A FÉNY ÉS A FOTOMORFOGENEZIS

Átírás

1 Fotomorfogenezis A fény direkt hatása a növények növekedésére és fejlıdésére A FÉNY ÉS A FOTOMORFOGENEZIS A fény a fotoszintetizáló zöld növények életében meghatározó környezeti tényezı. A szárazföldi növények ideálisan alkalmazkodtak a fény maximális hasznosításához. A fényhez való genetikai adaptáció a szárazföldi növényeknél a filogenezis során ment végbe. A fény specifikus hatással van az ontogenezisre is, mivel teljes génexpresszió csak fény jelenlétében játszódhat le. A növények fejlıdését, morfogenezisét a gének és a környezet - ezen belül elsısorban a fény - szoros interakciója jellemzi. A magasabbrendő növények normális fejlıdése a fotomorfogenezis. Szkotomorfogenezis A fotomorfogenezisben két tényezı nagyon fontos: 1) A hatékony fény hullámhossza 2) A fotoreceptor pigment A sötétben fejlıdött növényen a fény hiányaban sajátos morfológiai és fiziológiai jegyek figyelhetık meg, ezt a tünetkomplexumot etioláltság jelenségének hívjuk. A fény hiányában történı fejlıdés: szkotomorfogenezis Ez egy olyan fejlıdési stratégia, amely a növények egyedi élete során természetes körülmények között is megfigyelhetı: még nincs fény (csírázás), már nincs elegendı fény (árnyékolás). Különbözı, fény által meghatározott reakciók, mint a levél felületi növekedése, az internódium megnyúlása, a virágzás, a mag csírázása, az antocianin képzıdés, a fotonasztia stb., - csaknem pontosan ugyanolyan hullámhosszúságú fény által szabályozottak; azaz közel azonos az akcióspektrumuk. Ezekben a reakciókban a vörös fény hatásos, amelynek hatásmaximuma 660 nm-nél van. Egy vörös fényt abszorbeáló pigment szerepel ezekben a folyamatokban. A pigment aktiválásához alacsony fényintenzitás és rövid ideig gyakran néhány mp-ig vagy percig tartó besugárzás teljesen elegendı. 1

2 "Grand Rapids" saláta kísérlet 1. A csírázás akcióspektrumának meghatározásához a "Grand Rapids" saláta változat magját használták. A csírázást stimulálta a 660 nm hullámhoszúságú, vörös fény. A csírázást gátolni lehet 730 nm hullámhosszúságú, sötétvörös fénnyel. A vörös és sötétvörös fény antagonista hatású. Váltakozó vörös (660 nm) és sötétvörös (730 nm) fénnyel történı megvilágítás, majd sötétbe helyezés A csírázás csak azoknál a magvaknál, amelyeknél az utolsó megvilágítás vörös fénnyel (660nm) volt. "Grand Rapids" saláta kísérlet 2. A vörös fény aktiválja a pigmentet, amely azután elıidézi a csírázást. A pigment elveszíti az aktivitását amikor sötétvörös fényt abszorbeál. A vörös fény a pigmentet sötétvörös fényt abszorbeáló formává alakítja. A váltakozó besugárzás hatása: vörös és sötétvörös besugárzással a két pigment forma egymásba átalakítható. A pigment rendszert fitokrómrendszernek (P) nevezzük: Két formája van:p660 (vörös fényt abszorbeáló forma): P R P730 (sötétvörös fényt abszorbeáló forma) P FR Sötétben nıtt növényben, vagy magban: a fitokróm P660 forma. Napfényben (vörös+sötétvörös): A P660 P730 átalakulás egyensúlya jobbra tolódik, mivel kisebb energiát igényel, mint a fordított folyamat. Spektrális tulajdonságok: Átfedıdés a vörös tartományban. Mindkettı jelen van, vörös fény hatására a P660 legnagyobb része átalakul P730 formává, de valamennyi P730 is átalakul. Így vörös fénynél az össz-fitokróm 85 %-a P730 forma. Sötétvörös fény hatására 97 % P660. De mindkét forma abszorbeál a kék tartományban is.. A P730 forma a fiziológiailag aktív forma!!!! Fitokrómok Felépítés: Kromofor csoport + fehérje Kromoforcsoport: fitokromobilin, nyílt láncú tetrapirrol A fitokróm kis mennyiségben fordul elı a növényi szövetekben, de spektrofotometriásan mérhetı. Kék színe van, és minden molekula két részbıl áll, egy proteinbıl és egy nem protein, fényabszorbeáló részbıl. A kromofór csoport kémiailag és spektrális sajátosságok tekintetében hasonló az állatok epefestékéhez és egyes algák pigmentjeihez, a fikobilinekhez. 2

