J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin

1. J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin 4: Fyziologický a ekologický význam cirkadiánních rytmů

3. Význam cirkadiánních rytmů pro rostliny • každá rostlina vykazuje velmi velké množství jednotlivých cirkadiánních rytmů (např. odhadem u 5-30% všech genů Arabidopsis thaliana existuje rytmus v hladině mRNA) • pozorované cirkadiánní rytmy lze rozdělit do několika (částečně se překrývajících) kategorií podle jejich předpokládaného významu pro rostlinu: • načasování procesů do vhodné denní doby • ochrana před každodenně se opakujícími nepříznivými podmínkami • časová kompartmentace vzájemně nekompatibilních procesů • časová koordinace fyziologických pochodů • měření délky dne a noci ve fotoperiodizmu • adaptivní význam cirkadiánní rytmicity se zdá být v řadě případů evidentní, nicméně je nutno ho testovat experimentálně! - blíže v příští přednášce

4. endogenní regulace cirkadiánním rytmem přímá indukce světlem • Role cirkadiánní rytmicity v regulaci fyziologických procesů • procesy regulované cirkadiánním oscilátorem jsou zpravidla ovlivňovány rovněž jinými faktory (vlivy prostředí, vzájemná interakce metabolických drah aj.) • u rostlin je dosti častá společná regulace cirkadiánním rytmem a přímým účinkem světla transkripce genupro CAB protein u Arabidopsis v LD 12:12 (měřeno pomocí luminiscence),Millar a Kay 1996

5. Role cirkadiánní rytmicity v regulaci fyziologických procesů • vliv cirkadiánního oscilátoru na sledovaný molekulární nebo fyziologický jev může být dvojí: • cirkadiánní rytmus přímo kontroluje jeho rychlost, intenzitu apod. • cirkadiánní rytmus řídí citlivost sledovaného jevu k jiným podnětům (vnějším či vnitřním)- tzv. „gating“ • oba mechanizmy se mohou i kombinovat

6. Circadian modulation of the acute response to light. Light-grown plants were transferred to DD at the normal lights-off time of thepreceding LD12:12 (12 h). Replicate samples (a total of 47) received 30 min light every 1.5 h (marked by ticks above the time axis). Eight imageswere collected for each sample at 30-min intervals, two before and six after the light treatment. A dark control sample was imaged every 30 min,and is included as a reference in each graph (solid line). Data are representative of three experiments. Data points were lost at 80.5 and 81 h. (A)Data from successive samples are graphed in red, blue, and green for clarity. A gap in each trace marks the time of the light pulse. • cirkadiánní rytmy - přímá kontrola vs. „gating“ • při kontrole exprese fotosyntetického genu CAB se kombinují oba způsoby: existuje rytmus transkripce ve stálých podmínkách a rovněž rytmus v indukovatelnosti transkripce světlem transkripce genu pro CAB protein u Arabidopsis (měřeno pomocí luminiscence), Millar a Kay 1996

7. načasování procesů do vhodné denní doby • maximum fotosyntetické kapacity (tj. schopnosti rostliny využít sluneční záření) nastává ve dne, obvykle kolem poledne • rytmus fotosyntetické kapacity je výsledkem řady dílčích rytmů (otevřenost průduchů, exprese proteinů podílejících se na fotosyntéze aj.) asimilace CO2 a vodivost průduchů v listech fazolu za stálých podmínek (osvětlení, teplota, koncentrace CO2) - Hennessey a Field 1991

8. načasování procesů do vhodné denní doby • cirkadiánní rytmus vodivosti průduchů: maximum během dne (mutnost příjmu CO2 pro fotosyntézu); změny vodivosti obvykle předcházejí změnám v osvětlení • cirkadiánní oscilátor reguluje jak otevřenost průduchů ve stálých podmínkách, tak jejich senzitivitu na různé podněty, např. světlo: maximální citlivost na světlo je v 1. polovině subjek-tivního dne, max. citlivost na tmu během subjektivní noci vodivost průduchů v listech Arabidopsis thaliana, Webb 2003

