Biorytmy

1. Biorytmy Historie – starověk – listy mění polohu ve dne a v noci, rytmické (spánkové) pohyby, francouzský astronom de Marian (1929), mimóza několik dní ve tmě – pohyb neustal. Dále Darwin, Sachs, Pfeffer – cirkadiální rytmy, rytmus je dědičný – rostliny Acacia pěstovány od vyklíčení při 12/12 hod – podle toho rytmy, když předělali na 24 hod světlo, přešli na střídání dne a noci i spánkové pohyby 1935 – Erwin Bünning – definoval biologické hodiny a postuloval jejich úlohu ve fotoperiodické regulaci kvetení Mnohé procesy v rostlinách mají charakter rytmů – pravidelně se opakují rytmy exogenní (vliv vnějšího prostředí) a endogenní (biorytmy generovány zvláštním oscilátorem – biologickými hodinami) adaptace na střídání dne a noci, ročních období, vliv měsíce, odlivu,… Tyto rytmy zůstávají minimálně několik dní po přenesení do jiných exogenních podmínek (z 16/8 h → 24 h světla). Biorytmus – pravidelně se opakující změna v živé soustavě Biologický cyklus – je základní jednotkou biorytmů; opakuje se ve stejném pořadí a ve stejné době Biorytmus =endogenní rytmus (spontánní) – probíhá i v neperiodickém prostředí (ve tmě

2. Biorytmy Perioda – doba trvání cyklu, vzdálenost mezi 2 vrcholy, dělení na: Biorytmus Perioda Cirkadiánní v rozmezí 20-28 hod Ultradiánní kratší než 20 hod (cirkumnutace) Infradiánní delší než 28 hod Semilunární 14 dní Lunární 28 dní (mezi úplňky) Annuální jednoroční (klíčivost semen) Amplituda – je vzdálenost mezi maximem a minimem rytmu Frekvence – počet cyklů za jednotku času Fáze rytmu – libovolná bod rytmu Perioda – čas mezi následujícími maximy a minimy Synchronizátor – signál z vnějšího prostředí, který seřizuje endogenní rytmus s vnitřním, např. stmívání a svítání - rytmus 24 h; synchronizátorům se říká zeitgeber (dárce času), po odstranění signálu (synchronizátoru mluvíme o volně běžícím rytmu – přechod k rytmu charakteristickému pro daný organismus nebo jeho vymizení, hodiny nezmizí – subjektivní den a noc, pouze fyziologická odezva, dají se znovu nastartovat po přenesení do exogenního cyklu. Seřízení rytmu – synchronizace rytmu exogenním synchronizátorem, délka cirkadiálního rytmu je seřizována přesně na 24 h cyklem den-noc Oscilátor nebo-li biologické hodiny – interní mechanismus, který je zdrojem časové informace v biol. rytmu (strojek hodin) a řídí biologický rytmus – fyziologický proces (např. zavírání a otvírání průduchů, fotosyntézu,..) – proces jsou hodinové ručičky; oscilátor není ovlivněn teplotou a může tak fungovat kterékoliv roční období = tepelná kompenzace Fázový posun– fyziologická odezva je vázána ke specifickému časovému bodu endogenního oscilátoru → odpověď se vyskytuje v určitou denní dobu; 1 oscilátor může být vázán rozdílným cirkadiánním rytmům.

3. Cirkadiánní rytmy a světlo-fázový skok Obecným znakem cirkadiánních rytmů je citlivost ke světlu, po přenesení organismu do konstantní tmy a ošetření organismu krátkým pulsem (1 h) v různé fázi rytmu je patrná změna časového posunu fáze rytmu - pulsy na počátku noci cyklus zpožďují (organismus interpretuje puls jako konec předcházejícího dne), po půlnoci posouvá impuls cyklus dopředu (organismus interpretuje puls jako začátek nového dne). Fázový skok (přefázování) je podobné u řady organismů – adaptace na změnu délky dne na zeměkouli Modelový diagram znázorňující fázové posuny biorytmu A působením světelných pulzů v čase: A) nepřerušovaná tma, B – posun ve 12:00, C) 20:00, D) 1:00, E) 6:00; b)fázový diagram reprezentuje fázový skok (přefázování) vlivem impulzu. C) Praktický pokus – fázový posun pohybů korunních plátků u Kalanchoe po ozářením růžovým světlem po dobu 2 hod v době tmy. Tmavá zóna je subjektivní noc.

