ABA - laboratory of systems biology

(Fito)hormony i przewodzenie
sygnałów u roślin (I)
Czym są fitohormony?
“........działają, jako chemiczne
przekaźniki, dzięki którym
aktywności jednych organów
koordynowane są z
aktywnościami innych”.
-Frits Went and Kenneth Thimann, 1937
Frits Went, 1903-1990
Kenneth Thimann, 1904-1997
Frits Went image courtesy of Missouri Botanical Garden ©2010 Kenneth Thimann photo courtesy of UC Santa Cruz
Czy termin ‘hormon’, w odniesieniu do substancji roślinnych, jest
uzasadniony?
Hormony roślinne
Hormony zwierzęce
•
•
•
•
•
•
•
Tylko małe cząsteczki
Produkowane w całej roślinie
Działają głównie na cele lokalne
(sąsiadujące komórki i tkanki)
Efekty danego hormonu różnią się w
zależności od interakcji z innymi
hormonami
Brak centralnej regulacji
Roślinne regulatory wzrostu?
•
•
•
Peptydy/białka oraz małe cząsteczki
Produkowane w wyspecjalizowanych
‘gruczołach’
Działają głównie na cele odległe
Efekty danego hormonu silnie
specyficzne
Regulowane przez centralny system
nerwowy
Hormony roślinne - 1
• Związki organiczne o niewielkiej masie cząsteczkowej, które
wpływają na odpowiedź fizjologiczną na bodźce środowiskowe,
działają w niewielkich stężeniach (zwykle poniżej 10-7 M). Nie są
bezpośrednio zaangażowane w procesy metaboliczne i rozwojowe,
ale wpływają na ich przebieg i kierunek.
Hormony roślinne - 2
Regulują lub integrują wiele procesów komórkowych, w tym:
podziały komórkowe,
wzrost komórek na objętość,
różnicowanie komórek.
oraz fizjologicznych, w tym:
Kwitnienie,
Dojrzewanie owoców,
Ruch (tropizmy), Spoczynek nasion,
Kiełkowanie nasion,
Starzenie się,
Opadanie liści,
Przewodzenie szparkowe.
Ich efekt zależy od obszaru działania,
stadium wzrostu rośliny i stężenia
hormonu.
Sygnały hormonalne są wzmacniane
poprzez ekspresje genów, aktywność
enzymów lub właściwości błon.
Hormony roślinne - 3
• Hormony roślinne są stosowane na dużą skalę w rolnictwie,
ogrodnictwie i biotechnologii, do modyfikowania wzrostu i rozwoju
roślin.
Klasyfikacja hormonów roślinnych
Główne klasy hormonów roślinnych
•
•
•
•
•
Auksyny
Cytokininy
Gibereliny
Kwas abscysynowy (ABA)
Etylen
Substancje ‘hormono-podobne’
produkowane przez rośliny
•
•
•
•
•
•
•
Poliaminy
Kwas jasmonowy
Kwas salicylowy
Brassinosteroidy
Florigeny
Fitochrom (fotoreceptor)
Tlenek azotu
Fitohormony – dawniej i dziś
Cytokinin
Gibberellic Acid
Auxin
Abscisic Acid
Ethylene
Strigolactone
Brassinosteroid
Salicylic
Acid
Jasmonic Acid
Jakość nasion
Kwas abscysynowy
(ABA) kontroluje liczne
procesy w roślinach, w tym
odpowiedź na stresy,
rozwój i reprodukcję
Spoczynek
Kiełkowanie
Kwas abscysynowy
Rozwój
Ekspresja genów
Odpowiedź na
stresy biotyczne
Otwieranie aparatów szpark.
Tolerancja na stresy
Adapted with permission from RIKEN
Biosynteza, homeostaza i
transport
Poziom ABA
rośnie
podczas
stresu, ale
spada gdy
stres ustaje
Jan Zeevaart (1930-2009) przyczynił
się w największym stopniu do
zrozumienia biosyntezy i homeostazy
ABA
Image courtesy of Michigan State University-Department of Energy Plant Research Lab; Zeevaart, J.A.D. (1980). Changes in the levels of
abscisic acid and its metabolites in excised leaf blades of Xanthium strumarium during and after water stress. Plant Physiol. 66: 672-678.
ABA jest syntetyzowany w plastydach i
cytoplazmie z barwnika roslinnego
zeaksantyny
Zeaksantyna
ABA2
ABA
Zeaksantyna
występuje obficie w
tkankach zielonych,
ale może być
czynnikiem
ograniczającym
syntezę ABA w
korzeniach
Reprinted from Nambara, E., and Marion-Pol, A. (2003) ABA action and interactions in
seeds. Trends Plant Sci. 8: 213-217 with permission from Elsevier.