3 A fitokróm egy dimer: két aplopetidbıl épül fel. Oldható fehérje, móltömege: 250 kda. Mindkét alegység két komponensbıl épül fel az apoproteinbıl és a kromofór csoportból. Az apoprotein monomer 125 kda. Az apoprotein+kromofor= holoprotein. A kromofor a fitokromobilin, lineáris tetrapirrol. 1 apoprotein monomerhez 1 kromofor csoport kapcsolódik.. Fitokromobilin A pasztiszokban szintetizálódik A fény hatására történı transzformáció: Kromofór csoport cisz/transz fotoizometrizációja Protontranszfer a tetrapirrol láncban a fototranszformáció alatt, vagy a P730 formában A protein konformáció változása A fitokróm szintézis lokalizációja A fitokróm apoprotein a sejtmagban kódolt. A fitokromobilin a plasztiszban szintetizálódik. A szintézis útja a klorofillok szintézisútjával kapcsolt: 5-aminolevulinsavból indul ki, a klorofill bioszintézis út elágazásaként. Az apoportein és fitokromobilin a citoszolban egyesül autokatalitikus folyamatban holoproteinné. A fitokrómok két csoportját azonosították A fitokróm legnagyobb mennyiségben az etiolált csíranövényekben van jelen. Nagyok kevés van jelen a zöld szövetekben. Az etiolált és a zölt szövetekbıl izolált formák móltömege különbözik: Fitokróm I és Fitokróm II típusok. A Fitokróm I a sötétben nıtt csíranövényekben 9-szer nagyobb a mennyisége mint a Fitokróm II típusénak. Fényben nıtt csíranövényekben a két típus mennyisége hasonló. A két forma fehérje része különbözik. 3

4 A fitokrómok lokalizációja a sejtekben és a szövetekben A fitokrómokat a szövetekben spektrofotometriásan lehet kimutatni. A fitokróm szine átfedıdik a klorofilléval, ezért a zöld szövetekben a kimutatása nehéz. Sötétben nıtt növényekben, ahol klorofill nincs a fitokróm jól kimutatható. Az etiolált csíranövényekben a legnagyobb mennyiségben a merisztematikus régióban fordul elı: apikális merisztéma és gyökér. A fitokróm által szabályozott folyamatok Fotoperiódikus, nem fotoperiódikus Fotomorfogenetikai, nem fotomorfogenetikai reakciók Fiatal differenciálatlan szövetekben fordul elı nagy mennyiségben, ahol a mrns a legnagyobb mennyiségben van jelen és a prométerek legaktívabbak. Erıs korreláció van a fitokróm koncentráció és dinamikus fejlıdésre képes sejtek között, ami azt jelzi, hogy a fejlıdési változásokban fontos szerepe A fitokrómok által szabályozott szignál átviteli folyamatok A reakciók megkülönböztetése: 1) Fotomorfogenetikus 2) Fotoperiódikus hatások alapján és a 3) Az indukcióhoz szükséges vörös fény intenzitása szerint Az indukcióhoz szükséges vörös fény mennyiségét mol m-2 egységekben mérik. Minden reakciónál a megvilágítás erısségének a nagysága jellemzı, e felett a reakció mértéke arányos a fényintenzitással. A határérték nagyon különbözı!! Fiziológiai válaszok Csírázás Virágzás Fotomorfogenezis levélnövekedés kloroplasztisz fejlıdés szár megnyúlás 4