4. Řízení cirkadiánních rytmů Světlo je silný modulátor cirkadiánních rytmů, studium umožnily rostlinné „clock“ mutanty – pomocí konstruktů promotorové oblasti LHCB genu (CHLORYFYL a/b BINDING - CAB) fusovaného s genem pro luciferasu byly objeveny toc mutanty (timing of CAB /LHCB/ expression), bylo prokázáno, že toc1 je zapojen jako oscilátor. Partnery TOC1 jsou 2 Myb-příbuzné transkripční faktory kódované lokusy CCA1 (CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED) a LHY (LATE ELONGATED HYPOCOTYLS) – overexpreseři a knock-outi mají arytmické pohyby. Zatímco TOC1 aktivuje jejich expresi, CCA a LHY inhibují expresi TOC1. Za seřízení zodpovědny fytochromy (PhyB) a kryptochromy (fotoreceptory pro modré světlo CRY1 a CRY2), u rostlin není jasné zda CRY1 a CRY2 interagují s oscilátorem (jako u Drosophily) – důležitá je změna ozářenosti a spektra při svítání a stmívání, intenzivní světlo urychluje synchronizaci. Zapojeny jsou i geny EARLY FLOWERING 3 (ELF3, zablokuji oscilátor při stmívání) a TIME FOR COFFEE (TIC, zablokuji oscilátor při svítání), elf3/tic dvojitý mutant je kompletně arytmický.

5. Cirkadiánní oscilátor Popsán sinic (Synechococcus), hub (Neurospora crassa), hmyzu (D. melanogaster) a myši (M. musculus) – oscilátor je složen z řady „clock“ genů – je to transkripčně-translační zpětno-vazebná smyčka U A. thaliana pospány 3 geny smyčky: TOC1, LHY a CCA1. Světlo a TOC1 reguluje expresi LHY a CCA1 za svítání (nejvyšší hladiny), ty aktivují expresi řady „ranních“ genů. Zatímco TOC1 aktivuje jejich expresi, CCA a LHY inhibují následně expresi TOC1 a jeho pokles vede ke konci dne k represi i u těchto genů a inhibici exprese genů podřízených CCA a LHY. Pokles exprese těchto genů vede k nastartování exprese TOC1 (nejvyšší hladina na konci dne). Maxima genové exprese těchto vzájemně se regulujících jednotek oscilátoru jsou posunuta o 12 hod. Oscilátor je rovněž propojen s fotoreceptory. Microarray analýzy ukázaly, že více jak 500 (6%) genů je v rostlinách exprimováno cyklicky, např. LHCB,..., geny fotosyntézy maximum kolem poledne, biosyntézy celulózy v polovině noci. Věchny geny mají 9-nuklotidový motiv „evening element“ (AAAATATCT). Proteiny jsou cyklicky ovlivněny: kinasa CK2 fosforyluje CCA1 (rytmicky), GIGANTEA (jaderný protein), ZTL (F-box protein zodpovědný za degradaci TOC1).

6. Cirkadiánní rytmy Spánkové pohyby listů (nyktinastie) – fazol, mimóza, stromy Samanea a Albizia; funguje i u uříznutých listů ve tmě v roztoku sacharosy, dáno rytmickými změnami turgoru v pulvině, listy se začínají zavírat po 5 min ve tmě (30 min), regulováno R-FR (fytochromy), vstupem K+ a Cl- z dorzálních do ventrálních motorických buněk a zpět, podobně jako u svěracích buněk), v buňkách pulvinu, na jedné straně extensorové buňky (zvětšují se ve dne, list jde nahoru), na druhé flexorové (pokles listu, zvětšení v noci), mění se rovněž pH -  v apoplastu dorzálních buněk a  v apoplastu ventrálních buněk (protonové pumpy) Spánkové pohyby Mimosy

7. SOUHRN • Mnohé procesy v rostlinách mají charakter rytmů – pravidelně se opakují • rytmy exogenní (vliv vnějšího prostředí) a endogenní (biorytmy) • Biorytmy jsou řízeny zvláštním oscilátorem – biologickými hodinami (adaptace na střídání dne a noci, ročních období, vliv měsíc, odliv,…) • Biorytmus – pravidelně se opakující změna v živé soustavě, nejčastější jsou cirkadiánní cykly (24 h) • Obecným znakem cirkadiánních rytmů je citlivost ke světlu, která je seřizována synchronizátorem, světelný impulz může způsobit fázový posun (do půlnoci ←, po půlnoci →) • Za seřízení jsou zodpovědny fotoreceptory - fytochromy a kryptochromy • Oscilátor je regulován zpětno-vazebnou smyčkou – známy 3 geny: TOC1, LHY a CCA1