Akumulacja i homeostaza ABA podlegają
ścisłej kontroli
Zeaksantyna Stres suszy (brak wody)
Sygnały rozwojowe
odwracalna
inaktywacja
NCED
Nawodnienie
Sygnały rozwojowe
9-cisksantoina
expoxycarotenoids
NCED (9-cis-dioksygenaza
epoksykarotenoidu) ekspresja
ściśle skorelowana z
szybkością syntezy ABA
[ABA]
Odwracalna
inaktywacja
Przemieszczanie ABA z korzeni może wspomagać
regulację otwarcia aparatów szparkowych
Przemieszczanie
się ABA może
być
zaangażowane w
sygnalizację
korzeń-pęd fr
Dobrze
nawodnione
rośliny z
otwartymi
aparatami
szparkowymi
i wysoka
szybkością
transpiracji
Rośliny w stresie
suszy z
zamkniętymi
aparatami
szparkowymi i
niska szybkością
transpiracji
Biosynteza, transport i homeostaza ABA podsumowanie
•Synteza ABA wzrasta w stresie suszy i
podczas dojrzewania nasion
•W wiekszości, choc nie we wszystkich
tkankach, NCED jest czynnikiem
limitującym syntezą ABA
•ABA może być degradowany do kwasu
fazeinowego lub odwracalnie koniugowany
w postać ABA-GE
•ABA może być transportowany w roślinie, z
korzeni do pędu i z tkanek naczyniowych do
aparatów szparkowych (?)
Recepcja i sygnalizacja
PYR1
Receprtory PYR/RCAR
ABA
Fosfatazy białkowe PP2C
(w tym ABI1)
Phosphatase
Kinazy białkowe (w tym
typu SnRK2 i CDPK)
Kinaza
P
P
TF
Odpowiedzi na ABA
Receptory PYR/RCAR są potrzebne do
odpowiedzi na ABA
Rośliny dzikie nie
kiełkują na pożywce
zawierającej ABA
Mutanty niewrażliwe na
pyrobactin są
niewrażliwe na ABA, i
kiełkują na pożywce
zawierającej ABA
Niewrażliwy na ABA
mutant abi1 kiełkuje
na pożywce
zawierającej ABA
From Park, S.-Y., et al., and Cutler, S.R. (2009). Abscisic acid inhibits type 2C protein phosphatases via the
PYR/PYL family of START proteins. Science 324: 1068-1071 reprinted with permission from AAAS.
Pyrobactin – syntetyczny sulfonamid naśladuje funkcjonalnie ABA
Receptory PYR/RCAR wiążą ABA w kompleksie z
ABI1 lub innymi białkami PP2C
Bez ABA
ABA
PYR1
PYR1
PP2C
PP2C
Reprinted from Raghavendra, A.S., Gonugunta, V.K., Christmann, A., and Grill, E. (2010) ABA
perception and signalling. Trends Plant Sci. 15: 395-401 with permission from Elsevier.
PP2Cs zakłóca działanie kinaz
białkowych SnRK2
Bez ABA
PYR1
ABI1
SnRK2
P
Brak
odpowiedzi na
ABA
W nieobecności
ABA, aktywność
kinazy białkowej
SnRK2 jest
hamowana przez
fosfatazy białkowe
PP2C
Wiązanie ABA / PYR1 sekwestruje PP2C i
umożliwia aktywność SnRK2
PYR1
PYR1, ABA i PP2C tworzą
kompleks, który inaktywuje
PP2C
To pozwala na aktywacje
SnRK2. Substratami fosforylacji
przez SnRK2s są kanały
jonowe i czynniki
transkrypcyjne
PP2C
(ABI1)
P
SnRK2
SnRK2
P
P
Kanały
jonowe
TF
P
Odpowiedzi na ABA
SnRK2 są kinazami białkowymi, które promują
odpowiedzi na ABA
Nadrodzina kinaz
białkowych CPDK-SnRK
P
SnRK2
P
P
TF
Ion
channel
Podrodzina SnRK2
P
Odpowiedzi na ABA
Hrabak, E.M., Chan, C.W.M., Gribskov, M., Harper, J.F., Choi, J.H., Halford, N., Kudla, J., Luan, S., Nimmo, H.G., Sussman, M.R., Thomas, M., WalkerSimmons, K., Zhu, J.-K., and Harmon, A.C. (2003). The Arabidopsis CDPK-SnRK superfamily of protein kinases. Plant Physiol. 132: 666-680.
Sygnalizacja ABA przyczyniła się do ewolucji tolerancji
na suszę u roślin lądowych
Reprinted from Umezawa, T., Nakashima, K., Miyakawa, T., Kuromori, T., Tanokura, M., Shinozaki, K., and Yamaguchi-Shinozaki, K. (2010). Molecular basis of the core
regulatory network in ABA responses: Sensing, signaling and transport. Plant Cell Physiol. 51: 1821-1839 with permission from the Japanese Society of Plant Physiologists.
