Генетика развития растений. Гиббереллины

1.

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

2.

Гиббереллины
Гриб Gibberella fujikuroi

3.

+GA
Гиббереллины –
стимуляторы
вегетативного и
генеративного развития
Мутанты по
гиббереллинам карлики
+GA
WT
Гиббереллинчувствительные –
мутанты по
синтезу
+GA
Гиббереллиннечувствитель
ные –
мутанты по
сигналингу

4.

Функции гиббереллинов и их взаимодействие с
другими фитогормонами
подавление
развития ПАМ
ауксины
формирование
андроцея
цитокинины
Гиббереллины
АБК
ауксины
прорастание
семян
этилен
удлинение междоузлий,
листьев, корней
этилен
АБК
переход к
цветению

5.

Связь биосинтеза гиббереллинов и
АБК
Токоферолы
Пластохиноны
Фитоалексины
ГА
ГГДФ
ФитилПФ
хлорофилл
каротиноиды
АБК
1. Предшественником ГА является геранил-геранил-дифосфат (ГГДФ) (вво из класса терпенов). Оно же является предшественником АБК и
хлорофилла
2. Начальные этапы синтеза ГА происходят главным образом в
пропластидах, конечные этапы - в цитоплазме.
3. У A.thaliana обнаружено 6 генов ГГДФ-синтазы (2 работают в пластидах,
2- в митохондриях, 2 – в цитозоле (ЭР).

6.

Биосинтез
гиббереллинов
Основные ферменты:
1. Семейство TPS (терпенсинтазы) – до энткаурена:
- CPS (копалил-дифосфатсинтаза)
- KS (энт-каурен-синтаза)
2. Семейство P450монооксигеназ – до
GA12:
- КО (энт-каурен-оксидаза)
- КАО (оксидаза энткауреновой к-ты)
3. Семейство 2ODD (2оксоглютаратзависимые
диоксигеназы) – до
GA1, GA3, GA4:
- 20ох (GA-20-оксидазы)
и 3ох (GA-3-оксидазы) –
синтез активных GA
- 2ох (GA-2-оксидазы) –
инактивация GA

7.

Инактивация гиббереллинов
1. 2b–гидроксилирование - GA-2оксидазы (ферменты группы 2ODD) –
основной путь
2. Эпоксидирование – цитохром-Р450монооксигеназа EUI (elongated uppermost
internode)
3. Метилирование с использованием Sаденозил- метионина как донора
метильных групп-– GAMT1, GAMT2
2
3
1

8.

9.

Экспрессия
генов
биосинтеза
гибберелли
нов
эндосперм
проводящая
система
андроцей
Основное место
биосинтеза
гиббереллинов –
молодые листья и
листовые
примордии
Фенотипы мутантов по генам CPS, KS,
KO – гиббереллин-чувствительные
карлики
pGa20Ox-Luc

10.

Основной путь регуляции концентрации гиббереллинов
- контроль экспрессии генов 2ODD (Ga3-Ox, Ga20-Ox активаторы, Ga2-Ox - инактиваторы)

11.

Регуляция биосинтеза гиббереллинов конечным
продуктом (feedback)
Активные гиббереллины
вызывают:
• репрессию транскрипции
генов GA-20-ox и GA-3-ox
• активацию транскрипции
генов GA2-ox
Результат – снижение
концентрации
гиббереллинов в тканях

12.

Регуляция биосинтеза гиббереллинов в
развитии растения
ABA
LEC2
свет,
другие сигналы
FUS3
период покоя и
прорастание
AGL15
GA2Ox
GA
ABA
Ga3Ox
ГК
maturation
dormancy germination
свет
?
?
Световой контроль
прорастания у
растений с мелкими
семенами:
PIL5 регулирует
экспрессию Ga3-Ox и
Ga2-Ox,
взаимодействуя с
неизвестными ТФ

13.

Регуляция биосинтеза гиббереллинов в
развитии растения
1). KNOX
ГК, 2). ИУК ARF ГК
1). ИУК ARF ГК, 2). YABBY
листовой примордий
ПАМ
ГК
ИУК
KNOX
ИУК
Ga20-ox
Ga3-ox
ГК
ИУК
IPT
Ga20-ox
ЦК
ГК
ГК
Ga2ox
Ga3ox
AS2
HD-ZIPIII
KANADY
Ga2ox
ГК
ИУК, ГК
YABBY
PIN
YABBY
ГК

14.

Регуляция биосинтеза гиббереллинов в
развитии растения
Органы цветка
стебель
GA2Ox
AGAMOUS
GA3Ox
NPH4/ARF7
GA3Ox
MSG/IAA19

15.

Рецепция и передача сигнала при ответе
на гиббереллины
5
SCFSLY/GID2
3
1
2
4

16.

Белки DELLA - репрессоры ответа на
гиббереллины
Относятся к семейству
ТФ GRAS (от GAI, RGA,
SCARECROW)
DELLA домен – мишень для убиквитинлигазного комплекса SCF SLY/GID2
Ub
Е2
Консервативный GRAS домен –
регулятор транскрипции
DELLA
GRAS
RBX
SKP1
SLY/
GID2
Убиквитинирование
DELLA комплексом
SCFSLY/GID2
дерепрессия
транскрипции
CUL1
Подавляют экспрессию
гиббереллинрегулируемых генов

17.