9. migrace chloroplastů: obrněnka Pyrocystis fusiformis - nahoře ve dne, dole v noci (Sweeney 1987) migrace chloroplastů: zelená řasa Acetabularia(z Engelmann 2004) • načasování procesů do vhodné denní doby • některé řasy mají další rytmus související s fotosyntézou: intracelulární migraci chloroplastů (obvykle přes den rozptýlené, v noci shluknuté)

10. načasování procesů do vhodné denní doby • důležité jsou rytmy sloužící k interakci s opylovači • výrazný případ ekologické funkce cirkadiánních rytmů a jejich koevoluce u různých skupin organizmů (kvetoucí rostliny a opylovači) • pro rostliny je výhodné lákat opylovače v určitou denní dobu: • květy různých druhů jsou přizpůsobeny k opylování specifickými opylovači; ti mají své vlastní denní rytmy aktivity (denní motýli vs. můry apod.) a navíc se někteří z nich dokážou naučit přilétat na květy v konkrétní čas během dne • rostlina proto ušetří zdroje (nektar, emitované vonné látky, polysacharidy na tvorbu nápad-ných květů), pokud prezentuje atraktivní květy pouze po vhodnou část dne - podle aktivity svých opylovačů • do této kategorie patří cirkadiánní rytmy: • otevírání a zavírání květů • produkce těkavých vonných látek (chemoatraktantů) • v několika případech prokázány i denní rytmy v produkci nektaru a uvolňování pylu

11. denní časování rozkvětu květů (připomenutí z první přednášky) povijnice nachová (Pharbitis purpurea) večer ráno odpoledne nocenka zahradní (Mirabilis jalapa) odpoledne večer dopoledne foto M. Kolář

12. rytmická produkce vonných látek v květech • u druhů vonících v noci je často řízena cirkadiánním oscilátorem • u rostlin vonících ve dne je rytmus mnohdy vyvolán exogenně (slunečním zářením nebo zvýšením teploty během dne), ale i mezi nimi jsou druhy s endogenní regulací denní rytmus emise těkavých látek z květů Hoya carnosa (přetrvává i ve stálých podmínkách), Larcher 2004 podle Matile a Altenburger 1988

13. načasování procesů do vhodné denní doby • ve dne je vyšší teplota a současně jsou otevřené průduchy kvůli příjmu CO2 pro fotosyntézu: to znamená zvýšené nároky na transport vody z kořenů do nadzemní části • proto existují cirkadiánní rytmy v hydraulické vodivosti kořene a kořenovém vztlaku, s maxi-mem kolem poledne cirkadiánní rytmus kořenového vztlaku v izolovaných kořenových systémech Lotus japonicus, Henzler et al. 1999

14. replikace DNA • ochrana před každodenně se opakujícími nepříznivými podmínkami • cirkadiánní rytmy mohou být využity k „útěku před světlem“ • u zelené řasy Chlamydomonas reinhardtii existuje rytmus v citlivosti k UV - buňky jsou nejcitlivější v období replikace DNA • replikace DNA je proto časována do první poloviny noci, kdy není v přírodě riziko expozice slunečnímu UV záření Figure 1.   Effect of UV radiation on the survival of wild-type C. reinhardtii. Cells maintained on solid medium on LD 12:12 for one day were exposed to UV-C. Survival was measured as the colony-forming ability of cells following treatment. The mean value and standard deviation are plotted for triplicate measurements. (a) The percentage of surviving colonies is plotted against increasing amounts of UV-C radiation. Inverted triangles: UV-C treatment at 4 h after lights-on (LDT 4). Circles: UV-C treatment at 4 h after lights-off (LDT 16 on LD 12:12). (b) Time course of the effect of UV-C exposure at 4 h intervals during the LD 12:12 cycle. Dose of UV-C was 40 J/m2. Stippled blocks represent the dark intervals of the LD cycle přežívání zelené řasy Chlamydomonas reinhardtii po expozici UV záření (Nikaido a Johnson 2000)