Głównymi celami kinaz CDPK i SnRK2 sa czynniki
transkrypcyjne (TF)
ABA
PYR1
Część TF zidentyfikowano genetycznie
PP2C
P
SnRK2
Część TF zidentyfikowano biochemicznie
SnRK2
CDPK sa
kinazami
białkowymi
zależnymi do
cyklin
CDPK
Odpowiedzi na ABA
P
TF
Cele transkrypcyjne
Geny
odpowiedzialne
za sygnalizację
Geny indukowane stresem i
suszą
Głównym wynikiem
sygnalizacji ABA są zmiany w
profilu transkrypcyjnym. Wiele
z pośród genów, których
transkrypcja jest indukowana
ma funkcje w osmoprotekcji.
Geny specyficzne
dla nasion
Geny metabolizmu
ABA
Sygnalizacja ABA - przegląd
PYR1
Receptory PYR/RCAR
ABA
Fosfatazy PP2C (łącznie z
ABI1)
Phosphatase
Kinazy białkowe (w tym z
grup SnRK2 i CDPK)
Kinase
P
PP
Kanały
jonowe
TF
TF
P
Odpowiedzi na ABA
Funkcje ABA w procesach w całej
roślinie
•Odpowiedzi komórek
szparkowych
•Wzrost korzenia
•Odpowiedzi wegetatywne na
susze i osmoprotektanty
•Rozwój nasion
•Odpowiedzi na stresy biotyczne
•Rośliny tolerujace suszę
Komórki szparkowe są bramami wpuszczającymi
CO2 i wypuszczającymi H2O
CO2C
Sirichandra, C., Wasilewska, A., Vlad, F., Valon, C., and Leung, J. (2009a). The guard cell as a single-cell model towards understanding
drought tolerance and abscisic acid action. J. Exp. Bot. 60: 1439-1463. by permission of Oxford University Press.
ABA reguluje turgor komórek szparkowych za
pomocą złożonych sygnałów
Turgor komórek szparkowych jest
regulowany przez złożoną sieć
oddziałujących z sobą wtórnych
przekaźników, pH, potencjału
błonowego, fosforylacji białek,
kanałów jonowych – i wielu innych
elementów!!
PP2C
ABA
Wewnętrzna ściana
NO
H2O2
Ca2+
CDPK
K+
K+
A-
K+
K+
SnRK2
Susza i ABA promują wzrost korzenia kosztem wzrostu
pędu
Rosnący stres suszy
Sharp, R.E., Silk, W.K., and Hsiao, T.C. (1988). Growth of the maize primary root at low water potentials : I.
Spatial distribution of expansive growth. Plant Physiol. 87: 50-57.
Rośliny tolerujące wysychanie ujawniają ważne
mechanizmy komórkowe
Podlewana kontrola
Niektóre rośliny, jak
widliczka łuskowata lub
‚resurection plant’,
przeżywają przy utracie
90% wody
Niepodlewane 5 dni
Nawodnienie
Craterostigma
plantagineum
(Zmartwychwst
anka)
Nawodnienie
Selaginella tamariscina
Liu, M.-S., Chien, C.-T., and Lin, T.-P. (2008). Constitutive Components and Induced Gene Expression are Involved in the Desiccation Tolerance of
Selaginella tamariscina. Plant and Cell Physiology 49: 653-663, by permission of the Japanese Society of Plant Physiologists; Bohnert, H.J. (2000).
What makes desiccation tolerable? Genome Biology, published by BioMed Central.
