Az elıadás vázlata A FÉNY ÉS A FOTOMORFOGENEZIS A növények direkt hatása a növények növekedésére Fotoreceptorok A vörös fény receptora: a fitokróm rendszer A fitokrómok által szabályozott szignál átviteli folyamatok A növények növekedésének és fejlıdésének szabályozása A fény a fotoszintetizáló zöld növények életében esszenciális tényezı Belsı szabályozás Két, egymással szoros kapcsolatban lévı mechanizmus 1) intracelluláris jellegő genetikai szabályozás 2) intercelluláris hormonális szabályozás. Külsı környezet hatása Esszenciális tényezık Módosító jellegő tényezık A fény a fotoszintetizáló zöld növények életében esszenciális tényezı. A szárazföldi növények alkalmazkodtak a fény maximális hasznosításához. A fényhez való genetikai adaptáció a filogenezis során ment végbe. A fény specifikus hatással van az ontogenezisre is, a teljes génexpresszió csak fény jelenlétében játszódhat le. A növények fejlıdését, morfogenezisét a gének és a környezet - ezen belül elsısorban a fény - határozza meg. 1
A növények fényérzékelése Fotomorfogenezis és szkotomorfogenezis A növények érzékelik a fény hullámhosszát a fény intenzitását a fény beesésének irányát A fényérzékelés fontos, mert a fényfeltételek változnak a növekedési és fejlıdési folyamataik megfelelhetnek a változó környezeti feltételeknek. A növények normális fejlıdése fény jelenlétében megy végbe: fotomorfogenezis. A fény hiányában történı fejlıdés: szkotomorfogenezis A sötétben fejlıdött növényen a fény hiányában sajátos morfológiai és fiziológiai jegyek figyelhetık meg: etioláltság jelensége Fényen Sötétben A szkotomorfogenezis a növények életciklusa során természetes körülmények között is megfigyelhetı: még nincs fény (csírázás), már nincs elegendı fény (árnyékolás). A fotomorfogenezissel kapcsolatban alapvetı fontosságú kérdések Milyen a hatékony fény hullámhossza? Milyen fotoreceptorok érzékelik? Milyen a fotoreceptorok természete? Milyen típusai vannak? Melyek a jelátviteli út jellemzıi a fény érzékelésétıl a génexpresszióban bekövetkezı változásokig? Alapvetıen 2 fényreceptort ismerünk: a vörös fény receptorát (fitokróm rendszer) a kék fény és UV-A hullámhossz elnyeléséért felelıs kriptokrómokat. Az UV-B sugárzás érzékelésének mechanizmusa még nem tisztázott. Fotomorfogenezis A fotomorfogenezisben két tényezı nagyon fontos: 1) A hatékony fény hullámhossza 2) A fotoreceptor pigment A növények életciklusa során sokféle fény által meghatározott reakció: a levél felületi növekedése, az internódium megnyúlása, a virágzás, a mag csírázása, az antocianin képzıdés, a fotonasztia stb. Közös jellemzıik: hasonló hullámhosszúságú fény által szabályozottak, közel azonos az akcióspektrumuk. 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. 2
Kísérleti bizonyítékok a fotoreceptor jelenlétére A "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. Az átalakulás reverzibilis. 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 Vörös fény Távoli vörös 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. A fitokróm formák abszorpciós spektruma Átfedıdés nagyobb részt a vörös tartományban. Mindkettı jelen van, vörös fény hatására a P660 legnagyobb része átalakul P730 formává, de valamennyi P730 is átalakul. Vörös fény hatására az össz-fitokróm 85 %-a P730 forma. Sötétvörös fény hatására az összfitokróm 97 %-a P660 forma. De mindkét forma abszorbeál a kék tartományban is.. A P730 forma a fiziológiailag aktív forma!!!! 3
Fitokrómok Felépítés: Kék színe van, és minden molekula két részbıl áll, egy proteinbıl és egy nem protein, fényabszorbeáló részbıl: kromofór csoport + fehérje Kromofór-csoport: fitokromobilin, nyílt láncú tetrapirrol A fitokróm egy dimer: két apopeptidbıl épül fel. A fitokróm szerkezete Oldható fehérje, móltömege: 250 kda. Mindkét alegység két komponensbıl épül fel az apoproteinbıl és a kromofór csoportból. A kromofór csoport kémiailag és spektrális sajátosságok tekintetében hasonló az állatok epefestékéhez és egyes algák pigmentjeihez, a fikobilinekhez. Az apoprotein monomer 125 kda. apoprotein+kromofór= holoprotein. 1 apoprotein monomerhez 1 kromofor csoport (fitokromobilin) kapcsolódik.. A fitokróm dimer két monomerje egyenként a kromofort kötı (A) domainból és a kisebb kromofórt nem kötı domain-ból áll (B). A fény hatására történı transzformáció Kromofór csoport cisz/transz fotoizomerizációja 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. 4