5 A fitokróm által szabályozott folyamatok Az indukcióhoz szükséges vörös fény intenzitása szerint: Az indukcióhoz szükséges vörös fény mennyiségét mol m -2 egységekben mérik. Minden reakciónál a megvilágítás erısségének a nagysága jellemzı, e felett a reakció mértéke arányos a fényintenzitással. A határérték nagyon különbözı!! A fitokróm által szabályozott folyamatok Válaszok a besugárzás intenzitása szerint: Nagyon kis besugárzási reakció VLFR (very-low fluence response) 0,1nmol m -2 pl. de-etioláció, nem reverzibilis!) Kis besugárzási reakció LFR (low-fluence response) 1µmol m -2 pl. csírázás, reverzibilis hatás! Nagy besugárzási reakció HIR (high-irradiance response) 10 mmol m -2 pl.hipokotil növekedés gátlás Kis besugárzási reakció, LFR (low-fluence reponse) Küszöbérték: 1µmol m -2 s -1, (pl. csírázás, reverzibilis hatás!) Telítıdik 1000 µmol m 2 -nél. A legtöbb red/far-red fotoreverzibilis válasz ide tartozik pl. a saláta csírázása. Akcióspektrum: Az LFR akció spektrumok fı csúcsa a csírázás stimulációhoz 660 nm-nél és a gátlása pedig 720 nm-nél van. Válaszreakciók Sokfélék Nagy besugárzási reakció, HIR (high-irradiance response) Fényintenzitás: 10 mmol m -2 A reakciók hosszú (órák) vagy folyamatos megvilágítást igényelnek. Antocián szintézis indukciója kétszikő csíranövényekben Virágzás indukció (Hyoscyamus) Sziklevél növekedés (saláta) Etilén termelés (gyapot) Hipokotil megnyúlás gátlása etiolált csíranövényekben (saláta, mustár, petunia) 5

6 Nagy besugárzási reakció, HIR (high-irradiance response) Etiolált csiranövények hipokotil megnyúlásásának gátlása (saláta, mustár, petunia) A reakció jellemzıi: A reakcióspektrum maximuma a távoli vörösben és az UV-A tartományban van. De: Az etiolált csíranövények HIR válasza a folyamatos vörösön túli sugárzásra gyorsan csökken, amint a csíranövények zöldülnek. A zöld növények HIR Akció spektruma A hipokotil növekedés gátlásának akcióspektruma fényen: Fényen nıtt növényekben a HIR akció spektrumban csak egyetlen csúcs van: a vörös tartományban, hasonlóan a LFR válaszokhoz Az etiolált csíranövények HIR távoli vörös fényre adott válasza a Fitokróm I nagyon labilis pooljának a csökkenésével áll összefüggésben. A zöld növények vörös fényre adott válaszát pedig a Fitokróm II közvetíti. A változó fényviszonyokhoz való alkalmazkodás Változások a fényintenzitásban és a vörös/sötérvörös fény arányában Változások a vörös/sötétvörös reverzibilis pigment jelenlétében és arányaiban. Ez indikátora lehet az árnyékolás mértékének. Az R:FR arány és az árnyékolás A fitokrómok lehetıvé teszik, hogy a növények képesek legyenek érzékelni a többi növényt és az árnyékfényt. vörös távoli vörös Ha növekszik az árnyék, a R/FR arány csökken. A nagyobb FR fény hatására a Pfr átalakul Pr formává, és a Pfr/összP csökken. A növények árnyékkerülési stratégiája: A szárnövekedéssel reagálnak az árnyékolásra 6

7 A szomszéd érzékelése Az R:FR arány és az árnyékolás A növények árnyékkerülési stratégiája: A szárnövekedéssel reagálnak az árnyékolásra Fénynövények reakciója : ha árnyékban nınek (alacsony Pfr/összP arány) nagyobb mértékő szármegnyúlást mutatnak, magasabbra nınek. Árnyéknövények reakciója: ha a Pfr/Pössz növekszik a szármegnyúlás nem csökken. Árnyékban a fénynövények, ill. az árnyékkerülı növények a szerves anyagokat a gyors növekedésre allokálják. Elıny: a fotoszintetikusan aktív sugárzás hatékony kihasználása. Az ára: az internódium megnyúlás rendszerint redukált levél területet és redukált hajtásképzıdést von maga után. árnyéknövények fénynövények A szomszéd növény és az egyedsőrőség érzékelése Egyedek közötti kompetíció A szomszéd növény érzékelése a visszaverıdı vörös fény alapján A fitokróm segítségével Alacsony LAI-nál a a horizontálisan elhelyezkedı levelekre PAR besugárzást a szomszédos egyed nem befolyásolja. A függılegesen elhelyezkedı szár esetében a beesı távoli vörös fény fluxusa a LAI növekedésével növekszik 1-nél nagyobb LAI mellett csökken mind a kék, mind a vörös fény fluxusa A szomszéd egyed detektálása Ökológiai és agro-ökológiai jelentısége is van. Nagy primer produktivitású környezetben az egyed számára alapvetı fontosságú, hogy az egyedsőrőségnek megfelelı morfológiai választ adjon (fotomorfogenetikus plaszticitás). A szomszéd egyedek közötti fotomorfogenetikus jelzırendszer biztosítja a populáció méret - denzitás egyensúlyát. Ez a stabilizációs mechanizmus alakítja ki a monokultúrák termés - denzitás viszonyát, azaz meghatározza a területegységre elhelyezhetı optimális növényszámot. 7