ABA kontroluje dojrzewanie nasion, spoczynek, i
tolerancję na wysychanie
Spoczynek nasion
i tolerancja na
wysychanie sa
skorelowane z
wysokim
poziomem
syntezy i
akumulacji ABA
ABA
GA
Rozwój
embrionalny
Akumulacja
rezerw
Tolerancja na
wysychanie
Mobilizacja
rezerw
Ekspansja
komórek
Kiełkowanie
obejmuje
katabolizm ABA i
syntezą GA
Ku roślinom tolerującym suszę
Próbuje się wielu podejść, aby uzyskać
rośliny tolerujące suszę
•Modyfikacje syntezy ABA i jego inaktywacja w
celu obniżenia transpiracji
•Zmniejszenie wrażliwości komórek
szparkowych na ABA w celu obniżenia
transpiracji
•Zwiększenie wzrostu korzenia w celu
lepszego pobierania wody
•Indukowana suszą ekspresja genów
promujących tolerancje na brak wody
ABA - podsumowanie
Hormon ABA i jego szlak
sygnalizacyjny odegrały kluczowa
role w ewolucji roślin lądowych
ABA bierze udział w
odpowiedziach
fizjologicznych, rozwojowych
i obronnych w całej roślinie
Badania nad ABA są
bardzo ważne dla
konstrukcji roślin
odpornych na stresy
środowiskowe
Linker histones are abundant component of
chromatin
• formation of higher-order
chromatin structure
• evolutionary conserved
• multiple variant forms
Subtypes of linker histones
Cell
type
H1
varian
t
Canonical
(somatic)
H1.0
H1.1
H1.2
H1.3
H1.4
H1.5
H1.X
Testisspecific
H1t
H1t2
HILS1
Oocytespecific
H100
triple h1 mutant is
lethal
(Fan et al., 2005; Wierzbicki et al., 2005)
Subtypes of linker histones
Cell
type
H1
varian
t
Canonical
(somatic)
H1.0
WT
h1 triple RNAi
H1.1
H1.2
H1.3
H1.4
H1.5
H1.X
Testisspecific
H1t
h1 triple RNAi
Cell type
H1
variant
Canonical
(somatic)
H1.1
Stressinducible
H1.3
H1t2
HILS1
Oocytespecific
H100
triple h1 mutant is
lethal
(Fan et al., 2005; Wierzbicki et al., 2005)
H1.2
Plants posses stress-iducible H1
DICOTS
Cell type
H1
variant
Canonical
(somatic)
H1.1
Stressinducible
H1.3
H1.2
MONOCOTS
STRESSINDUCIBLE
HMG I/Y - TYPE
Jerzmanowski et al., Plant Biol. 2000
GREEN ALGAE
The structure of canonical H1s is similar in all
living organisms
C-tail
N-tail
Long
GH1
Globular domain
Exceptionally long
H1.3 has shorter N- and C-tails
C-tail
N-tail
Long
GH1
Exceptionally long
Globular domain
(Canonica
l)
Somatic
(S/T)PX
K
H1.1
H1.2
Stressinducibl
e
H1.3
What is the role of
this stressinducible H1.3
variant?
WT
h1.3
Dry weight [mg]
low light/drought
40
35
30
25
h1.3
WT
control
20
15
WT
h1.3
10
5
0
h1.3
WT
Drought/low light
WT
h1.3
180
h1.3
WT
h1.3
WT
h1.3
WT
Drought/low light
Realtive H1.3 mRNA level
160
H1.3
140
110
120
100
80
60
40
20
1
11
12
low light
drought
0
control
drought/low light
Summary
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
H1.3
1
wt
110
11
12
H1.3 is …
• ...a representative of group of
linker histones specific for
plants
• ... synergisticly induced by
combined stress
h1.
3
• …involved in plant adaptation
to low light/drought stress
H1.3 binds nucleosome with the lowest affinity and
exchanges most rapidly
H1.
3
H1.
1
Prebleach
Bleach
0.2s
5s
33.7s
133.7s
302.6s
H1.
H1.
2
3
H1.
1
H1.
2
H2B
H1.2 binds nucleosomes with
the highest affinity and
exchanges most slowly
• Mechanisms by which environmental conditions are communicated to
the genome and affect transcription, enabling adaptive responses,
are poorly understood.
• We assessed the developmental, physiological and molecular role of
the ‘stress inducible’ linker histone H1.3 in the adaptation of
Arabidopsis thaliana to combined light limitation and drought.
• Here we present evidence that H1.3, a member of a subfamily of
plant H1 histones conserved in angiosperms but absent in mosses,
ferns and gymnosperms, plays a key role in the Arabidopsis
response to complex abiotic stresses.
• H1.3 appears to act as a hormone-dependent pioneer transcription
factor capable of recognizing genes with positioned nucleosomes at
promoter regions enriched in epigenetic memory marks associated
with active or potentially active cis-regulatory elements and enabling
epigenetic and transcriptomic states by competing with the main H1
variants.
• The structural and cis-regulatory subfunctionalization that led to the
evolution of ‘stress-inducible’ H1 variants may have helped to
promote the rapid radiation of angiosperm plants on Earth.
Rutowicz et al. submitted 2014
Acknowledgments
Laboratory of Plant Molecular
Biology, University of Warsaw
& IBB PAN
Marcin Puzio
Joanna Halibart-Puzio
Maciej Kotliński
Maciej Lirski
Magdalena Kroteń
Rafał Archacki
Bartek Lange
Marta Koblowska
Roksana Iwanicka
Szymon Świeżewski
Antoni Palusiński
Andrzej Jerzmanowski
Department of Mathematics
and Informatics, University of
Warsaw
Bartek Wilczyński
Jerzy Tiuryn
Warsaw
Cracow
Center of Mathematical
Modeling, University of
Warsaw
Łukasz Kniżewski
Krzysztof Ginalski
University of Agriculture in
Cracow
 Janusz Kościelniak
 Katarzyna Śniegowska-Świerk
 Katarzyna Żmuda
 Marcin Rapacz