popularyzatorski opis rezultatów projektu

Nr wniosku: 151700, nr raportu: 12570. Kierownik (z rap.): prof. dr hab. Halina Bronisława Gabryś
Przekaz sygnału świetlnego od fototropin w roślinach wyższych
W 1880 roku ukazała się książka Karola Darwina, The Power of Movement in Plants, zawierająca między innymi
opis zależnych od światła kierunkowych przemieszczeń chloroplastów w komórkach liści. Silne światło wywołuje
reakcję ucieczki chloroplastów pod ściany komórkowe równoległe do jego kierunku padania. W ten sposób chronią
się przed uszkodzeniem przez nadmiar pochłoniętej energii. Światło słabe indukuje tzw. reakcję akumulacji:
chloroplasty ustawiają się pod ścianami prostopadłymi do jego kierunku padania. W ten sposób zwiększają
powierzchnię absorpcji światła i wydajność fotosyntezy. Na przełomie wieków, po ponad 130 latach badań, zostały
zidentyfikowane fotoreceptory sterujące ruchami chloroplastów, kilka białek których brak upośledza albo
całkowicie blokuje ich kierunkowe przemieszczenia. Wciąż jednak nie wiadomo w jaki sposób przekazywany jest
sygnał od fotoreceptora do białek poruszających chloroplast.
Celem projektu było bardziej szczegółowe scharakteryzowanie fototropin, fotoreceptorów światła niebieskiego
odpowiedzialnych za przemieszczenia chloroplastów m.in. w roślinach modelowych, tytoniu i rzodkiewniku
(Arabidopsis thaliana), poznanie roli w tym procesie wtórnych przekaźników sygnału, fosfoinozytydów i jonów
wapnia, a także ustalenie czy i jaki wpływ na przekaz sygnału świetlnego mają hormony roślinne.
Nasze badania wykazały że, podobnie do innych fotoreceptorów roślinnych, również fototropina2 rzodkiewnika
ulega sumoilacji. Sumoilacja należy do potranslacyjnych modyfikacji białek, które mogą skutkować m.in. zmianą
lokalizacji wewnątrzkomórkowej, zdolności do oddziaływania z partnerami białkowymi oraz stabilności białka. W
żadnym z badanych mutantów szlaku sumoilacji nie stwierdziliśmy zaburzeń w reakcjach ruchowych
chloroplastów w ciągłym świetle. Nadal więc nieznana pozostaje rola fizjologiczna sumoilacji fototropiny2. Zespół
nasz kontynuuje badania zmierzające do jej ustalenia oraz do poznania mechanizmu sumoilacji.
Fosfoinozytydy, fosfolipidy błonowe oraz ich pochodne, biorą udział w przekazywaniu rozmaitych sygnałów w
komórkach roślinnych i zwierzęcych. W swoich badaniach mierzyliśmy reakcje chloroplastów na różne rodzaje
światła w roślinach dzikiego typu i mutantach pozbawionych aktywnych fototropin. Stosowaliśmy przy tym
kombinację związków chemicznych, które wybiórczo hamują różne enzymy kontrolujące poszczególne etapy
przekształceń fosfoinozytydów w szlaku sygnałowym. Wyniki pozwoliły na opracowanie modelu pokazującego, że
fosfoinozytydy różnicowo regulują ruchy chloroplastów kontrolowane przez fototropiny (przedstawionego na
rycinie). Regulacja ta odbywa się poprzez aktywację przejściowych zmian stężenia jonów wapniowych w
cytoplazmie komórki. Tę informację uzyskaliśmy stosując transgeniczną linię Arabidopsis, do której wprowadzony
został gen ekworyny, białka wskaźnikowego służącego do oznaczania stężenia jonów wapniowych. Białko to pod
wpływem jonów wapniowych emituje słabiutkie światło, które można zmierzyć w urządzeniu zwanym
luminometrem. Zastosowanie związków hamujących różne etapy transportu jonów Ca2+ pozwoliło stwierdzić, że w
przekazie sygnału świetlnego prowadzącego do ruchów chloroplastów uczestniczy głównie wapń pochodzący z
wewnętrznych magazynów komórki.
Kolejnym pytaniem, na które udało się uzyskać odpowiedź była kwestia czy hormony roślinne, związki które
regulują wszystkie etapy rozwoju rośliny, wpływają na przemieszczenia chloroplastów pod wpływem światła.
Innymi słowy, czy szlaki sygnałowe pochodzące od światła i fitohormonów przebiegają niezależnie czy krzyżują
się. Wybraliśmy do tych badań podstawowy fitohormon stymulujący wzrost, kwas indolilooctowy – auksynę oraz
kwas abscysynowy, hormon wprowadzający rośliny w stan spoczynku i sterujący ich obroną przed stresem suszy.
Obydwa hormony odgrywają kluczową rolę w reakcjach wywoływanych światłem niebieskim i sterowanych przez
fototropiny: fototropizmie (auksyna) i ruchu szparkowym (kwas abscysynowy). Także i w tych doświadczeniach
używaliśmy mutantów, roślin z uszkodzonymi szlakami przekazu sygnału hormonalnego oraz związków
hamujących różne etapy transportu hormonów. Stwierdziliśmy, że żaden z badanych fitohormonów nie uczestniczy
bezpośrednio w mechanizmie ruchu chloroplastów. Ich wpływ na ruchy chloroplastów w dorosłych liściach roślin
lądowych jest niewielki i ma charakter pośredni.
Wyjaśnienie mechanizmów przekazywania sygnałów w roślinach jest zadaniem o fundamentalnym znaczeniu
ponieważ sygnały te decydują nie tylko o wzroście i rozwoju roślin, ale także o ich odporności na stresy
środowiskowe. Mechanizmy te zostały wykształcone ponieważ rośliny nie mogą zmieniać miejsca, a więc uciec
przed chłodem, nadmiarem światła, promieniowania ultrafioletowego, atakiem patogenów lub owadów. Z
praktycznego punktu widzenia decydują one więc o produktywności roślin. Chociaż wiele laboratoriów na świecie
zajmuje się tym problemem, tylko parę z nich wykorzystuje model ruchu chloroplastów. Oprócz ważnych wyników
naukowych innym znaczącym efektem projektu jest poszerzenie bazy eksperymentalnej będącej do dyspozycji
młodych naukowców zespołu i studentów, którzy z nami stale pracują.