J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin

1. J. Kolář - Biologické rytmy a fotoperiodizmus rostlin 2: Cirkadiánní a další rytmy související s periodicitou prostředí

3. základní parametry biologických rytmů • perioda (τ, angl. period), fáze (φ, angl. phase), amplituda (angl. amplitude) data J. Kolář

4. velké množství rytmů koresponduje s periodicitou prostředí • v přírodě je perioda rytmu vždy shodná s délkou příslušné periody změn v prostředí • ve stálých podmínkách délka periody rytmu přibližně odpovídá periodicitě prostředí

5. relativní intenzita bioluminiscence 0 24 48 72 96 120 144 čas od začátku stálého světla [h] • cirkadiánní rytmy - grafické znázornění • nejběžnější je graf časového průběhu měřené veličiny aktivita promotoru genu pro protein CAB2 v Nicotiana tabacum - měřeno pomocí bioluminiscence rostlin s reporterovým genem pro luciferázu, který je řízen promotorem cab2 (data J. Kolář)

6. cirkadiánní rytmy - grafické znázornění • častý je také „double-plot“: data z jednotlivých dnů jsou srovnána pod sebou a zdvojena • z double-plotu se dobře vizuálně stanoví perioda, změny fáze apod. pohybová aktivita myši(Pittendrigh 1993)

7. metody studia cirkadiánních rytmů rostlin • často využíváno snímání kamerou v pravidelných intervalech a s následnou analýzou obrazu zde snímání pohybu děloh z boku (data J. Kolář)

8. luciferin (světluškový) oxyluciferin N N N N Mg2+, ATP, O2 C O O H O luciferáza + S S S S H O H O světlo • metody studia cirkadiánních rytmů rostlin • studium genové exprese pomocí reporterových konstruktů s luciferázou • podstatně jednodušší a přesnější metoda stanovení exprese genu než měření hladin mRNA reporterový konstrukt vnášený do rostliny: promotor sledovaného genu kódující sekvence pro luciferázu ze světlušky

9. metody studia cirkadiánních rytmů rostlin • studium genové exprese pomocí reporterových konstruktů s luciferázou porovnání fáze transkripčních rytmů 3 různých genů (McClung et al. 2002)

10. metody studia cirkadiánních rytmů – statistické vyhodnocení • speciální metody umožňují v datech prokázat statisticky významnou rytmicitu a stanovit její periodu (zde např. periodogram) periodogram pohybové aktivity mouchy Calliphora vicina (Cymborowski et al. 1994)

11. metody studia cirkadiánních rytmů – statistické vyhodnocení • po výběru vhodné fáze jako referenčního bodu lze určit periodu a fázi rytmu (např. lineární regresí) A typical graphical output of the Chrono software. A circadian rhythm in bioluminescence of a cab2::Luc tobacco seedling was recorded for 8 days and its minima were plotted as circles. For better visualization, the chart is "double-plotted": the row marked "1" corresponds to days 1 and 2 of the experiment, row "2" to days 2 and 3, etc. The horizontal axis indicates the time of minimal bioluminescence during the given day. Linear regression is performed using the minima as phase reference points. The resulting regression line can be clearly seen in this double-plotted graph. Its slope and intersection with the line of day 1 determine the period length and phase at day 1 of the analyzed rhythm, respectively. (Data J. Kolář)

12. Všechny cirkadiánní rytmy majítři základní vlastnosti: • jsou endogenní, tzn. přetrvávají v konstantních podmínkách s periodou přibližně 24 hodin • jsou synchronizovatelné změnami prostředí (osvětlení, teploty atd.) na periodu přesně 24 hodin • délka periody není příliš závislá na teplotě (teplotní kompenzace)

13. Důkazy endogenní povahy cirkadiánních rytmů • přetrvávají v laboratoři za technicky rozumně dosažitelných konstantních podmínek - stálá teplota a osvětlení, ideálně i vlhkost • přetrvávají i na jižním pólu a na oběžné dráze kolem Země (což vylučuje, že by byly způsobeny účinkem nějakého neznámého faktoru prostředí s periodicitou odpovídající zemské rotaci) • délka periody ve stálých laboratorních podmínkách většinou není přesně 24 h (jakékoli neznámé vyvolávající faktory prostředí by musely mít periodu přesně24 hodin)