A fitokrómokat kimutatni. A fitokrómok kimutatása a szövetekben a szövetekben spektrofotometriásan lehet A fitokróm szine átfedıdik a klorofilléval, ezért a zöld szövetekben a kimutatása nehéz. Sötétben nıtt növényekben, ahol nincs klorofill, a fitokróm jól kimutatható. A fitokrómok lokalizációja a sejtekben és a szövetekben Az etiolált csíranövényekben a legnagyobb mennyiségben a merisztematikus régióban fordul elı: apikális merisztéma és gyökér. Fiatal differenciálatlan szövetekben fordul elı nagy mennyiségben, ahol a mrns a legnagyobb mennyiségben van jelen és a promoterek legaktívabbak. Erıs korreláció van a fitokróm koncentráció és dinamikus fejlıdésre képes sejtek között, ami azt jelzi, hogy a fejlıdési változásokban fontos szerepe 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 zöld szövetekbıl izolált formák moltömege különbözik: Fitokróm I és Fitokróm II típusok. A Fitokróm I mennyisége a sötétben nıtt csíranövényekben 9-szer nagyobb, mint a Fitokróm II típusénak. Fényben nıtt csíranövényekben a két típus mennyisége hasonló. Az Fitokróm I. típus az ún. I. típusú (fotolabilis fitokrómtól függı) reakciókat szabályozza (pl. a CAB, a RBCS,FED-1 gének fényindukálta expressziója, valamint a pigmentképzés). A Fitokróm II. típus az ún. II. típusú (fotostabil fitokrómtól függı) reakciókat (ilyenek a fényen nıtt növények reakciói). A két fitokróm típus fehérje része különbözik. Fiziológiai válaszok Csírázás Virágzás Fotomorfogenezis levélnövekedés kloroplasztisz fejlıdés szár megnyúlás 5
A fitokrómok által szabályozott szignál átviteli folyamatok A reakciók megkülönböztetése: 1) Fotomorfogenetikus 2) Fotoperiódikus hatások alapján 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!! A fitokróm által szabályozott folyamatok Válaszok a besugárzás intenzitása szerint: Nagyon kis besugárzási reakció, VLFR (very-low fluence response) 0,1nmol m -2 (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 (hipokotil növekedés gátlás) Nagy besugárzási reakció, HIR (high-irradiance response) Kis besugárzási reakció, LFR (low-fluence reponse) Fényintenzitás: 10 mmol m -2 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 Antocián szintézis kétszíkő csíranövényekben Hipokotil megnyúlás gátlása etiolált csíranövényekben (saláta, mustár, petunia) Virágzás indukció (Hyoscyamus) Sziklevél növekedés (saláta) Etilén termelés (gyapot) HIR akcióspektrum maximuma a távoli vörösben és az UV-A tartományban van. 6
A zöld növények HIR Akció spektruma Az etolált csíranövények HIR válaszaa folyamatos vörösön túli sugárzásra gyorsan csökken, amint a csíranövények zöldülnek. A hipokotil növekedés gátlásának akcióspektruma Fényen nıtt növényekben a HIR akció spektrumban csak egyetlen csúcs van: a vörös tartományban, hasonlóan a LFR válaszokhoz A változó fényviszonyokhoz való alkalmazkodás Természetes feltételek között: Változások a fényintenzitásban és a vörös/sötérvörös fény arányában 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. Az R:FR arány és az árnyékolás A fitokrómok lehetıvé teszik, hogy a növények képesek legyenek érzékelni a többi növényt és az árnyékfényt. Árnyékkerülési stratégia: A szár növekedéssel reagálnak az árnyékolásra Ha növekszik az árnyék, a R/FR arány csökken. A nagyobb FR fény hatására a Pfr átalakul Pr formává, és a Pfr/összP csökken. Ha a fény növények árnyékban nınek (alacsony Pfr/összP arány) nagyobb mértékő szármegnyúlást mutatnak, magasabbra nınek. Nem igaz ez az un. árnyéknövényekre, amelyeknél ha a Pfr/Pössz növekszik a szármegnyúlás nem csökken. Fénynövények, ill. árnyékkerülı növények árnyékban 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. 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 7
R/FR arány változása: nyiladék benépesülés A szomszéd érzékelése A szomszéd egyed detektálása Ökológiai és agro-ökológiai jelentısége is van. Nagy elsıdleges 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. A levelek alvó mozgását fitokróm szabályozza F: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. 8