15. ochrana před každodenně se opakujícími nepříznivými podmínkami • ochrana proti UV existuje patrně i u Arabidopsis: hladiny mRNA pro enzymy syntézy fenylpropanových látek (z nichž některé slouží jako UV filtr) jsou maximální koncem noci • látky absorbující UV se tak zřejmě začínají syntetizovat v předstihu před rozedněním Fig. 2. Phenylpropanoid biosynthesis genes peak before subjective dawn. (A) The gene encoding the Myb transcription factor PAP1 (accession number AAC83630) is in blue. The red traces represent phenylpropanoid biosynthesis genes. (B) Phenylpropanoid biosynthetic pathways. Genes encoding all enzymes indicated in red are clock-controlled. cirkadiánní rytmus hladin mRNA pro enzymy syntézy fenylpropanoidů a pro transkripční faktor, který patrně reguluje jejich genovou expresi - Arabidopsis (Harmer et al. 2000)

16. změny v odolnosti bavlníku vůči chladu a horku (Rikin et al. 1993) • ochrana před každodenně se opakujícími nepříznivými podmínkami • u bavlníku byly zjištěny cirkadiánní rytmy v odolnosti proti chladu (s maximem v noci) a proti vysoké teplotě (s maximem ve dne); zvýšená odolnost k chladu koreluje s vyšším podílem nenasycených mastných kyselin v lipidech • podobné rytmy i u Arabidopsis (hladiny mRNA pro proteiny indukované chladem a horkem) cirkadiánní rytmy hladin mRNA pro proteiny Arabidopsis, které jsou indukované chladem a horkem(Covington et al. 2008)

17. vláknité druhy s heterocystami: prostorová kompartmentace vláknité druhy bez heterocyst nebo jednobuněčné: časová kompartmentace heterocysty: fixace N2 den: fotosyntéza ostatní buňky: fotosyntéza noc: fixace N2 Oscillatoria limosa (http://protist.i.hosei.ac.jp/PDB3/PCD3688/htmls/29.html) Synechococcus sp. (http://protist.i.hosei.ac.jp/PDB7/PCD0400/htmls/10.html) • časová kompartmentace • některé druhy sinic fixují vzdušný dusík, ale nitrogenáza je silně inhibována kyslíkem • proto je nutné oddělit fixaci N2 od fotosyntézy Anabaena sp. (http://protist.i.hosei.ac.jp/PDB/Images/Prokaryotes/ Nostocaceae/Anabaena/Anabaena9.jpg)

18. časová kompartmentace • jednobuněčné vodní řasy potřebují dva základní zdroje: světlo (nejvíce u hladiny) a minerální živiny (nejvíce v hloubce nebo u dna) - jejich využívání je výhodné časově oddělit • proto má mnoho řas denní rytmy vertikální migrace (ve dne za světlem, v noci za živinami) • vertikální migrace Chlamydomonas reinhardtii je řízena dvěma cirkadiánními rytmy: fototaxe ke světlu (nejintenzivnější ve dne) a chemotaxe k amonným iontům (maximální v noci) denní rytmus chemotaxe k amonným iontům u Chlamydomonas reinhardtii (přetrvává i ve stálých podmínkách), Johnson et al. 1992

19. transkripce PEPc a dalších genů CAM metabolizmu otevírání průduchů vysoká koncentrace malátu v cytoplazmě (negativní zpětná vazba) cirkadiánní oscilátor transkripce genu pro PEPc kinázu PEPc regulace aktivity PEPc (fosforylovaná je aktivnější a hlavně méně senzitivní k inhibici malátem) • časová kompartmentace • rostliny aridních oblastí musí zajistit příjem CO2 a přitom minimalizovat ztráty vody • řešením je CAM metabolizmus, v principu časové oddělení příjmu CO2 z atmosféry a jeho následné asimilace fotosyntézou • regulace cirkadiánním oscilátorem není zatím úplně jasná; patrně dosti komplexní, klíčová se zdá být kontrola aktivity PEP karboxylázy prostřednictvím fosforylace CAM metabolizmus (Taiz a Zeiger 2002)