14. rytmus ve stálých podmínkách • ve stálých podmínkách rytmus „volně běží“ - angl. free-running rhythm • rytmus nemusí volně běžet ve všech stálých podmínkách nebo může postupně snižovat amplitudu (vyhasínání, angl. damping) - pro důkaz endogenní povahy stačí, když přetrvává alespoň v některých konstantních podmínkách minimálně po několik cyklů

15. perioda ve stálých podmínkách • nazývá se endogenní perioda nebo free-running period • její délka může být ovlivněna podmínkami prostředí, např. intenzitou nebo kvalitou světla, • v konkrétních stálých podmínkách je ovšem dosti stabilní vliv kvality a intenzity světla na periodu bioluminiscence u obrněnky Gonyaulax polyedra (z Engelmann 2004) vliv osvětlení na periodu rytmu exprese genu cab2 u Arabidopsisthaliana (Covington et al. 2001)

16. synchronizace cirkadiánních rytmů s denní periodicitou prostředí • v přírodě je nezbytné, aby cirkadiánní rytmy měly periodu přesně 24 hodin a také správnou fázi vzhledem k denní rytmicitě vnějších faktorů (listy sklopené v noci, produkce fotosynte-tických proteinů přes den apod.) • to je zajištěno procesem zvaným entrainment (nejlepší český překlad asi „synchronizace“, což ovšem není úplně přesné) • entrainment je přizpůsobení endogenního cirkadiánního rytmu k rytmu v prostředí; cirkadiánní rytmus 1) přebírá periodu vnějšího rytmu a 2) ustavuje stabilní fázi vzhledem k fázi vnějšího rytmu • entrainment je vždy zajištěn podnětem z prostředí, zvaným časovač (angl. zeitgeber) • časovač je nejčastěji světlo/tma, běžně i změny teploty; u živočichů ale někdy i sociální stimuly, dostupnost potravy aj. • hlavním mechanizmem entrainmentu jsou posuny fáze rytmu vyvolané působením časovačů - podrobnosti v příští přednášce

17. fázové posuny (phase shifts) • časovač (např. pulz světla během stálé tmy) vyvolá změnu fáze volně běžícího rytmu • velikost a směr fázového posunu závisí na fázi rytmu, v níž časovač působí

18. křivka fázové odpovědi (phase response curve, PRC) • kvantitativně popisuje závislost fázového posunu na cirkadiánní fázi aplikace časovače nejčastější tvar PRC pro účinek krátkého pulzu světla během stálé tmy

19. křivky fázové odpovědi • konkrétní průběh je určen druhem organizmu, povahou a sílou časovače • přesto sdílejí některé obecné rysy PRC pro 1-h pulz červeného nebo modrého světla v DD - vliv na rytmus exprese genu ccr2 u Arabidopsis (Salomé a McClung 2005 podle Covington et al. 2001) PRC křivky (pulz světla v DD) u několika organizmů (Sweeney 1987)

20. teplotní kompenzace délky periody • endogenní perioda cirkadiánních rytmů se poměrně málo mění s teplotou – podstatně méně než rychlost většiny biochemických reakcí perioda rytmu bioluminiscence obrněnky Gonyaulax polyedra při různých teplotách (Engelmann 2004 podle Hastings a Sweeney 1957)

21. oscilátor • základní model cirkadiánní rytmicity • navržen na základě znalostí o vlastnostech cirkadiánních rytmů (endogenní, entrainment aj.) • užitečná koncepce, i když je dnes dokázáno, že neplatí zcela přesně – např. regulace není vždy striktně jednosměrná jako na schématu výstupy vstupy • pozorované • cirkadiánní rytmy: • fotosyntéza • pohyb listů • rychlost růstu • hladiny hormonů • exprese genů • atd. • světlo • teplota • ostatní signály • (časovače)