8 A levelek alvó mozgását fitokróm szabályozza R:FR arány és a csírázás Néhány növényfajnál a fényminıség befolyásolja a csírázást. Nagy magvú fajok: késleltetett csíranövény növekedés sötétben (talajfelszín alatt) és nem igényelnek fény a csírázáshoz. Niktinasztia: cirkadián ritmus, a fény szabályozza. A levelek/ vagy levélkék nappal horizontálisan helyezkednek el, éjszaka pedig vertikálisan egymáshoz simulnak. Mimosa, Albizia fajok Oka: ritmikus turgor változás a pulvinus sejtekben, a levélnyél alapjánál. Kis magvú fajok (pl. füvek) fényt igényelnek a csírázáshoz, sok közülük fény hiányában nyugalmi állapotban marad, hidratált állapot ellenére is, ha a talajban van eltemetve. Ha a talaj felszín közelében vannak a magvak és lombkorona által árnyékolt helyzetben (alacsony R/FR) vannak, a csírázásuk gátlódik. Niktinasztia A levélalapnál a pulvinus ellenkezı oldalán lévı sejtek (ventrális és dorzális motorikus sejtek) turgor változásaival magyarázható. A turgor változás a dorzális és ventrális sejtek plazmamemránján keresztül történı a K + és Cl ionfluxustól függ. A levelek kiterülnek, ha a dorzális motorikus sejt ionokat akkumulál, amit vízfelvétel követ, a sejtek megduzzadnak, miközben a ventrális motorikus sejtek ionokat veszítenek és zsugorodnak. A levelek összecsukódásakor az ellenkı változások játszódnak le. Niktinasztia Ha a ritmus inicializálódott a levelek nyitódásának és záródásának a ritmusa megmarad állandó sötétben A ritmus fázisát különbözı külsı tényezık eltolhatják: pl. vörös és kék fény A fény közvetlenül hatással van a mozgásra: a kék fény stimulálja a zárt levelek nyitódását A vörös fény sötétet követıen a levelek záródását váltja ki. A levelek 5 percen belül záródni kezdenek, amikor sötétbe kerülnek és 30 percen belül bezáródnak. A távoli vörös fény a vörös fény hatását kioltja: fitokróm közvetíti a választ. Gyors fitokróm által közvetített fény válasz. 8