20. časová koordinace fyziologických pochodů • koordinace rytmů podílejících se na fotosyntéze: u Arabidopsis jsou ve stejné fázi (maximum kolem CT 4) cirkadiánní rytmy hladin mRNA pro proteiny světlosběrných komplexů, reakčních center fotosystému I a II i pro jeden z enzymů syntézy chlorofylu • hladiny mRNA začínají stoupat už koncem noci - pravděpodobně příprava fotosyntetického aparátu v předstihu před začátkem dne • rytmy mRNA pro fotosyntetické proteiny jsou navíc sladěny i s rytmem otevírání průduchů Fig. 1. Photosynthesis genes peak near the middle of the subjective day... (A) LHCA genes are in blue... LHCB genes are in pink... (B) PhotosystemI genes are in red... Photosystem II genes are in green... (C) Model for function of photosynthesis gene products in photosystemsII (left) and I (right). Colors of proteins match colors of corresponding gene traces. cirkadiánní rytmus hladin mRNA pro fotosyntetické proteiny - Arabidopsis (Harmer et al. 2000)

21. Fig. 3. Genes encoding starch-mobilizing enzymes peak during the subjective night... (B) Model for the enzymatic functions of these gene productsin the mobilization of starch. Colored arrows indicate the function of the corresponding geneindicated in (A). The chloroplast is bounded by a green box and the cytoplasm by a black box. • časová koordinace fyziologických pochodů • zajišťuje také správnou návaznost různých procesů: fotosyntéza probíhá ve dne, mobili-zace škrobu vzniklého v chloroplastech následuje v noci - a je rovněž regulována cirkadiánním oscilátorem, jak naznačují rytmy hladin mRNA pro některé zúčastněné proteiny cirkadiánní rytmus hladin mRNA pro enzymy odbourávající škrob na metabolizovatelné a transportovatelné cukry - Arabidopsis (Harmer et al. 2000)

22. Fig. 4. Genes implicated in cell elongation are circadian-regulated. (A) Genes encoding the auxinefflux carriers PIN3 ... and PIN7 ... (red), a putative expansin ... (green), a putative polygalacturonase ... (light blue), and aquaporin d-TIP ... (dark blue) all peak toward the end of the subjective day. Three enzymes implicatedin cell wall synthesis [cellulose synthase isolog..., cellulose synthase isolog..., and similar to dTDP-D-glucose 4,6-dehydratase...], all in gold,peak toward the end of the subjective night. (B) Proposed mode of action of the products of theseclock-controlled genes in cell wall remodeling. • časová koordinace fyziologických pochodů • rytmus prodlužovacího růstu stonku (maximální rychlost v LL na konci subjektivního dne) vyžaduje precizní vzájemné časování dílčích procesů, které se podílejí na prodlužovacím růstu buněk a na syntéze nových komponentů buněčné stěny cirkadiánní rytmus hladin mRNA pro proteiny účastnící se prodlužování buněk a syntézy buněčné stěny - Arabidopsis (Harmer et al. 2000)

23. další funkce cirkadiánních rytmů • měření času ve fotoperiodizmu • cirkadiánní oscilátor měří délku dne/noci ve fotoperiodických reakcích • podrobnosti v přednáškách ve druhé části semestru • cirkadiánní rytmy s nejasným významem • spánkové pohyby listů (snad snížení transpirace a/nebo zmírnění tepelných ztrát z listů během noci; je ale nedostatek přesvědčivých důkazů) • rychlost prodlužovacího růstu stonku • další rytmy (např. bioluminiscence některých řas)