Гиббереллины вызывают деградацию DELLA белков
SCFSLY/GID2
Механизм –
убиквитинирование,
опосредованное SCFSLY/GID2

18.

Гены DELLA:
Рис: SLR (SLENDER RICE), SLRL1 и SLRL2 (SLR-Like 1 и 2),
Арабидопсис: GAI (GA-INSENSITIVE), RGA (REPRESSOR OF ga1), RGL1, RGL2,
RGL3 (RGA-Like 1, 2 и 3).
Мутации по DELLA домену
снижение ответа на
гиббереллины
Мутации по GRAS
домену усиление
ответа на гиббереллины
Сверхэкспрессия DELLA
снижение ответа на гиббереллины

19.

Гены-мишени ТФ DELLA
1). Негативно регулируются DELLA
белками
DELLA
Около 500 генов
GRAS
2). Позитивно регулируются DELLA
белками
DELLA
GRAS
Около 20 генов
Гены a амилаз в
эндосперме
прорастание
Гены LEAFY и SOC
в апексе
переход к
цветению
Гены CDKA,
EXP, XET в
междоузлиях и
корне рост в
длину
•Гены биосинтеза
гиббереллинов: Ga20Ox, Ga3Ox
• Гены сигналинга
гиббереллинов: GID1,
компоненты комплекса SCFSLY/GID2

20.

DELLA белки и взаимодействие гиббереллинов
с другими гормонами
этилен
EIN3
гиббереллины
DELLA
рост стебля, цветение
ауксины
ARF
гиббереллины
DELLA
рост стебля

21.

22.

Белок GID1 – рецептор гиббереллинов
Ub
F-бокс-содержащий белок
SLY/GID2 присоединяет
DELLA к SCF
GA
GID1
DELLA
рецептор GID1 –
взаимодействует с
DELLA и SCF при
связывании
гиббереллинов
GRAS
AtGID1a::GFP
Ядерный белок из
семейства гормончувствительных липаз
Фенотип мутантов gid – гиббереллиннечувствительные карлики (GID=Gibberellin
Insensitive Dwarf)
Е2
RBX
SKP1
GA
GID1
SLY/
GID2
DELLA
GRAS
CUL1

23.

ТФ GAMYB – регуляторы экспрессии
гиббереллин-зависимых генов
GAMYB1
гены
a-амилаз
GAMYB33
LEAFY
ТФ семейства MYB

24.

Белки SPY и SEC – стабилизаторы DELLA белков
WT
Потеря функции генов SPY (SPINDLY):
spy
cps
«гиббереллиновый»
фенотип
+
cps spy gid1
gid1 spy
восстановление фенотипа
мутантов по биосинтезу и
сигналингу
SPY/SEC
SPY и SEC - белки
OGT (O-linked Nacetylglucosamine
(O-GlcNAc)
transferases)
GlcNAc
Ser
GlcNAc
Thr

25.

Функции гиббереллинов в развитии
растений
подавление
развития ПАМ
ауксины
формирование
андроцея
цитокинины
Гиббереллины
АБК
ауксины
прорастание
семян
этилен
удлинение междоузлий,
листьев, корней
этилен
АБК
переход к
цветению

26.

Функции гиббереллинов в развитии растений:
прорастание семян
1. Индукция aамилаз и
олигосахаридного
сигналинга
GA
GAMYB1
крахмал
a
амилазы
олигосахариды
прорастание

27.

Функции гиббереллинов в развитии растений:
прорастание семян. 2. Выход проростка из семенной кожуры

28.

Антагонизм ГК и АБК в
контроле периода покоя и
ответа на абиотический стресс
Много ГК
Мало АБК
Мало ГК
Много АБК
Живем!
Выживаем!

29.

Функции гиббереллинов в развитии растений:
удлинение междоузлий и листьев
dwarf
dwarf+
GA
short day + GA
short day

30.

Удлинение междоузлий и листьев:
1). Стимуляция
пролиферации
клеток
гиббереллины
GAMYB
CDKA
клеточный цикл

31.

Удлинение междоузлий и листьев:
2). Растяжение клеточных стенок
Н+
Н+
Н-АТФазы
Н+
EXP
ауксины
гиббереллины
ХЕТ

32.

Функции гиббереллинов в развитии растений:
переход к цветению
GA
LFY
SOC
цветение
FT

33.

длинный
день
не цветет
(WT)
Множественные
мутации по DELLA
супрессируют
мутацию constans
Анализ
взаимодействия
DELLACONSTANS:
Дрожжевая
двугибридная
система
BiFC (Bimolecular
Fluorecsent
Complementation)
YFP - репортер
DAPI - маркирует
ядра
Экспрессия генов
DELLA осциллирует
в течение суток (как
и экспрессия
CONSTANS)
Белки DELLA
взаимодействуют с
ТФ CONSTANS
(основной регулятор
цветения при длинном дне)