22. příliv (high tide, flood tide) 12,4 h odliv (low tide, ebb tide) • další rytmy související s periodicitou prostředí • přílivové rytmy souvisejí se střídáním přílivu a odlivu (s periodou 12,4 h) data Canadian Hydrographic Service

23. 24,8 h • další rytmy související s periodicitou prostředí • v některých oblastech může být každý druhý příliv/odliv výrazně silnější (s periodou 24,8 h) data Canadian Hydrographic Service

24. skočné dmutí (spring tide) hluché dmutí (neap tide) 14,8 dne • další rytmy související s periodicitou prostředí • semilunární rytmy souvisejí s kolísáním amplitudy přílivu a odlivu (s periodou 14,8 dne) data Canadian Hydrographic Service

25. přílivové rytmy • dobře prokázány u živočichů z přílivové zóny (pohybová aktivita, získávání potravy aj.) • časovač nemůže být světlo/tma (příliv a odliv se denně opožďuje téměř o 1 hodinu!) • časovače mohou být proudění vody, hydrostatický tlak, vysušení/zvlhčení • známy také u řas rytmus vertikální migrace krásnoočka Euglena obtusa. Ve skutečnosti ne přílivový, ale cirkadiánní! Je synchronizován střídáním světla a tmy (tma v noci a při zaplavení bahnitou vodou během přílivu) Pravý přílivový rytmus - vertikální migrace rozsivky Hantzschia virgata.

26. semilunární rytmy • popsány u živočichů (např. tření některých druhů ryb) • známy také u řas (uvolňování gamet u některých přisedlých druhů jen při skočném odlivu, aby byly méně naředěny ve vodě) • časovačem alespoň v některých případech úplněk (tj. světlo v noci) produkce oocytů u hnědé řasy Dictyota dichotoma, synchronizovaná světlem během noci na začátku pokusu

27. lunární rytmy • zjištěny v rozmnožování některých mořských kroužkovců • jinak málo prozkoumané, patrně vzácné • časovač alespoň v některých případech měsíční světlo • problémem je často špatná průkaznost a někdy i nízká důvěryhodnost dat - hlavně u suchozemských organizmů možné lunární rytmy v chemickém složení a tedy primární produkci a metabolizmu stromů tropického pralesa (Vogt et al. 2002)

28. cirkanuální rytmy • souvisejí se střídáním ročních období • dobře prokázány u živočichů (např. migrace, reprodukce a výměna peří u ptáků) cirkanuální rytmus ve velikosti varlat a době výměny opeření u afrického pěvce Saxicola torquata chovaného za konstantní fotoperiody (Gwinner 2003)

29. cirkanuální rytmy • souvisejí se střídáním ročních období • dobře prokázány u živočichů (např. migrace, reprodukce a výměna peří u ptáků) • časovačem je většinou fotoperioda cirkanuální rytmus kuklení larev u brouka Anthrenus verbasci na krátkém dni: posun fáze po expozici 4 týdnům dlouhé fotoperiody (Miyazaki et al. 2005)

30. cirkanuální rytmy u řas • prokázány rytmy v růstu stélky některých makroskopických druhů • časovačem je fotoperioda cirkanuální rytmus v prodlužovacím růstu chaluhy Pterygophora californica (Lüning a Kadel 1993) stélka s ročními přírůstky volně běžící rytmus synchronizace fotoperiodou

31. cirkanuální rytmy u vyšších rostlin • zjištěny v některých případech (klíčení, rychlost růstu aj.) • často je problémem přesvědčivý důkaz endogenní povahy • roční změny různých vlastností rostlin nicméně existují i v laboratorních podmínkách - např. citlivost k fotoperiodické indukci, dokonce i růst tkáňových kultur (není však jasné, zda jsou v těchto podmínkách eliminovány všechny důležité faktory prostředí) rychlost příjmu vody klíčícími semeny fazolu (Spruyt et al. 1987)