC
Са2+
PIN
передача
сигнала
ауксинов
ауксины
EXP
g

44.

Фототропизм
FMN FMN
PHOT
P
P
NRL/NPH3
ARF
IAA
?
PID
PIN
PIN
передача
сигнала
ауксинов
EXP
ауксины

45.

Фототропизм

46.

Взаимодействие ауксинов с другими
Ауксины и цитокинины:
фитогормонами: •противоположное действие на апикальное
доминирование, поддержание пула стволовых клеток в
апикальной меристеме побега, рост стебля в длину,
развитие боковых корней, дифференцировку побегов и
корней из каллуса
•обработка растений ауксинами быстро ингибирует
биосинтез цитокининов
Ауксины и этилен:
•однонаправленное действие на развитие корневых
волосков, апикального крючка у проростков в темноте
•ауксины стимулируют выработку этилена
•этилен ингибирует полярный транспорт ауксинов
Ауксины и АБК:
•противоположное действие на
развитие боковых корней
•АБК ингибирует передачу
ауксинового сигнала
Ауксины и гиббереллины:
•однонаправленное действие на рост стебля в длину,
развитие апикальной меристемы побега (ингибируют
деление стволовых клеток, стимулируют
дифференцировку латеральных органов)
•ингибирование полярного транспорта и сигналинга
ауксинов ингибирует деградацию DELLA белков, которая
необходима для передачи сигнала гиббереллинов
Ауксины и брассиностероиды:
•однонаправленное действие на гравитропизм корня