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. A fitokróm szint szabályozása A fitokrómot egy multigén család kódolja: PHY (pl. a zab nukleáris genom legalább 4 fitokróm gént, ez.arabidopsisé 5 fitokróm gént tartalmaz). A géneket PHYA, PHYB, PHYC, PHYD és PHYE jelöléssel különböztetjük meg. A PHY gének genomikus DNS-ének szekvencia vizsgálata virágos és alacsonyabbrendő növényekbıl is megtörtént, és érdekes filogenetikai következtetéseket tett lehetıvé. Az apoprotein (kromofor nélkül): PHY, A holoprotein (apoprotein+kromofor): phy A kódolt aminósavszekvencia a zárvatermık esetében 3 alapvetı fitokróm protein meglétére utal, a phya, phyb és phyc esetében egyaránt divergens, mintegy 50 % homológiával. A gének valószínőleg génduplikációval keletkeztek. Elıször a (PHYA + PHYC) és PHYB alcsoportok, majd a PHYA és PHYC alcsoportok divergáltak, ez utóbbiak a virágos növények kialakulása körül. A PHY gének két fitokróm típust kódolnak Az expressziós mintázat alapján: a PHY géncsalád vagy I. vagy II.tipusú fitokrómok szerint csoportosítható. A PHYA az egyetlen gén, amely a Fitokróm I típust kódolja. A PHYA gén a transzkripciót tekintve a sötétben nıtt csíranövényekben aktív, de a fény az expresszióját erısen gátolja az egyszikőekben. a kétszikőekben kisebb mértékő a gátlás. Sötétben nıtt zab-ban a vörös fény csökkenti a fitokróm szintézist mert a Pfr forma a saját génjének az expresszióját gátolja. A PHYA mrns labilis, így ha az etiolált zab csíranövényeket fényre tesszük a PHYA mrns gyorsan eltőnik. Kétszíkőekben a fény hatása a PHYA átírására kevésbé drasztikus. A phya mennyiségét a fehérje lebontás is szabályozza. A Pfr forma fehérje részét PfrA-nak nevezik, ami szintén labilis. 9
Az egyszíkőekben gyorsan eltőnik a fitokróm I típus fényen, mert 1) gátlódik a transzkripciója, 2) a PHYA mrns degradálódik, mert labilis és 3) proteolízis játszódik le. A géncsaládból a többi gén PHYB PHYE kódolja a fitokróm II. típust. Zöld növényekben kimutathatók, de jelen vannak az etiolált csíranövényekben is. Különbség a PHYA-tól: A mrns-ük expressziója fényen nem változik jelentısen és a phyb-phye fehérjék stabilabbak a Pfr fromában, mint a phya A Pfr forma fehérje (PfrA) része labilis, destrukciójában az ubiquitinnek van szerepe. Az ubiquitin egy kis móltömegő polipeptid amely képes a fehérjéhez kovalensen képes kötıdni és a nagy proteolitikus komplex a proteasoma felismerı helyeként mőködik. A kétszikőekben csak kis mértékben csökken a phya mennyisége fényen a proteolízis miatt. A fitokróm molekulák és típusok közötti kölcsönhatások modellje A fotomorfogenezisben nemcsak a fitokrómrendszernek van szerepe A besugárzás hatása arányos az energia nagyságával: 1) kis energiareakciónak (KER): fitokrómok De: 2) számos reakcióválaszt relatíve hosszú ideig tartó (több óráig), ill. relatíve nagy fényenergiával való besugárzás hoz létre. Nagy energiareakció (NER): kriptokrómok Ezekben a kék és a sötétvörös fény hatásos. A kék fény esetében is megfigyelhetı a membránra gyakorol gyors hatás (H + extruzió, plazmamembrán ATPáz stimulálása), valamint genetikai szintő hatás. 10
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 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. A kék fény receptorai A kék fény elnyeléséért felelıs receptorok 400-500 nm és 320-380 nm is abszorbeálnak 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) Az elızıek a hipokotil megnyúlás gátlását, a virágzást ill. a fotoperiodiszmust szabályozzák. 4.Zeaxantin-violaxantin rendszer sztómanyitódás 11
.Zeaxantin-violaxantin rendszer A zárósejtek a kék fényt a zeaxantin foton abszorpcióján keresztül érzékelik. 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 H+-ATPáz aktiválódás K + influx stb. sztómanyitódás Abszcizinsav hatása Ca 2+ -influx csatorna Citoszol Ca 2+ K+ -influx csatorna A kék fény receptorai: kriptokrómok 12
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 abszorbeál (320-400 nm), megkülönböztetünk egy UV-B fotoreceptort is, amely az UV-B hullámtartományt (280-320 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 fény szinergista az antocianin szintézisében. 13