9 A növények fény válaszai a besugárzási energia szerint különböznek A besugárzás hatása arányos az energia nagyságával: 1) Kis energiareakcik (KER) fotoreceptorok: fitokrómok 2) Számos reakcióválaszt relatíve hosszú ideig tartó (több óráig), ill. relatíve nagy fényenergiával való besugárzás hoz létre. Nagy energiareakció (NER): Ezekben a kék és a sötétvörös fény hatásos. Fotoreceptorok: fitokrómok és kriptokrómok 3) A kék fény esetében is megfigyelhetı a membránra gyakorol gyors hatás (H + -extruzió, plazmamembrán ATP-áz stimulálása), valamint genetikai szintő hatás. A fotomorfogenezisben nemcsak a fitokróm-rendszernek van szerepe A NER hatására létrejött reakciókat három csoportba oszthatjuk: 1. A NER-nek kizárólagos szerepe van a növekedés szabályozásában. Pl. a saláta csíranövény hipokotiljának növekedésére a vörös fény hatástalan, de a hosszabb ideig tartó kék vagy sötétvörös besugárzás gátolja. A napfény gátló hatása ebben az esetben a kék sugarak hatásával kapcsolatos és nem a vörösével. 2.A NER ellentétes hatású a rövid ideig tartó vörös megvilágítással. Pl. a saláta csíranövény hipokotilkampójának kiegyenesedését a rövid ideig tartó vörös fény gátolja, a kék fény serkenti. 3. Hosszabb ideig tartó kék fény ugyanolyan hatású, mint a rövid ideig tartó vörös fény. Pl. a fehér mustár sziklevelének kiterülése és néhány fajnál az internódium megnyúlásának gátlása. Mivel a fitokróm is abszorbeálja a kék fényt a reakcióválasz lehet a fitokróm, vagy a kriptokróm, vagy mindkettı által szabályozott. Kék fény válaszok: a kriptokrómok szerepe A kék fény receptorai Kriptokróm A NER fotoreceptor pigmentje az egész növényvilágban általánosan elıforduló pigment, elnevezése arra utal, hogy elıször alacsonyabbrendőeknél (kriptogámoknál) mutatták ki, valamint arra, hogy a molekula kémiai szerkezetét még nem ismerjük ("cryptic nature"). Általában flavinokra gondolnak, de karotinoidok is potenciális kromofor jelöltek. Legalább 3-féle kék fény receptort azonosítottak. A kék fény elnyeléséért felelıs receptorok nm és nm is abszorbeálnak 9

10 A kék fény receptorai:kriptokrómok zavaró, hogy a fitokrómok szintén abszorbeálnak kék tartományban!!! 1.Kriptokróm-1 (CRY1) mikrobiális DNS-fotoliázhoz hasonló 2.Kriptokróm-2 - Hipokotil növekedés szabályozása, Kis fényintenzitás mellett 3.Fototropin (domének: szerin-treonin kináz, fény,-oxigén, feszültség-érzékeny (LOV) domén A fototropin, a fototropizmus receptora A fototropizmus a növényi szervek fényindukálta, aszimmetrikus,helyzetváltoztató növekedési válasza, amel ynek elsı lépése a kék fény érzékelése. A kék fény receptora ebben az esetben egy membránhoz kötött 120 kda tömegő protein, amel y a megvilágítás hatására foszforilálódik. Az apoproteinen három domén: a C-terminális felıl egy szerin-treonin kináz, az N-terminálisnál pedig két, fén y-, oxigén-, és feszültség-érzékeny domén (LOV; light, oxygen, voltage). Tulajdonképpen ez szintén flavoprotein, amely a flavin mononukleotidot (FMN) a LOV domén segítségével köti meg. A fototropin tehát egy kináz, amely kékfény-függıfoszforilációt végez. A jelátvitelben szerepet játszó következı a citoszol Ca2+ konc. Az elızıek a hipokoltil megnyúlás gátlását, a vbirágzást ill. a fotoperiodzmust szabályozzák. 4.Zeaxantin-violaxantin rendszer sztómanyitódás Fototropizmus.Zeaxantin-violaxantin rendszer A zárósejtek a kék fényt a zeaxanthin foton abszorpcióján keresztül érzékelik. Fényen Sötétben H + -ATPáz aktiválódás K + influx Stb. sztómanyitódás 10

11 A fény és a hormonok hatása a sztómákra és a zárósejtekre Vörös és kék fény hatása: Malátképzıdés Plazmalemma ATP-áz aktivitás (protonpumpa) Auxinok hatása: Protonpumpa Anion csatorna Abszcizinsav hatása Ca 2+ -influx csatorna Citoszol Ca 2+ K+ -influx csatorna UV-B fotoreceptor Sok olyan reakcióválasz van a növényeknél, amelyet az UV sugárzás idéz elı. A kék fény fotoreceptora mellett, amely az UV-A tartományt is abszorbeálja ( nm), megkülönböztetünk egy UV-B fotoreceptort is, amely az UV-B hullámtartományt ( nm) abszorbeálja. Az UV-B tartomány specifikus, de nem szükségszerően károsító hatású a növényekre, pl. a pigmentképzésben és a növekedés szabályozásában. A specifikus UV-B hatás megjelenése a fitokróm és a kék fény fotoreceptor szimultán aktivációjától függ. A vörös és a 312 nm hullámhosszúságú UV-B sugárzás szinergista az antocianin szintézisében. 11